趙迪

（宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 200235）

0 引言

圓形基坑的空間效應(yīng)非常明顯，在水土壓力作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生豎向受彎和環(huán)向受壓的特性，可充分發(fā)揮混凝土的抗壓特性，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和安全性，在城市建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，而目前建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［1］尚未提出此類基坑的計(jì)算方法。上?；右?guī)范［2］對(duì)于圓形地下連續(xù)墻僅給出了一種豎向計(jì)算思路，采用三維彈性板方法，運(yùn)用有限元程序進(jìn)行分步求解，而環(huán)向計(jì)算，接頭折減，嵌固深度等均沒(méi)有明確?！豆窐蚝鼗c基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］中介紹了圓形地下連續(xù)墻豎向及環(huán)向計(jì)算方法，此規(guī)范一般應(yīng)用于懸索橋錨碇基坑工程中。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)圓形基坑進(jìn)行了一定的研究［4-7］，常用的計(jì)算方法有：圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法、三維彈性地基板法和考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)-土體共同作用的三維彈塑性有限元法?？傮w情況來(lái)看，考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法較為實(shí)用，而三維有限元計(jì)算復(fù)雜，一般工程設(shè)計(jì)應(yīng)用不夠方便，實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用不多。文中結(jié)合上海某一圓形基坑，詳細(xì)而全面的介紹了基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括平面布置，嵌固深度，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力計(jì)算。

1 工程概況

上海某污水處理廠初期雨水調(diào)蓄工程其一供水盾構(gòu)豎井，圓形盾構(gòu)井內(nèi)徑16m，外徑17.6m，深35.87m。采用1.2m 地下連續(xù)墻+0.8m 內(nèi)襯相結(jié)合的疊合墻。平面布置呈28邊形?；硬捎妹魍谀孀鞣ㄊ┕ぁ?/p>

根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地地基土在75.0m 深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，屬濱海平原相，主要由飽和粘性土，粉性土以及砂土組成，土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

坑底位于⑦2粉砂層。根據(jù)勘察，⑦2、⑧2-1、⑧2-3、⑨1層為承壓水含水層。據(jù)上海地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，⑦2、⑧2-1、⑧2-3、⑨1層承壓含水層水位埋深約3～12m。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 地墻分幅

考慮到工程地下連續(xù)墻深度較大（墻長(zhǎng)80.5m），故地墻施工采用銑槽機(jī)成槽，接頭形式為銑接頭。銑槽機(jī)斗寬2800mm，因其工作原理，銑槽機(jī)兩側(cè)切削應(yīng)為同一硬度物質(zhì)，故一期槽段由三刀成槽；二期槽段由一刀成槽，切削一期槽段接頭處的新澆筑混凝土100～200mm，如圖1所示。

圖1 圓形基坑一期銑接頭平面布置（單位：mm）

圖2為文中地下連續(xù)墻平面布置，圓形基坑化圓為直，由正28邊形組成，A、B二期地墻交替布置，B型地墻由三邊組成，一期施工；A型地墻僅為一刀，二期施工；從而可知圓形基坑的分幅邊長(zhǎng)為四邊形倍數(shù)，因此根據(jù)基坑圓形周長(zhǎng)及接頭切削厚度，可快速進(jìn)行分幅。

圖2 圓形基坑銑接頭平面布置

2.2 豎向入土深度

地墻的入土深度由基坑穩(wěn)定性控制，在上海軟土地區(qū)，大都由坑底抗隆起穩(wěn)定性控制，王衛(wèi)東［8］認(rèn)為圓形基坑中土體因環(huán)向擠壓而使其抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)要大于二維平面應(yīng)變基坑，圓形基坑在入土深度較小的情況下，也可以獲得較大的穩(wěn)定性系數(shù)，這也是圓形基坑經(jīng)濟(jì)性的另一方面體現(xiàn)。針對(duì)工程，采用工程類比法，強(qiáng)度折減法及規(guī)范法對(duì)嵌固深度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1） 工程類比法。在搜集圓形基坑文獻(xiàn)［9］，［10］的基礎(chǔ)上，篩選出與工程直徑及開(kāi)挖深度相似的一些設(shè)計(jì)案例，其設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 上海圓形基坑地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)參數(shù)

