湯 愷

（廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510034）

地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)因其連續(xù)墻剛度大，整體性好，基坑開挖過(guò)程中安全性高，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小等特點(diǎn)得到了廣泛使用[1]。隨著基坑朝著更深、更復(fù)雜方向發(fā)展，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)所需考慮因素也增多，如何更全面、更準(zhǔn)確地反映基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形特性成為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

通常，場(chǎng)地平整后基坑四周場(chǎng)地標(biāo)高相差不大及相近的情況下，地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算可采取對(duì)稱取半，選取斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。當(dāng)基坑場(chǎng)地平整后，基坑四周場(chǎng)地存在高差情況下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮三維空間效應(yīng)[2-3]。本文主要通過(guò)有限元計(jì)算軟件建立在不同場(chǎng)地高差值情況下的三維計(jì)算模型，得出場(chǎng)地高差值對(duì)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)影響的大小，優(yōu)化傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以達(dá)到簡(jiǎn)化在基坑兩側(cè)存在場(chǎng)地高差情況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 有限元計(jì)算模型

本算例主要結(jié)合廣州地區(qū)某基坑工程，場(chǎng)地呈南北向分布，形狀規(guī)則，場(chǎng)地東高西低，中間有起伏，場(chǎng)地平整后基坑?xùn)|西兩側(cè)高差約為5 m，基坑30 m×10 m，基坑深12 m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用800 mm地下連續(xù)墻+兩道內(nèi)支撐支護(hù)。基坑三維計(jì)算模型取8 0m×80 m×45 m（深）。

地下連續(xù)墻采用800 mm厚殼單元，內(nèi)支撐、腰梁及冠梁采用一維梁?jiǎn)卧?，土體采用三維實(shí)體單元，共25 670個(gè)單元，26 910個(gè)節(jié)點(diǎn)。地下連續(xù)墻與混凝土撐采用C30，彈性模量E=30 MPa，μ=0.2，容重γ=25 kN/m3，根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)勘查報(bào)告，取巖土參數(shù)取值。

為驗(yàn)證所建立三維模型及土體參數(shù)取值的合理性與可對(duì)比性，通過(guò)比較分析有限元計(jì)算與理正深基坑計(jì)算基坑四周場(chǎng)地標(biāo)高一致情況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移可知，理正深基坑與有限元方法計(jì)算連續(xù)墻變形趨勢(shì)相一致，理正計(jì)算結(jié)果較有限元計(jì)算結(jié)果偏小1～2 mm，主要原因是兩種計(jì)算方法不同，理正通過(guò)采用彈性梁法簡(jiǎn)化計(jì)算樁土之間共同作用；有限元法是采用土體單元與樁單元之間接觸進(jìn)行計(jì)算分析。整體計(jì)算結(jié)果相近、水平位移趨勢(shì)都是相同，可相互驗(yàn)證所建計(jì)算模型的合理性。

2 數(shù)值計(jì)算與分析

針對(duì)上述相關(guān)參數(shù)建立三維有限元計(jì)算模型，考慮不同基坑兩側(cè)場(chǎng)地的高差值，通過(guò)有限元和理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，計(jì)算分析不同高差值對(duì)地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響。

2.1 有限元計(jì)算分析

通過(guò)分別建立基坑場(chǎng)地兩側(cè)高差H=1 m、H=3 m、H=5m及普通場(chǎng)地高差為H=0三維計(jì)算模型，提取基坑相同位置處高低兩側(cè)的連續(xù)墻水平位移曲線如圖1、圖2所示。

