羅 俊

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518008)

1 概述

隨著計算機技術的發(fā)展，項目建設速度加快，設計人員可利用的設計工期縮短。市場上大量有限元軟件分析耗費時間長，不適應方案階段設計。采用簡化省時的計算方法，通過反復試算，可以快速判斷方案合理性、初步確定構件截面尺寸。用簡化計算的構件截面，建立有限元模型，可以保證有限元收斂性較好、計算耗時少，可以減少有限元模型反復試算、調整次數(shù)。簡化計算對有限元軟件分析結果的正確性還可以給出定量判斷。結合深圳市龍崗區(qū)某大型調蓄池，給出調蓄池外墻的簡化計算方法。

2 計算條件

2.1 結構方案布置

調蓄池結構頂板覆土2.0m，覆土地坪標高+33.5m；頂板厚300mm，板頂標高+31.5m；中間層僅設置500mm×1000mm的鋼筋混凝土無板撐梁(如圖1所示)，梁頂標高+25.35m；底板厚1200mm，板頂標高+18.25m。外墻厚1200mm；支護樁φ1200@1500，L=31.0m，采用樁間旋噴樁止水，錨桿按臨時錨桿設計；支護樁和調蓄池外墻之間的肥槽采用中粗砂回填。調蓄池外墻典型斷面如圖2所示。

圖1 中間撐梁-無板(竣工圖)

2.2 地層分布及參數(shù)

支護樁樁后土層分布依次為素填土、淤泥質土、強風化粉砂巖(下段)、強風化炭質砂巖(上段)、強風化粉砂巖(上段)、強風化炭質砂巖(下段)。地層參數(shù)見表1。

3 調蓄池外墻土壓力

3.1 支護結構的作用

懸臂式雙排樁、單排柱及地下連續(xù)墻，在基坑開挖期間，承受基坑外的水土壓力。典型斷面如圖3所示。由于施工至竣工期間支護結構受力體系未破壞，基坑外側土壓力可由支護結構抵擋；臨時止水措施由于耐久性差，后期存在破壞可能性，故基坑外側地下水滲透至基坑內，作用于調蓄池外墻。

圖2 調蓄池外墻典型斷面圖

表1 土層參數(shù)

圖3 懸臂式支護結構(雙排樁)

基坑支護錨索屬于臨時錨索，耐久性差、后期可能失效；內支撐在主體結構施工期，隨著主體結構的施工，主體結構逐漸替換掉內支撐，原內支撐承受的荷載轉移至調蓄池外墻。錨索典型斷面如圖4所示。由于錨索、內撐的失效，支護結構由豎向連續(xù)梁，變成嵌固不足的懸臂結構。支護結構擋土、擋水作用微乎其微。

圖4 懸臂式支護結構(錨索)

綜上所述,對于懸臂式支護結構，可考慮支護結構的作用，調蓄池外墻僅考慮支護結構與調蓄池外墻之間的水土壓力；對于錨索、特別是內支撐，調蓄池外墻應忽略支護結構的作用。

3.2 懸臂式支護結構外墻土壓力折減

對于懸臂式支護結構，忽略基坑外土壓力，僅考慮基坑內土壓力。主動土壓力破裂角增大，土條面積縮小，如圖5所示。支護樁與調蓄池外墻之間的巖土參數(shù)取回填料的有效黏聚力、有效內摩擦角。外墻土壓力折減可以按有限土塊面積/半空間無限土塊面積(土塊面積等于破裂線、地面線、外墻線圍成的區(qū)域)。折減系數(shù)小于0.7時取0.7[10]。

圖5 土壓力破裂角

對于懸臂式支護結構，不能阻止基坑外水壓力向內滲透。高層建筑回填砂土時，由于水壓力各向大小相等，有限范圍土塊水壓力不隨破裂角改變，即水壓力不折減。純地下結構由于抗浮設計需求而回填弱透水材料時，弱透水材料考慮滲透作用導致的水頭損失，常規(guī)設計采用水土合算，但由于實際有限范圍土塊的水壓力不隨破裂角改變，水土合算折減時水壓力比實際值偏小。

綜上所述，對于懸臂式支護結構，調蓄池外墻可考慮土壓力折減，但應采取水土分算方式(土壓力折減，水壓力不折減)；

3.3 錨索支護結構外墻土壓力

(1)雙排樁模型：考慮支護樁作用。前排樁采用1.0m×1.2m、間距1.0m矩形樁，模擬1.2m厚外墻；后排樁采用直徑1.2m、間距1.5m樁，反映實際支護結構；模型忽略支護樁錨索作用；連梁采用0.1×0.1m虛梁模擬；第一道撐采用0.3m×1.0m、間距1.0m梁，模擬頂板；第二道撐按設計截面0.5m×1.0m，間距6.0m梁布置；第三道撐采用1.2m×1.0m、間距1.0m的梁，模擬1.2m厚底板；土層按基坑外側土層輸入。

