嚴(yán)學(xué)寧，張世軒，王翠英

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)手工計(jì)算與天漢軟件計(jì)算對(duì)比分析
——以黃石MALL城超大深基坑為例

嚴(yán)學(xué)寧，張世軒，王翠英

（湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430068）

黃石MALL城超大深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，分別采用手工與天漢軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容包含土壓力、錨桿內(nèi)力、長(zhǎng)度等，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)先采用軟件計(jì)算，選取局部段進(jìn)行手工核實(shí)，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)更加快速、可靠、安全。

深基坑；天漢軟件；支護(hù)設(shè)計(jì)

黃石MALL城基坑平面特大，形狀大致呈長(zhǎng)方形（不太規(guī)則），最長(zhǎng)處約303m，寬約136m；場(chǎng)區(qū)淤泥分布不均勻，基坑周邊分布有管線及住宅樓、公用設(shè)施等，特別是西北側(cè)的一條箱涵，其對(duì)過(guò)大的沉降和差異沉降很敏感［1］。根據(jù)基坑支護(hù)方案比選原則及地層、開(kāi)挖深度、周邊環(huán)境的情況，按照重要性對(duì)基坑支護(hù)分區(qū)、分段，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由低價(jià)到高價(jià)的先后順序進(jìn)行試算、比較，最后選擇最佳的方案，本文節(jié)選STU段支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行手工與天漢軟件計(jì)算分析對(duì)比。

1 工程概述

1.1 工程概況

黃石MALL城建筑物占地總面積41 877m2，由主樓（28F、31F）及附樓（3F、4F、5F）組成，地下設(shè)2層滿鋪地下室。該基坑開(kāi)挖面積約32 956.7m2，基坑周邊開(kāi)挖深度為自然地面下7.60m、12.10m，電梯井開(kāi)挖深度為自然地面下14.50m，工程安全等級(jí)為1級(jí)，總平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 黃石MALL城基坑平面圖

1.2 場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地層概述如下：①雜填土；②粘土；③淤泥；④粘土；⑤石灰?guī)r。根據(jù)場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告，與基坑支護(hù)設(shè)計(jì)相關(guān)底層的巖土設(shè)計(jì)參數(shù)取值見(jiàn)表1。場(chǎng)地地下水位－0.60～1.10m，下層地下水類型主要為巖溶裂隙水，主要賦存在石灰?guī)r的溶洞與巖溶裂隙之中，依據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料屬于承壓水。

表1 基坑設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.3 周邊環(huán)境

基坑西北側(cè)為3～4層磚混結(jié)構(gòu)房，距基坑邊38.0m。同時(shí)西北側(cè)沿基坑邊地下鋪設(shè)有地下電纜及市政排水管道，埋深不明；東側(cè)為主干道，且沿路邊地下鋪設(shè)有給排水管道、電纜等管網(wǎng)設(shè)施，管道的具體位置及埋深不明；距基坑邊分別為6.60～34.10 m；東南為軸承廠住宅區(qū)，5～7層磚混結(jié)構(gòu)房，距基坑9.20～19.30m；西南為湖濱大道，且沿基坑邊地下鋪設(shè)有給排水管道、電纜等管網(wǎng)設(shè)施，管道的具體位置及埋深不明；距基坑12.2m。

基坑環(huán)境較為嚴(yán)峻，地質(zhì)條件不良（東北部淤泥層厚普遍為8～10m）。因業(yè)主未提供周邊建筑物的設(shè)計(jì)與施工圖紙，方案設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，基坑周邊建筑物基礎(chǔ)埋深按常規(guī)考慮［2］。

2 基坑STU段支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

通過(guò)綜合評(píng)價(jià)確定擬建場(chǎng)區(qū)的支護(hù)方式為：西南區(qū)（無(wú)淤泥分布，地質(zhì)條件好）采用“樁錨”支護(hù)方式；東北區(qū)（有淤泥分布，地質(zhì)條件差）采用排樁＋內(nèi)支撐結(jié)合被動(dòng)區(qū)加固的支護(hù)方式。本文選取STU段進(jìn)行計(jì)算。

STU段開(kāi)挖深度12.1m，放坡1.5m，計(jì)算深度為10.6m。放坡1.5厚土層視為超載25kPa均布，施工地面荷取20kPa。支護(hù)樁采用鉆孔灌注樁，直徑1.0m，間距1.4m，砼強(qiáng)度為C30。樁頂設(shè)一道鎖口梁，寬1.2m，高0.6m。梁頂標(biāo)高－2.50 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)手工計(jì)算

2.1.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力 主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 主／被動(dòng)土壓力計(jì)算表

