楊 超，楊皓東,，程玉柱，涂剛要

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601； 2.合肥建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于合肥市，基坑長約210m，寬約200m，開挖深度11.00～18.40m，基坑北側(cè)、南側(cè)及西側(cè)采用放坡+灌注樁+斜撐支護(hù)，基坑?xùn)|側(cè)采用逆作法支護(hù)形式。東側(cè)逆作法區(qū)域和支護(hù)區(qū)域內(nèi)基坑總長210m、寬31.6m，呈南北向較長的長方形，基坑?xùn)|側(cè)開挖邊界距離已建33層住宅小區(qū)僅8.8m。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

基坑安全等級為一級，安全等級系數(shù)為1.1。因基坑?xùn)|側(cè)的情況較為復(fù)雜，故對其進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，考慮以下方面：①地下連續(xù)墻有較好的止水效果，但施工工藝復(fù)雜、造價(jià)高昂，且本工程地下水位深，可采用承載能力較強(qiáng)的排樁設(shè)計(jì)；②基坑距離東側(cè)已建33層住宅小區(qū)僅8.8m，不可越界，故無法采用錨索支護(hù)；③基坑屬于大基坑支護(hù)類型，對圍護(hù)樁的尺寸、布樁密度和排距均有較高要求；④逆作區(qū)內(nèi)部框架梁與圍護(hù)樁間距較大，需設(shè)置相應(yīng)的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。綜合各因素考慮采用3排灌注樁配合水平鋼支撐進(jìn)行支護(hù)。沿3排支護(hù)樁橫縱向設(shè)立冠梁和連梁，均采用C30混凝土澆筑。鋼支撐長度取為4.5m,沿基坑方向水平間距取為4.5m,采用Q345鋼材。東側(cè)支護(hù)設(shè)計(jì)剖面及支護(hù)樁配筋如圖1所示。

圖1 基坑?xùn)|側(cè)支護(hù)設(shè)計(jì)剖面

2.2 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)可行性分析

該支護(hù)方式主要采用排樁和H型鋼支撐兩種構(gòu)件。東側(cè)已建小區(qū)因建設(shè)需要已打下2道排樁支護(hù)，因此減少了本支護(hù)方案2道排樁施工，在造價(jià)上更為合理，減少了資源浪費(fèi)，縮短了工期。而H型鋼支撐因構(gòu)件的特殊性需要在廠家定制，造價(jià)約3 800元/t，在價(jià)格上與鋼筋混凝土支撐相比并不占優(yōu)，但具有安裝便捷、工期短、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)性上考慮該基坑支護(hù)方案可行。

3 支護(hù)樁承載力驗(yàn)算

3.1 計(jì)算模型

因?qū)嶋H工程構(gòu)造較為復(fù)雜，為了使計(jì)算合理與設(shè)計(jì)安全，故將3排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)簡化為雙排樁模型，以最后一排樁作為安全備用樁。本文選取的計(jì)算模型依據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中所給出的雙排樁平面鋼架模型，如圖2a所示。由于本工程含有內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，將模型簡化為如圖2b所示。鋼支撐所在位置處簡化為剛度為KR的彈簧支座。前排樁嵌固端土體及樁間土簡化為水平向土彈簧，樁端簡化為豎向連桿，連梁視為剛度無限大的剛體。基坑外側(cè)承受朗肯主動(dòng)土壓力Pak作用，基坑內(nèi)側(cè)承受分布土壓力PS作用，樁間土兩側(cè)承受初始壓力Pc0作用。b0，ba分別為前后排樁的土壓力計(jì)算寬度，兩者計(jì)算時(shí)均取樁間距。

圖2 雙排樁計(jì)算模型

雙排樁外側(cè)受到朗肯主動(dòng)土壓力Pak的作用，內(nèi)側(cè)受到分布土壓力的PS的作用，表達(dá)式如下：

(1)

PS=ksv+σPka

(2)

前后排樁間土體對樁側(cè)有一對大小相等方向相反的初始壓力Pc0：

Pc0=(2α-α2)Pak

(3)

帶內(nèi)支撐計(jì)算模型中鋼支撐對排樁的作用力Nk：

Nk=KRν

(4)

本工程中東側(cè)臨近建筑物，需考慮基礎(chǔ)對土體的作用Δσk:

(5)