工程地下連續(xù)墻內(nèi)直徑為17.6m，開(kāi)挖深度35.87m，地墻連續(xù)墻厚度1.2m，由上表可知，地下連續(xù)墻入土系數(shù)在0.5～0.7左右，小于直線型基坑中地下連續(xù)墻的入土系數(shù)（上海地區(qū)一般為0.8～1）。

（2） 強(qiáng)度折減法。強(qiáng)度折減法常用于基坑及邊坡的穩(wěn)定性計(jì)計(jì)算中，而在新加坡，Plaxis有限元軟件也被廣泛應(yīng)用于基坑設(shè)計(jì)，同時(shí)上?；右?guī)范也根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)給出了上海典型土層的HS-Small 模型主要參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用Plaxis有限元軟件，建立二維軸對(duì)稱模型，對(duì)工程基坑進(jìn)行強(qiáng)度折減法計(jì)算，具體模型尺寸如圖3所示。

圖3 有限元分析模型（單位：m）

計(jì)算結(jié)果表明，插入比為0.6、0.7時(shí)，墻底位于⑧2-3砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土，基坑安全系數(shù)均為3.6，滿足基坑穩(wěn)定性要求。

（3） 規(guī)范法。采用啟明星軟件對(duì)不同入土系數(shù)的基坑進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 不同入土系數(shù)基坑穩(wěn)定性系數(shù)

由表3 可見(jiàn)，入土系數(shù)0.7 時(shí)，各穩(wěn)定性系數(shù)可滿足規(guī)范要求。入土系數(shù)0.6 時(shí)，抗傾覆及坑底抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)不滿足。

綜合上述計(jì)算方法，基坑豎向入土深度排序?yàn)椋簭?qiáng)度折減法＜工程類比＜規(guī)范方法。然而工程地墻實(shí)際入土深度還需考慮承壓水抗突涌穩(wěn)定性。故綜合安全及經(jīng)濟(jì)性，工程采用0.7的入土系數(shù)，根據(jù)抗突涌穩(wěn)定性計(jì)算所確定的地墻入土段采用構(gòu)造配筋。

2.3 突涌穩(wěn)定性

基坑坑底位于⑦2層，開(kāi)挖深度下有⑧2-1、⑧2-3、⑨1三層承壓水，如圖4所示，經(jīng)計(jì)算⑧2-1、⑧2-3、⑨1（微）承壓含水層不滿足突涌穩(wěn)定性。

圖4 基坑坑底以下承壓水層分布（單位：mm）

工程地下連續(xù)墻隔斷⑦2、⑧2-1、⑧2-3，進(jìn)入⑨1層17.73m?？拥注?承壓水層內(nèi)采用改良型RJP 加固封底措施，增加⑨1層承壓水頂面至基坑底的深度，從而封底以下承壓水層抗突涌安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3 內(nèi)力計(jì)算

3.1 豎向分析

圓形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以環(huán)向受壓為主，但實(shí)際工程中受定位偏差、垂直度、不均勻超載、不均勻開(kāi)挖、墻縫夾泥或均布缺陷等不利因素，不能忽視豎向受彎的安全穩(wěn)定。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向內(nèi)力及變形與支撐豎向間距有著密不可分的關(guān)系，支撐夠密，超挖較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平受力就會(huì)很小。圓形基坑正有著這樣的優(yōu)點(diǎn)，地下連續(xù)墻不僅是圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)因存在環(huán)向剛度起到支撐作用，且此支撐在基坑開(kāi)挖前就已存在。