計(jì)算簡(jiǎn)圖（圖2）。

圖3 STU段支撐力計(jì)算簡(jiǎn)圖

支護(hù)樁外側(cè)：基底標(biāo)高處主動(dòng)土壓力強(qiáng)度pa外＝103kPa；基底下深度u處主動(dòng)土壓力強(qiáng)度pau外＝103＋19.6×0.589 u＝103＋11.544 u；支護(hù)樁內(nèi)側(cè)：基底標(biāo)高處被動(dòng)土壓力強(qiáng)度pp內(nèi)＝73kPa；基底以下深度u處被動(dòng)土壓力強(qiáng)度ppu內(nèi)＝73＋33.281 u；上述可得支護(hù)樁兩側(cè)主動(dòng)和被動(dòng)土壓力強(qiáng)度之差：P差＝pa外＋pau外－pp內(nèi)－ppu內(nèi)＝30 u－21.737u，令P差＝0，解得：u＝1.38m。具體計(jì)算如下：Ea1／（kN·m－1）＝20×1.7＝34，作用點(diǎn)距o點(diǎn)：ha1／m＝1／2×1.7＋8.9＋1.38＝11.13，Ea2／（kN· m－1）＝0.5×（45－20）×1.7＝21.25，作用點(diǎn)距o點(diǎn)：ha2／m＝1／3×1.7＋8.9＋1.38＝10.85，Ea3／（kN· m－1）＝0.5×103×8.9＝458.35，作用點(diǎn)距o點(diǎn)：ha3／m＝1／3×8.9＋1.38＝4.35。Ea4／（kN·m－1）＝0.5×103×1.38＝71.07，作用點(diǎn)距o點(diǎn)：ha4／m＝2／3 ×1.38＝0.92，此時(shí)支護(hù)體系受各力對(duì)o點(diǎn)求矩可得：

?。篟c／（kN·m－1）＝1.3×290＝377，由靜力平衡，求得o點(diǎn)的剪力：QO／（kN·m－1）＝34＋21.25＋458.35＋71.07－337－80－86＝41.67，采用等值梁法［3］，對(duì)下段等值梁o點(diǎn)至樁底段的o點(diǎn)求矩求得o點(diǎn)至樁底的距離：

t0／m＝1.38＋3.39＝4.77，故樁的最小入土深度為：t＝1.2t0＝1.2×4.77m＝5.72m，樁長(zhǎng)為：10.6m＋5.72m＝16.32mm，取樁長(zhǎng)為：16.4m。

2.1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗(yàn)算［4］基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力：Ea1／（kN·m－1）＝20×1.7＝34，作用點(diǎn)距樁底的距離：ha1／m＝1／2×1.7＋14.7＝15.55，Ea2／（kN·m－1）＝0.5×25×1.7＝21.25，作用點(diǎn)距樁底的距離：ha2／m＝1／3×1.7＋14.7＝15.27，Ea3／（kN· m－1）＝0.5×170×14.7＝1248.5，作用點(diǎn)距樁底的距離：ha3／m＝1／3×14.7＝4.9，基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力。土壓力矩形部分：Ep1／（kN·m－1）＝73×5.8＝423.4，作用點(diǎn)距樁底的距離：hp1＝1／2×5.8＝2.9m，土壓力三角形部分：Ep2／（kN·m－1）＝1／2×（266－73）×5.8＝560，作用點(diǎn)距樁底的距離：hp2／m＝1／3 ×5.8＝1.93，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［5］4.2.2則本設(shè)計(jì)段：滿足要求。

2.1.3 錨桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 土壓力零點(diǎn)位置在坑底下1.38m處，三層錨桿，單根錨桿與水平面的傾角為15°，水平間距1.4m，樁長(zhǎng)范圍內(nèi)土體的內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值φ／°＝（1.3×4＋15.1×15）÷16.4＝14.1。

第一層錨桿長(zhǎng)度由計(jì)算公式可得：

1）自由段長(zhǎng)度

取Lf＝8.0m。

2）錨固段長(zhǎng)度

錨固體直徑d取150mm計(jì)算，土體與錨固體間極限摩阻力的標(biāo)準(zhǔn)值取qsk＝50kPa，錨桿水平間距1.4m，錨桿水平抗力：Td／kN＝1.25γ0R×2.2＝1.25×1.1×80×1.4＝154，錨固段長(zhǎng)度為：La／m＝取La＝9 m，總長(zhǎng)度為：L＝La＋Lf＝8m＋9m＝17m。

3）預(yù)應(yīng)力筋截面面積

采用3S15.2鋼絞線，預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk＝1860N／mm2，取安全系數(shù)1.3，則預(yù)應(yīng)力筋截面面積為：

工程采用3S15.2鋼絞線，A＝544mm2，滿足要求。

第二層錨桿長(zhǎng)度確定：

1）自由段長(zhǎng)度，

取Lf＝5.0m。

2）確定錨固段長(zhǎng)度

錨固體直徑d按150mm計(jì)算，土體與錨固體間極限摩阻力的標(biāo)準(zhǔn)值取qsk＝50kPa，錨桿水平間距1.4m，錨桿的水平抗力：

錨固段長(zhǎng)度為?

