徐德馨，張春梅，施木俊

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 工程概況

江花綜合大樓工程北臨武漢市江岸區(qū)三陽(yáng)路、東臨中山大道、西臨京漢大道，該工程總用地面積2.34公頃，由1棟13層、1棟15層、1棟2層辦公樓以及3棟18層住宅樓組成。6棟擬建建筑物在平面布局上組成類似于“四合院”型，擬設(shè)置2層滿鋪地下室，基礎(chǔ)埋置深度約10.60 m。地下室形狀呈長(zhǎng)方形，基坑周長(zhǎng)約516 m，面積約14400 m2，開(kāi)挖深度9.4 m～10.6 m。

圖1 基坑開(kāi)挖到坑底后現(xiàn)場(chǎng)照片

擬建場(chǎng)地屬長(zhǎng)江沖積Ⅰ級(jí)階地地貌形態(tài)，工程開(kāi)挖深度大，周邊環(huán)境及地質(zhì)條件較復(fù)雜，工程規(guī)模大，故該基坑重要性等級(jí)為一級(jí)。

綜合考慮本工程場(chǎng)地地質(zhì)條件、周邊環(huán)境的嚴(yán)峻性和復(fù)雜性，在充分利用周邊環(huán)境放坡卸載的基礎(chǔ)上，采用樁撐方案。

2 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)江花基坑設(shè)計(jì)圖紙尺寸，建立全基坑三維模型，模擬了基坑分步開(kāi)挖。支護(hù)樁為鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)13.0 m～16.0 m，樁徑0.8 m～0.9 m，樁間距1.3 m;鎖口梁寬1.2 m，高0.7 m，與支護(hù)樁一樣，采用c30混凝土澆筑;基坑底板采用c30混凝土，底板與樁排間填充c15素混凝土，與底板同厚;內(nèi)支撐、型鋼尺寸和布置均按設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)置。

基坑數(shù)值分析土層計(jì)算參數(shù)表 表1

基坑數(shù)值分析時(shí)支護(hù)樁、鎖口梁與內(nèi)支撐均采用線彈性模型，彈性模量 E=27000 MPa，泊松比v=0.2，樁與鎖口梁、內(nèi)支撐單元均采用三維梁結(jié)構(gòu)單元;底板采用殼單元模擬，彈性模量取c30混凝土的70%即21000 MPa;型鋼斜支撐采用A3鋼，彈性模量取為2.0 ×105MPa［1～4］。土體本構(gòu)模型采用 Mohr － Coulomb彈塑性模型，土體單元采用三維8節(jié)點(diǎn)減縮單元。土層基本土性指標(biāo)由勘察報(bào)告所得，有限元計(jì)算的變形模量E0由勘察報(bào)告上的土體狀態(tài)以及壓縮模量ES根據(jù)《巖土工程勘察實(shí)用技術(shù)研究》、《基坑工程手冊(cè)》所給的關(guān)系結(jié)合經(jīng)驗(yàn)所得［5～8］。基坑土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖2 支護(hù)體系數(shù)值分析模型

圖3 拆除內(nèi)支撐前后數(shù)值分析模型

基坑開(kāi)挖模擬計(jì)算順序:首先支護(hù)樁與粉噴樁施工至設(shè)計(jì)深度;然后從基坑開(kāi)挖邊線處以1∶0.6的坡比向坑內(nèi)開(kāi)挖，挖深4.0 m;其次開(kāi)挖一個(gè)4.0 m寬的卸荷平臺(tái)，施工鎖口梁和內(nèi)支撐;再次垂直開(kāi)挖6.0 m到坑底，施工基坑底板和豎向H型鋼斜支撐;最后在底板混凝土達(dá)到70%強(qiáng)度后分片拆除內(nèi)支撐。按上述設(shè)計(jì)方案建立有限元分析模型(基坑全局模型單元數(shù)量很多，基坑立柱樁簡(jiǎn)化為豎向鏈桿約束，減小了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，計(jì)算結(jié)果偏于安全)。有限元計(jì)算結(jié)果包括整個(gè)基坑土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形分布情況，選取典型分析過(guò)程的計(jì)算結(jié)果云圖示意如下(本文計(jì)算結(jié)果圖中位移單位為m、力單位為kN、應(yīng)力單位為kPa):