各式中主要參數(shù)解釋詳見《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形，可計(jì)算出樁頂位移，有以下?lián)锨€微分方程：

(6)

(7)

式中：Z為排樁頂部至計(jì)算點(diǎn)距離；h為工況下基坑開挖深度。

3.2 最不利工況的選取

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系選取受力狀態(tài)最不利的2個(gè)工況進(jìn)行分析。①工況1(見圖3) 逆做區(qū)內(nèi)部框架已形成，支撐框架與圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置第1道鋼支撐后，開挖地下1層土方至地下2層梁板標(biāo)高-7.550m處，距離圍護(hù)樁樁頂6.75m。②工況2(見圖4) 支撐框架與圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置第2道鋼支撐后，基坑繼續(xù)開挖至坑底標(biāo)高-11.800m處，距離圍護(hù)樁樁頂11m。

圖3 工況1

圖4 工況2

3.3 土壓力計(jì)算

依據(jù)DB34/T 5079—2018《建筑工程逆作法技術(shù)規(guī)程》，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂端施工荷載q1取為30kPa，基坑?xùn)|側(cè)建筑物荷載通過式(5)計(jì)算q2為140kPa，總荷載q0=q1+q2=170kPa。根據(jù)3.1節(jié)的土力學(xué)計(jì)算公式，分別求得工況1,2下的每延米土壓力計(jì)算值如圖5,6所示。

圖5 工況1下土壓力分布

圖6 工況2下土壓力分布

兩種工況下基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力合力的標(biāo)準(zhǔn)值Eak為1 789.27kN,合力作用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離Za為9.01m。工況1基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力的標(biāo)準(zhǔn)值Epk=5 613.6kN、合力作用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離Zp=5.71m。工況2基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力的標(biāo)準(zhǔn)值Epk=3 166.3kN,距離Zp=4.15m。

3.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算

3.4.1計(jì)算公式

支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度或過度變形的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)符合下式要求：

1)支護(hù)樁彎矩驗(yàn)算

(8)

2)支護(hù)樁剪力驗(yàn)算

(9)

3)鋼支撐軸力驗(yàn)算

N=γ0γFNK≤RK=φAf

(10)

式中：MK，VK，NK分別為支護(hù)樁在荷載作用下計(jì)算出的彎矩值、剪力值和鋼支撐的軸力值；RM，RV，RK分別為支護(hù)樁的彎矩、剪力的抗力值和鋼支撐的軸力抗力值；式(8)中的其余參數(shù)解釋見 《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》；式(9)中的其余參數(shù)解釋見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》；式(10)中的其余參數(shù)見GB50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

由支護(hù)樁配筋及H型鋼的規(guī)格，通過式(8)及式(9)計(jì)算出圍護(hù)樁正截面受彎承載力設(shè)計(jì)值RM=1 985kN/m、斜截面受剪承載力設(shè)計(jì)值RV=946kN；由式(10)計(jì)算出鋼支撐軸心受壓承載力設(shè)計(jì)值RN=6 018kN。

3.4.2不加內(nèi)支撐時(shí)的承載力驗(yàn)算

當(dāng)采用不加撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，采用圖2a計(jì)算模型，基坑采用一挖到坑底的情況，故僅考慮工況2土壓力荷載。通過式(6)，(7)及運(yùn)用理正7.0軟件計(jì)算出結(jié)構(gòu)受力，解得前后排樁位移分別為161.74，161.72mm，均發(fā)生在樁頂處；MK分別為2 215.32，2 193.25kN;VK分別為1 072.30，410.62kN。依據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，圍護(hù)樁最大樁頂位移為0.2%H=22mm(H為基坑深度)，因161.74mm>22mm,不滿足規(guī)范要求。因樁頂位移偏大，故圍護(hù)樁加內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)是必要的。

3.4.3加內(nèi)支撐時(shí)的承載力驗(yàn)算

當(dāng)采用加內(nèi)支撐的支護(hù)體系時(shí)，采用圖2b計(jì)算模型，通過鋼支撐參數(shù)計(jì)算出KR=157 138.6kN/m。

3.4.3.1工況1下承載力驗(yàn)算

同理計(jì)算出前后排樁樁身最大水平位移分別為9.58,8.96mm;樁頂最大水平位移為7.67mm;首層鋼支撐支點(diǎn)處的位移值ν=8.18mm;MK分別為585.14，229.09kN/m;VK分別為425.54,100.81kN。