采用啟明星計(jì)算軟件，不考慮逆作法內(nèi)襯墻的剛度，僅將內(nèi)襯墻作為增加地墻整體剛度的一種措施來(lái)考慮；基坑開(kāi)挖面以上地墻環(huán)向剛度采用先開(kāi)挖后支撐的施工工況近似模擬，開(kāi)挖面以下，彈簧剛度由地基彈簧加上地墻環(huán)向剛度所得。文獻(xiàn)［4］、［11］采用密集加撐的方式，即彈簧的豎向計(jì)算高度及間距均取1m，但對(duì)于開(kāi)挖深度的采用有所不同，文中采用3 種不同的開(kāi)挖深度進(jìn)行計(jì)算比較。第1 種：根據(jù)逆作法施工工序，逐步施工開(kāi)挖范圍內(nèi)的水平彈簧，開(kāi)挖步驟見(jiàn)圖5；第2 種：采用每開(kāi)挖2m，逐步施工開(kāi)挖范圍內(nèi)的水平彈簧；第3種：采用每開(kāi)挖1m，立即施加開(kāi)挖面處水平彈簧。3種不同開(kāi)挖深度所得計(jì)算結(jié)果如表4 所示。工程地墻每米等效支撐彈簧剛度=0.5×31.5×1×1.2/9.4≈210kPa/m。

圖5 基坑豎向布置（單位：mm）

表4 不同開(kāi)挖工況地下連續(xù)墻內(nèi)力及位移

從表4可以看出，水平位移方面，圓形基坑較直線型基坑要小很多，為基坑開(kāi)挖深度的0.02%。3 種工況所得剪力均無(wú)需配置抗剪鋼筋。從相對(duì)比例上看，3種開(kāi)挖工況的彎矩差異在15%～35%之間，但從絕對(duì)數(shù)值上看，3種工況的最大的彎矩僅有1105.5kN·m，最后根據(jù)強(qiáng)度選取配筋也僅差一檔，作為設(shè)計(jì)保守考慮，工程采用方法1所得結(jié)果進(jìn)行配筋。

3.2 環(huán)向分析

環(huán)向采用平面內(nèi)剛架環(huán)梁計(jì)算，計(jì)算位置取基坑底-水土壓力最大處。針對(duì)影響圓形圍護(hù)墻環(huán)形受力的不利因素，采用施加偏載的方式進(jìn)行模擬，荷載作用的不均勻系數(shù)取1.1～1.2，文中采用經(jīng)驗(yàn)土壓力，偏載取經(jīng)驗(yàn)水土壓力的10%。圓環(huán)周邊設(shè)置水平單向受壓土彈簧。構(gòu)件厚度考慮垂直度偏差1/500［12］和定位偏差20mm。計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 環(huán)向計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算，環(huán)向剛架內(nèi)力分別：

上述計(jì)算表明，采用偏載模式、考慮1/500的垂直度偏差后的地墻環(huán)向有效搭接厚度，可以滿足圓環(huán)受力要求。

4 結(jié)語(yǔ)

圓形基坑是在力學(xué)上較合理的圍護(hù)形式，近年來(lái)在地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。文中結(jié)合具體的圓形基坑，對(duì)其設(shè)計(jì)思路及分析方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)于圓形基坑的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

目前總的情況來(lái)看，平面地基梁理論普遍被工程界所認(rèn)可，市場(chǎng)基于此理論研發(fā)了一大批成熟的軟件，可以很方便地對(duì)常規(guī)基坑進(jìn)行計(jì)算分析，而圓形基坑的設(shè)計(jì)還處于發(fā)展階段，還有很多工作要做：

（1） 荷載的不均性對(duì)圓形基坑環(huán)向的內(nèi)力和變形影響很大，應(yīng)充分研究荷載的不均勻系數(shù)的取值。

（2） 不同接頭形式力學(xué)性能研究，對(duì)環(huán)向剛度及受力的影響，需要我們進(jìn)一步的研究。