3.1 鎖口梁位移

圖4為基坑開(kāi)挖到坑底，內(nèi)支撐未拆除前，鎖口梁位移分布矢量圖。有限元計(jì)算結(jié)果表明:三陽(yáng)路側(cè)鎖口梁最大位移為19.0 mm，中山大道側(cè)鎖口梁最大位移為13.3 mm，華清園側(cè)鎖口梁最大位移為14.6 mm，京漢大道側(cè)鎖口梁最大位移為16.9 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果依次為:17.0 mm、11.0 mm、15.0 mm、13.0 mm。計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果比較接近。

圖4 開(kāi)挖到坑底后鎖口梁位移分布矢量圖

圖5為基坑開(kāi)挖到坑底，加設(shè)豎向H型鋼斜支撐，全部拆除內(nèi)支撐后，鎖口梁位移分布矢量圖。有限元計(jì)算結(jié)果表明:三陽(yáng)路側(cè)鎖口梁最大位移為33.2 mm，中山大道側(cè)鎖口梁最大位移為27.3 mm，華清園側(cè)鎖口梁最大位移為29.8 mm，京漢大道側(cè)鎖口梁最大位移為32.3 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果依次為:33.0 mm、29.0 mm、38.0 mm、34.0 mm。計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果總體比較接近，監(jiān)測(cè)變形結(jié)果偏大，分析其原因，主要是:H型鋼斜支撐頂住鎖口梁的節(jié)點(diǎn)與鎖口梁底部接觸點(diǎn)未接觸緊密，給了鎖口梁樁排變形的空間，因而基坑各段實(shí)際變形較大。

圖5 拆除內(nèi)支撐后鎖口梁位移分布矢量圖

從圖4和圖5兩個(gè)圖綜合分析可以得到，基坑角點(diǎn)變形均較小，在圖5中體系得尤為明顯，充分體現(xiàn)了基坑的空間效應(yīng)。在圖4的情況，由于基坑全坑有剛度很大的內(nèi)支撐支護(hù)，基坑的空間效應(yīng)體現(xiàn)得不如圖5情況那么明顯。

3.2 內(nèi)支撐軸力

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)軸力和計(jì)算軸力結(jié)果見(jiàn)表3，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較一致，計(jì)算結(jié)果總體稍稍偏大，偏于安全。

圖6 開(kāi)挖到坑底后基坑內(nèi)支撐軸力分布云圖

圖6表示開(kāi)挖到坑底后內(nèi)支撐軸力分布情況，從圖6中，可以知道每一根內(nèi)支撐梁所受的軸力，有限元計(jì)算結(jié)果表明，內(nèi)支撐軸力最大值為3580 kN，最大拉應(yīng)力為430.1 kN。采用有限元計(jì)算的方法，還可以計(jì)算各梁段剪應(yīng)力和彎矩，從各梁段應(yīng)力分布情況可以給梁進(jìn)行截面設(shè)計(jì)和配筋，針對(duì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎矩的梁段可以分別配筋以及選取合適的截面型式和尺寸，使設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又安全。

內(nèi)支撐監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)軸力與計(jì)算軸力對(duì)比表 表2

3.3 樁排彎矩

基坑開(kāi)挖到坑底后，在未拆除內(nèi)支撐前，有限元計(jì)算得到樁排的彎矩，監(jiān)測(cè)樁共6根，現(xiàn)把計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果列表見(jiàn)表3:

從表3計(jì)算結(jié)果可比較得出，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果大體一致，計(jì)算彎矩結(jié)果在基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中作為標(biāo)準(zhǔn)值。

監(jiān)測(cè)樁實(shí)測(cè)彎矩與計(jì)算彎矩最大值對(duì)比表/kN·m 表3

監(jiān)測(cè)樁實(shí)測(cè)彎矩與計(jì)算彎矩最大值對(duì)比表/kN·m 表4

基坑開(kāi)挖到坑底后，加設(shè)斜支撐、拆除內(nèi)支撐后，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果列表如表4。從表4計(jì)算結(jié)果可比較得出:監(jiān)測(cè)樁負(fù)彎矩(即樁上端彎矩)計(jì)算最大值與監(jiān)測(cè)結(jié)果相比總體偏大，監(jiān)測(cè)樁正彎矩(即樁下端彎矩)計(jì)算最大值與監(jiān)測(cè)結(jié)果相比總體偏小。

從表3和表4綜合分析可得，無(wú)論是計(jì)算結(jié)果還是監(jiān)測(cè)結(jié)果，拆除內(nèi)支撐前后，樁身彎矩絕對(duì)值最大值在減小，樁下端彎矩增大。可見(jiàn)，支護(hù)樁最大配筋計(jì)算以拆除內(nèi)支撐前的狀態(tài)確定，結(jié)合樁下端彎矩最大值分布情況(監(jiān)測(cè)結(jié)果表明樁下端最大彎矩位于樁底以上2.0 m處，計(jì)算結(jié)果表明樁下端最大彎矩位于樁底4.0 m或以上位置)，樁下端配筋可以適當(dāng)減少，在保證安全的前提下，減少工程造價(jià)。