1)位移驗(yàn)算

雙排樁樁身最大水平位移為9.58mm<22mm，滿足要求。

2)彎矩驗(yàn)算

通過式(8)計(jì)算彎矩設(shè)計(jì)值M=804.5kN/m

3)剪力驗(yàn)算

通過式(9)計(jì)算剪力設(shè)計(jì)值V=585.1kN

4)鋼支撐軸力驗(yàn)算

鋼支撐所受軸力NK=1 285.3kN，通過式(10)計(jì)算鋼支撐軸力設(shè)計(jì)值N=1 767.2kN

3.4.3.2工況2下的承載力驗(yàn)算

同理計(jì)算出前后排樁樁身最大水平位移分別為11.71，13.23mm;樁頂最大水平位移為8.02mm;首層及地下層鋼支撐支點(diǎn)處的位移分別是ν1=9.91mm，ν2=11.28mm；MK分別為496.38，250.87kN;VK分別為526.18，156.10kN。

1)位移驗(yàn)算

樁身最大水平位移為13.23mm<22mm，滿足要求。

2)彎矩驗(yàn)算

MK為496.38kN/m，小于工況1下的彎矩計(jì)算值，故不再驗(yàn)算。

3)剪力驗(yàn)算

同理依據(jù)公式得V=682.5kN

4)鋼支撐軸力驗(yàn)算

根據(jù)ν1=9.91mm，ν2=11.28mm，分別求得首層、地下1層鋼支撐所受軸力NK1，NK2為1 557.2，1 772.5kN。取較大值NK2計(jì)算鋼支撐軸力設(shè)計(jì)值N=2 437.1kN

3.5 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算

帶內(nèi)支撐的雙排樁結(jié)構(gòu)嵌固穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

(11)

式中：KQ為抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；Kem為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；Ti為內(nèi)支撐材料抗力，取1 337.33kN/m;G為排樁、樁頂連梁和樁間土的自重之和，取1 684.98kN；ZG為雙排樁、樁頂連梁和樁間土的重心至前排樁邊緣的水平距離,取2.5m；ZTi為內(nèi)支撐距離擋土構(gòu)件底端的距離。

將工況1、工況2下的土壓力計(jì)算值及有關(guān)參數(shù)代入式(11)得兩種工況下的KQ分別為3.85，3.95，均>1.25，滿足規(guī)范要求。

3.6 周邊建筑物沉降驗(yàn)算

周邊地表沉降計(jì)算采用DB34/T 5079—2018《建筑工程逆作法技術(shù)規(guī)程》中的經(jīng)驗(yàn)預(yù)估計(jì)法計(jì)算，計(jì)算得東側(cè)小區(qū)預(yù)估沉降量為6.9mm。依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鄰近建筑物最大豎向位移為60mm,可得計(jì)算沉降量滿足規(guī)范要求。

4 監(jiān)測點(diǎn)布置及相關(guān)數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測點(diǎn)布置方案

4.1.1樁頂水平位移監(jiān)測

結(jié)合本工程實(shí)際情況，在冠梁上布置6個(gè)水平位移監(jiān)測點(diǎn)，由北至南依次命名為QW14～QW19,進(jìn)行監(jiān)測并記錄數(shù)據(jù)。

4.1.2圍護(hù)樁體深層水平位移監(jiān)測

由北至南于前后排樁位置處布置10個(gè)測斜管，相鄰測斜管間隔25m，前、后排樁依次編號CX9～CX13,CX14～CX18。采用測斜儀進(jìn)行測量并繪制監(jiān)測曲線。

4.1.3鋼支撐軸力監(jiān)測

選取4道首層水平鋼支撐進(jìn)行軸力監(jiān)測，由北至南依次編號1～4號，測點(diǎn)間距離<25m,于每個(gè)測點(diǎn)處布置1個(gè)表面應(yīng)變計(jì)通過導(dǎo)線與應(yīng)變采集儀進(jìn)行連接來記錄鋼支撐軸力變化值，并繪制軸力變化曲線。

4.1.4建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)

利用鄰近建筑物原有沉降監(jiān)測點(diǎn)，距離最外側(cè)圍護(hù)樁約11m處，在每棟建筑物布置2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，本工程東側(cè)4棟樓共布置8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。由北至南各棟編號為JC01～JC08。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.2.1樁頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析(見圖7)

