结合工程案例分析地铁深基坑支护结构变形技术的应用

罗东平

摘要随着时代的发展、经济的繁荣,目前世界各国(包括中国)已进入现代城市化阶段,与此同时城市人口膨胀、用地紧张、环境污染、交通堵塞、住房困难等令人头痛的问题也接踵而至。高层建筑、超高层建筑的兴建及对地下空间的开发利用在很大程度上缓解了上述问题。伴随而来的是建筑物基础埋深大大增加,基坑越来越深,很多达到20余米,而且距离既有建筑物越来越近,特别是在城市建(构)筑物密集区,周围环境对基坑支护表现出了严峻挑战,同时也导致深基坑施工难度加大。深基坑支护结构的设计,从强度和稳定性两方面考虑逐渐转为由周围环境作为控制条件。

关键词:深基坑 ,支护结构计算方法 m法原理

1概述

深基坑开挖对周围环境的影响主要表现为引起周围地表不均匀沉降,从而影响周围建筑物和地下管线的正常使用,甚至造成工程事故。其中引起周围地表沉降的主要因素有:支护结构的侧向位移、井点降水和抽水引起的砂土损失、基坑回弹隆起等。

2基坑支护结构设计计算方法

一般来说,基坑支护设计计算方法可归纳为以下3大类:1)理想塑性方法。该法是常用的方法,计算时首先选择合适的入土深度以满足整体稳定、抗隆起要求,用古典的土力学理论计算土压力或对计算土压力作某些修正,再对桩身和支锚结构进行设计,这种方法对重力式刚性挡土墙比较适用,但对深基坑支护结构设计就难以考虑其复杂的条件。该方法的缺点在于不能考虑支护结构的变形条件,尽管此方法在国内外已沿用多年,且积累了一定的工程经验,但对变形严格控制的深基坑不能预估支护结构的水平位移,无法分析深基坑对周围环境的影响。

2)有限元法。该法将桩离散为梁元,将土离散为块状体,桩土交界处还可以设置界面元,它可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力场与位移场,而且可适用于开挖过程的模拟。从原理上讲,是目前公认的最合理的方法。但由于桩、土、界面结构关系复杂,所需参数较多,一般难以作为常规设计方法使用。如果能够对模拟结果加以合理的工程判断,则数值方法无疑是一种经济直接的分析方法,从这点来说,数值模拟应该是岩土计算方法发展的一种趋势。

3)土抗力法[1]。其针对常规方法中坑内侧被动土压力计算中的问题提出了改进,由于内侧土体不可能达到完全的被动极限平衡状态,实际上仍处于弹性抗力阶段。目前计算桩身内力和位移时,采用桩基规范中承受水平力的弹性长桩桩身应力和变位的m法计算,而实际上,工程支护长桩并非弹性长桩。

文中以土抗力法的m法为依据,将桩离散为单元,并将坑内侧土的支撑简化为弹簧支撑的梁元有限元法,可以解决常规方法中未能解决的问题,该法比有限元法更方便,计算参数单一,具有一定的理论及实践意义。

3土抗力法中m法原理

m法的基本原理是把土对桩的作用用一种抗力表示,抗力与该位移处桩的位移成正比。位移大抗力也大,位移为零抗力也为零,其表达式为:

P=KYn2=(Kz=0+mZn1) Y(1)其中,P为土对桩的抗力;K为土抗力系数;Kz=0为土面处的抗力系数;Z为计算点位于土面以下的深度;m为土抗力系数随深度变化的比例系数;n1,n2为反映土抗力随Z与Y而变化的指数; Y为计算点处桩的水平位移。

当n1=n2=1,同时取Kz=0=0时,则式(1)变为P=mZY,即K=mZ,P随深度成线性增加。因最初将随深度增长的线性系数计作m,故简称m法。

m法仅对最简单的情况有解析解。一般情况将结构离散为梁元,将土的支承简化为弹簧支承的梁元有限元法。基坑底面以上作用着主动土压力和水压力,基坑底面以下为沿深度不变的计算模式(如图1所示)。

4工程分析

4.1工程地质概况

地层开挖断面土质主要是粉土及粉质黏土,无砂石层,有利于基坑围护工程施工。根据设计文件显示,在基坑内-5 m~-6 m位置有层上层滞水,根据主体基坑施工及钻孔桩施工观察,只是局部有水,而且水量并不丰富,不会影响基坑工程进行。

4.2参数m值的讨论

参数m值实际上是土的性态和支撑结构形式、开挖方式以及施工作业时间的综合反映,在许多情况下反映了土的流变性和时空效应,因此其可靠的取值方法应结合现场实测数据作反分析。目前在许多地方对m值的取值也积累了不少经验,可在围护结构的初步设计时采用,如无当地经验,可根据现场土的c,φ值按下式估算m值[2]:m=1y(0.2φ2-φ+c)(2)其中,y为基坑底面位移量估算值,可取20 mm~40 mm。

本实例中m=3 500 kN/m4,计算结果和实测数据见图3。

5结语

1)文中所讨论的基坑弹性支点m法所需计算参数单一,可考虑各种复杂的边界条件,作为计算基坑围护结构变形的依据在一定程度上来说是合理可行的。

2)准确预估和控制支护结构的侧向位移是保证基坑顺利开挖和周围环境安全的重要因素。

参考文献:

[1]杨敏,冯又全,王瑞祥.深基坑结构的力学分析及与实测结果的比较[J].建筑结构学报,1999(4):40-41.

[2]赵才顺,茹秀珍.基坑支护方法浅析[J].山西建筑,2006,32(11):84-85.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。