(2)單排樁模型：忽略支護樁作用。內支撐布置同雙排樁模型；土層按基坑內回填料考慮，不考慮有限范圍土壓力折減。

(3)分析結果：雙排樁、單排柱模型側墻土壓力在底板位置分別為66.98、66.39kN/m，計算結果見圖6。計算分析可知，考慮支護樁作用時，作用于調蓄池外墻上的土壓力與不考慮支護樁作用時基本一致。

圖6 土壓力分布

綜上所述,對于內撐、錨索支護結構，調蓄池外墻土壓力計算應按基坑外側土層、基坑內側回填土層分別計算取包絡值，不應采用懸臂式支護結構的分析簡圖。軟土地區(qū)，基坑外側土壓力起控制作用；土巖地區(qū)，基坑內側回填土層土壓力起控制作用。

4 外墻簡化計算方法

4.1 計算單元

調蓄池外墻受水土壓力及頂部重力荷載作用，實際構件受力狀態(tài)為壓彎。由于調蓄池層高大，水土壓力屬主要荷載，外墻單元屬于大偏心受壓構件。大偏心受壓時，壓力起有利作用。簡化計算時可忽略重力荷載作用產生的壓力，受力方式按地下連續(xù)墻單元模擬。由于調蓄池外墻嵌固于底板，地下連續(xù)墻單元模擬時嵌固深度可取最下層層高的一半。

頂部、底板可以采用理正深基坑剛性鉸單元或者內支撐單元模擬。采用內支撐單元模擬時輸入截面尺寸為每延米的截面尺寸，內支撐間距按1.0m輸入。內支撐剛度計算時，計算長度參數(shù)按板跨長度輸入。

計算m值時，坑底位移估算值可取0.001m，用來考慮調蓄池底板的嵌固作用。

4.2 軟件模塊選用

簡化計算采用非有限元軟件，實現(xiàn)快速建模、快速計算功能。可選用理正深基坑、MIDAS XD、同濟啟明星等軟件，利用地下連續(xù)墻模單元模擬調蓄池外墻。

采用理正深基坑時宜選擇全量法計算，不考慮基坑開挖過程影響；采用MIDAS XD時宜選擇彈塑性地基梁法。由于作用于調蓄池外墻的土壓力屬于回填工序，彈塑性地基梁法能較好的模擬此施工工序。

5 簡化計算結果使用

5.1 調蓄池外墻

(1)內力調整：對于懸臂式支護結構，土壓力可進行折減，調整內力見式(1)。

M=M0(1+1+Ks×K1)/(1+Ks)

(1)

式中,M—有限土壓力作用的內力；M0—無限土壓力作用的內力；Ks—回填料主動土壓力系數(shù)；K1—土壓力折減系數(shù)。

對于錨桿、內支撐支護結構，按基坑外側土層、基坑回填土層分布計算分析，取包絡值。

(2)內力修正：地下連續(xù)墻單元按豎向連續(xù)單向板設計，符合調蓄池外墻僅設置腰梁的受力情況。對于設置扶壁柱和腰梁的調蓄池外墻以及不設扶壁柱和腰梁的調蓄池外墻，實際計算單元雙向受力，內力調整系數(shù)可取0.7～0.8，水平、豎向分布筋等配；底部外墻外側豎向分布筋計算時，考慮底板嵌固剛度大、受水土壓力大，內力調整系數(shù)可取1.05。

(3)調整及修正后的標準內力，按荷載規(guī)范進行內力組合，計算配筋；裂縫驗算時，墻底內力較大，可通過增大截面厚度滿足裂縫要求。

5.2 撐梁

(1)內力計算：水土壓力作用下產生的軸力標準值可以取地下連續(xù)墻在撐梁位置處的剪力標準值差值乘以撐梁間距。

(2)截面驗算：方案設計階段，僅考慮水土壓力作用，未計入豎向荷載及地震作用，截面驗算按抗震規(guī)范軸壓比限值設計。

6 結語

通過巖土常用軟件，對調蓄池外墻進行粗略簡化計算，既可以滿足方案階段結構設計精度、節(jié)省設計時間，還可以減少有限元模型不合理性單元數(shù)量、節(jié)省有限元分析時間，同時簡化計算結果還可以作為有限元分析結果正確性的判別依據(jù)。

力學模型的適度簡化既可以節(jié)省分析時間，也可以對計算結果直觀的判別。模型簡化的原則是單元模擬盡量符合構件主要受力情況，抓大放小，忽略次要因素，力求計算分析簡單、解耦，分析結果可靠、可用。