4 拆除內(nèi)支撐前加設(shè)斜支撐與否對(duì)比分析

通過(guò)上述數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較分析，數(shù)值分析計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果較吻合，數(shù)值分析反映出的整個(gè)基坑的變形情況和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工以及基坑課題研究都有著重要意義。下面來(lái)進(jìn)行拆除內(nèi)支撐前是否加設(shè)斜支撐進(jìn)行方案對(duì)比分析。若不加設(shè)斜支撐，數(shù)值分析計(jì)算得到鎖口梁位移分布見(jiàn)圖7:

圖7 不加斜支撐拆除內(nèi)支撐后鎖口梁位移分布矢量圖

從圖7中可以看到:基坑鎖口梁位于三陽(yáng)路側(cè)最大位移為42.1 mm，中山大道側(cè)最大位移為36.3 mm，華清園側(cè)最大位移為39.6 mm，京漢大道側(cè)最大位移為40.1 mm;并且各鎖口梁段除了角部位移較小外，其他都以接近最大位移值向坑內(nèi)滑移。

數(shù)值分析對(duì)比計(jì)算結(jié)果表明:在拆除內(nèi)支撐前，若不加設(shè)豎向斜支撐，鎖口梁最大位移超過(guò)40 mm，不滿足湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》對(duì)一級(jí)基坑支護(hù)體系最大水平位移不超過(guò)40 mm的要求;通過(guò)對(duì)比分析后，在變形最大位置按照一定間距布置了一定數(shù)量的豎向斜支撐，工程造價(jià)增加不多，位移控制的效果較好，充分反映了三維數(shù)值分析在基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)中的作用。

5 數(shù)值分析經(jīng)濟(jì)效果

上海同類基坑工程一般采用二層支撐，且支撐梁間距少，截面大。筆者在江花綜合大樓基坑工程設(shè)計(jì)中，在對(duì)以往工程深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合場(chǎng)地條件，大膽地采用一層雙環(huán)狀內(nèi)支撐，方便了土方開(kāi)挖，對(duì)節(jié)省工期和造價(jià)十分有利。在此基礎(chǔ)上，采用三維數(shù)值分析技術(shù)，還對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作，如進(jìn)行了鉆孔樁及方樁經(jīng)濟(jì)與可行性分析，支撐設(shè)置高度綜合對(duì)比分析。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，對(duì)樁底端彎矩較少的部分主筋減半，用Ⅲ級(jí)鋼筋置換Ⅱ級(jí)鋼筋。僅這兩項(xiàng)，節(jié)約鋼筋直接成本28萬(wàn)元。還對(duì)內(nèi)支撐進(jìn)行優(yōu)化，使內(nèi)支撐設(shè)置跨度大，截面小，節(jié)省直接成本25萬(wàn)元。與上海同類基坑相比，內(nèi)支撐設(shè)計(jì)截面尺寸僅為上海內(nèi)支撐的截面的70～85%，總方量為上海同類基坑的60～80%。江花綜合大樓內(nèi)支撐造價(jià)僅為上海同類內(nèi)支撐基坑造價(jià)的70%左右。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)江花綜合大樓深基坑工程進(jìn)行全過(guò)程施工三維有限元數(shù)值分析，可以得到基坑施工不同階段的變形和應(yīng)力分布情況，通過(guò)與基坑監(jiān)測(cè)資料的對(duì)比，表明數(shù)值分析的結(jié)果是比較準(zhǔn)確的，積累了采用三維數(shù)值分析技術(shù)對(duì)大型基坑進(jìn)行分析的經(jīng)驗(yàn)。

(2)采用三維數(shù)值分析技術(shù)，可以充分考慮基坑內(nèi)支撐的空間布置以及基坑的空間效應(yīng)，可以很好實(shí)現(xiàn)對(duì)大型深基坑進(jìn)行施工全過(guò)程的模擬，使基坑設(shè)計(jì)方案更加優(yōu)化。

(3)通過(guò)對(duì)兩種內(nèi)支撐拆撐方案的對(duì)比分析以及基坑設(shè)計(jì)過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)不同截面型式和尺寸等方案進(jìn)行對(duì)比分析，為基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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