分析圖7中數(shù)據(jù)可得各測點(diǎn)累計(jì)樁頂水平位移平均值為8.6mm，與最大值相差1.8mm，與最小值相差1.2mm，且最大值僅占水平位移限值22mm的47%，平均值僅占水平位移限值的39%。數(shù)據(jù)表明基坑?xùn)|側(cè)樁頂水平位移變化一致，運(yùn)用該支護(hù)方案有效減少了樁頂?shù)乃轿灰啤?/p>

圖7 樁頂水平位移

4.2.2樁體深層水平位移數(shù)據(jù)分析

在樁體深層水平位移監(jiān)測中，僅有CX9和CX13兩處監(jiān)測點(diǎn)成功，數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。CX9曲線中最大值為11.4mm，于樁身4m處，占水平位移限值22mm的51%，累計(jì)最大水平位移發(fā)生在兩層鋼支撐之間，說明了此時(shí)鋼支撐結(jié)構(gòu)起到支承作用，有效地減少了樁體的位移；CX13曲線中最大值為8.88mm,于樁身7m處，占水平位移限值的40%，說明隨著開挖深度的增加，此處樁體承受的主動(dòng)土壓力隨之增加，被動(dòng)土壓力隨之減少，樁體承受更大內(nèi)力。

圖8 樁體深層水平位移

4.2.3鋼支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

施工過程中鋼支撐對應(yīng)的軸力監(jiān)測值如表1所示。由表1可知，4號鋼支撐承受最大軸力為1 276.78kN;4根鋼支撐最大軸力平均值為1 017.13kN;監(jiān)測軸力最大值與工況2下的鋼支撐軸力計(jì)算值1 557.2kN相差280.42kN，分析原因有：①本工程實(shí)際采用3排樁的基坑支護(hù)方式與雙排樁模擬計(jì)算存在差別，故監(jiān)測值小于計(jì)算值；②計(jì)算采取的荷載值有施工荷載和建筑物荷載存在實(shí)際誤差，故計(jì)算值大于監(jiān)測值。軸力監(jiān)測最大值僅占承載能力設(shè)計(jì)值6 018kN的21%，平均值占承載能力設(shè)計(jì)值的17%，可知本工程采用的型鋼規(guī)格滿足安全性要求。

表1 鋼支撐荷載測試結(jié)果 kN

4.2.4周邊建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知東側(cè)小區(qū)沉降量累計(jì)最大值為-6.7mm,平均沉降量為-5.9mm,兩者分別占沉降限值60mm的11%和9.8%，可知該支護(hù)方式有效地減少了鄰近建筑物沉降。

5 結(jié)語

本文以合肥典型逆作法超大深基坑工程為例，結(jié)合基坑支護(hù)方案下不利工況的選取，通過理正7.0軟件計(jì)算，對排樁位移和型鋼內(nèi)支撐反力進(jìn)行詳細(xì)研究，并與工程實(shí)際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，可得出以下主要結(jié)論。

1)該基坑工程采取3排懸臂灌注樁+內(nèi)部水平H型鋼內(nèi)支撐支護(hù)體系形式，有效地降低了基坑開挖過程中的土體變形，減少了鄰近建筑物沉降，對周邊環(huán)境起到了很好的保護(hù)作用。

2)通過不加撐情況下的驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)排樁位移不滿足規(guī)范要求，確定了加撐的必要性。通過加撐支護(hù)方案下的內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果說明支護(hù)樁配筋下的變形、受彎和受剪能力是滿足承載力要求的。

3)運(yùn)用理正7.0軟件計(jì)算出兩次工況下樁頂最大水平位移為8.02mm，而實(shí)際監(jiān)測值為10.4mm，相差2.38mm;前排樁樁身最大水平位移計(jì)算值為11.71mm，與實(shí)際監(jiān)測樁體深層水平位移值11.4mm相差0.31mm,說明本工程采取的計(jì)算模型是貼合工程實(shí)際的。

4)在基坑支護(hù)方案的選擇中應(yīng)綜合考慮，在滿足結(jié)構(gòu)受力變形的條件下進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)性分析，確?；禹?xiàng)目在合理的工程預(yù)算范圍內(nèi)得以順利實(shí)施。