圖1 有限元計(jì)算場(chǎng)地高側(cè)連續(xù)墻水平位移

圖2 有限元計(jì)算場(chǎng)地低側(cè)連續(xù)墻水平位移

由以上有限元計(jì)算分析結(jié)果顯示，當(dāng)H=0時(shí)，基坑兩側(cè)位移呈對(duì)稱顯示，都朝基坑內(nèi)側(cè)變形，基坑頂水平位移與最大水平位移分別為3.33、9.21 mm。當(dāng)H值從1、3、5 m逐漸增加時(shí)，基坑高側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)頂水平位移向基坑內(nèi)側(cè)逐漸增加，分別為4.49、16.83、36.16 mm，本側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移也由墻身逐漸轉(zhuǎn)向墻頂位置；而基坑內(nèi)側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)頂水平位移分別為-2.05、5.90、14.04 mm，本側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移也由朝基坑側(cè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸诚蚧右粋?cè)發(fā)展。

從結(jié)果分析可知，當(dāng)基坑兩側(cè)高差逐漸增加時(shí)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移由朝向基坑一側(cè)變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳?chǎng)地高側(cè)水平位移朝基坑側(cè)逐漸增加，場(chǎng)地低側(cè)則背向基坑一側(cè)發(fā)生變形。主要是由于基坑變形呈三維空間效應(yīng)，隨著場(chǎng)地高差值逐漸增大，場(chǎng)地高側(cè)土壓通過(guò)支撐傳遞給場(chǎng)地低側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑低側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生背向基坑一側(cè)的水平位移。

2.2 理正深基坑計(jì)算分析

基坑深度12 m，對(duì)基坑場(chǎng)地兩側(cè)高差H=0、1、3、5 m的四種情況八個(gè)斷面（其中冠梁、腰梁混凝土等級(jí)取C30），采用設(shè)計(jì)常用深基坑軟件（理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件7.0版）進(jìn)行算例分析。

低、高側(cè)計(jì)算分析如圖3、圖4所示。

圖3 理正計(jì)算場(chǎng)地低側(cè)連續(xù)墻水平位移

圖4 理正計(jì)算場(chǎng)地高側(cè)連續(xù)墻水平位移

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，場(chǎng)地兩側(cè)存在高差時(shí)，基坑兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移不對(duì)稱，而坑高側(cè)土壓力通過(guò)支撐傳遞給低側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形模式。在理正計(jì)算場(chǎng)地低側(cè)斷面分析時(shí)，可通過(guò)對(duì)斷面施加合適的預(yù)加力進(jìn)行計(jì)算分析。

對(duì)場(chǎng)地低側(cè)連續(xù)墻設(shè)計(jì)施加預(yù)加軸力（約為場(chǎng)地高側(cè)支撐軸力的40%～60%），計(jì)算基坑開挖至12 m支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，工況1～4對(duì)應(yīng)最大水平位移分別為9.2、10.4、19.0、38.2 mm；工況5～8對(duì)應(yīng)最大水平位移分別為-9.2、-8.1、5.7、13.8 mm；計(jì)算抗傾覆安全系數(shù)，整體安全系數(shù)的值都能夠滿足規(guī)范要求。理正與有限元分析結(jié)果對(duì)比如表1所示，“+”為高側(cè)朝基坑向，“-”為低側(cè)。

表1 理正與有限元分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比

理正計(jì)算結(jié)果與有限元分析計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)相同、大小相近。通過(guò)對(duì)基坑場(chǎng)地低側(cè)施加40%～60%場(chǎng)地高側(cè)軸力的分析模型，其計(jì)算結(jié)果與對(duì)應(yīng)的有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元分析基坑兩側(cè)場(chǎng)地高差對(duì)地下連續(xù)墻的三維模擬分析，基坑兩側(cè)場(chǎng)地存在高差H時(shí)，優(yōu)化了地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)地低側(cè)斷面設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

（1）運(yùn)用理正和有限元分析方法對(duì)基坑兩側(cè)場(chǎng)地不同高差值、對(duì)高低兩側(cè)地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)影響大小、對(duì)應(yīng)的7種工況所得最大水平位移、抗傾覆安全系數(shù)以及整體安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析合理與可行。

（2）在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)本文設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以及具體的地質(zhì)條件、地面超載等實(shí)際情況驗(yàn)算調(diào)整，為相關(guān)的基坑兩側(cè)場(chǎng)地存在高差情況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒與參考。