取La＝10m，總長(zhǎng)度為：L＝La＋Lf＝10m＋5m＝15m。

3）預(yù)應(yīng)力筋截面面積

上同第一層錨桿，則預(yù)應(yīng)力筋截面面積為：

工程中采用3S15.2鋼絞線，A＝544mm2，滿足要求。

第三層錨桿長(zhǎng)度計(jì)算：

1）自由段長(zhǎng)度

根據(jù)規(guī)范Lf≥5.0m，取Lf＝5.0m。

2）錨固段長(zhǎng)度

錨固體直徑d按150mm計(jì)算，土體與錨固體間極限摩阻力的標(biāo)準(zhǔn)值取qsk＝50kPa，錨桿水平間距1.4m，錨桿的水平抗力

錨固段長(zhǎng)度為

取La＝10m，總長(zhǎng)度為：L＝La＋Lf＝8m＋5m＝13m。

3）預(yù)應(yīng)力筋截面面積確定

上同第一層錨桿，則預(yù)應(yīng)力筋截面面積為：

工程中采用3S15.2鋼絞線，A＝544mm2，滿足要求。

2.2 天漢軟件支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

樁排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)：間距1.4m，直徑1.0m，最小計(jì)算樁長(zhǎng)12.5m，嵌入深度1.9m，樁身彎矩設(shè)計(jì)值513kN／m；撐錨設(shè)計(jì)參數(shù)：錨桿1軸向拉力設(shè)計(jì)值＝48kN／根，錨桿2軸向拉力設(shè)計(jì)值＝241kN／根，錨桿3軸向拉力設(shè)計(jì)值＝339kN／根；采用安全等級(jí)為一級(jí)，天漢軟件運(yùn)行后，STU段支護(hù)結(jié)構(gòu)極限平衡法計(jì)算結(jié)果圖見(jiàn)圖3、STU段支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖4。

圖3 STU段支護(hù)結(jié)構(gòu)極限平衡法計(jì)算結(jié)果圖

圖4 STU段支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 小結(jié)

STU每段土壓力計(jì)算中，考慮地面附加荷載及周邊建筑荷載，繪制計(jì)算簡(jiǎn)圖；采用等值梁法計(jì)算支護(hù)樁長(zhǎng)度及水平支撐力；根據(jù)水平支撐力計(jì)算出錨桿長(zhǎng)度，進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)；對(duì)嵌固深度進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)算，應(yīng)用天漢軟件作了支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力、內(nèi)力計(jì)算，對(duì)基坑抗隆起穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算；通過(guò)分析對(duì)比得出結(jié)論如下：

1）STU段支護(hù)樁設(shè)計(jì)過(guò)程中，分別采用手工與天漢軟件對(duì)土壓力、樁長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)嵌固深度的穩(wěn)定性驗(yàn)算，兩者結(jié)果相近；

2）錨桿設(shè)計(jì)過(guò)程中，分別采用手工與天漢軟件對(duì)錨桿承載力及整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果顯示天漢軟件計(jì)算得到的錨桿長(zhǎng)度大于手工計(jì)算；

手工計(jì)算過(guò)程清晰，工作量大；天漢軟件計(jì)算便捷，需要對(duì)各種參數(shù)取值考慮到位；

在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先采用軟件計(jì)算，選取局部段進(jìn)行手工計(jì)算核實(shí)，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)更加快速、安全。

［1］ 趙志縉，應(yīng)惠清，簡(jiǎn)明深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000：4.

［2］ 楊生彬，王曉義，朱艷艷.北京市某基坑支護(hù)實(shí)錄［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（增2）：4471－4476.

［3］ 李鐘旭，王鋼城，李廣杰，等.基坑支護(hù)等值梁法的程序設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)算法［J］.世界地質(zhì)，2004（1）：1004－5589.

［4］ 陳燦壽，張尚根，余有山.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算［J］.巖石力學(xué)與工程力學(xué)，2004，23（12）：2065－2068.

［5］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ120－2012［EB／OL］（2012－12－12）［2016－04－10］http：／／www.docin.com／p－527974114.html.

The Comparative Analysis of Manual Design and Tianhan Software Design in Foundation Pit Supporting Structure

YAN Xuening，ZHANG Shixuan，WANG Cuiying
（School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Manual and Tianhan software is used to calculate and design super deep foundation pit supporting structure in Huangshi city MALL，which include earth pressure calculation，anchor force calculation，length calculation，and so on.Using the software design Deep foundation pit supporting structure is preferred，and then local stage is selected for manual verification，which can made the design of foundation pit support more rapid，more reliable and more safe.

deep excavation；Tianhan software；supporting design

TU470.3

A

1003－4684（2017）04－0115－04

［責(zé)任編校：張巖芳］

2016－04－21

嚴(yán)學(xué)寧（1991－），男，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程