软弱土地基中深基坑围护结构选形案例分析

金 怡 蒋伟林 申文明*

(1.浙江建设职业技术学院，浙江杭州 311231;2.杭州江干区城市建设综合开发有限公司，浙江杭州 310016;3.中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江杭州 310000)

深基坑围护结构的设计要因地制宜，选择安全性、经济性和施工可行性最优的支撑体系与围护体系。深基坑围护结构的选形问题需要综合考虑土质条件、基坑的几何形状等多种因素，很多学者积累了宝贵的经验，提出了优化分析方法［1-9］。本文通过工程实例分析，研究软土地基中深基坑围护结构的选形问题。

1 工程概况

1.1 项目概况

某深基坑项目位于浙江沿海软土地基中，该项目为2层地下室，基坑开挖深度10 m。基坑平面布置如图1所示，基坑总体呈正方形，周长约440 m。四周紧靠市政道路，有大量市政管线需要保护，对基坑施工变形控制有较高要求。

图1 基坑平面图

1.2 地质条件

场质属第四系滨海淤积平原区，地形平坦开阔，地貌类型单一。场地土质属于典型的海相沉积软土，由上往下依次为杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土，其中开挖面附近主要以淤泥质粉质粘土为主。土体物理力学参数如表1所示。

表1 地质参数

1.3 围护设计方案

根据场地土质条件以及基坑的开挖深度，设计人员选用了φ800@1 000的钻孔灌注桩排桩+两道钢筋混凝土内支撑围护方案。该方案的安全性有较充分的保证，其不足之处在于两道支撑的造价较高、支撑对土方开挖施工带来不便。为此建设方要求对围护设计方案进行优化，希望采用一道钢筋混凝土内支撑，以降低造价、加快施工进度。

2 排桩挡土结构优化分析

排桩挡土结构的受力变形分析采用弹性地基法，土体计算参数如表1所示。优化前的围护方案为:φ800@1 000的钻孔灌注桩排桩，桩嵌固深度14 m，桩身抗拉主筋14Φ25;第一道钢筋混凝土支撑的中心距地面2.5 m;第二道钢筋混凝土支撑的中心距地面7.1 m。围护结构的受力和变形计算结果如图2所示:最大水平位移41.77 mm，最大变形深度位于开挖面处;最大桩身计算弯矩653.76 kN·m。

图2 两道支撑方案排桩受力变形计算结果

若改为一道支撑，桩所承受的弯矩会大幅增加。在不改变桩径的条件下，最大水平位移达60 mm，最大桩身计算弯矩1 075 kN·m，须配24Φ25，配筋率达到2.4%。因此需要增大桩径，提高桩身抗弯承载力和抗弯刚度，减小配筋率以及基坑变形。优化后的围护方案:φ1 000@1 200的钻孔灌注桩排桩，桩嵌固深度17 m，桩身抗拉主筋26Φ25;钢筋混凝土支撑的中心距地面3.3 m。围护结构的受力和变形计算结果如图3所示:最大水平位移46.25 mm，最大变形深度位于开挖面处;最大桩身计算弯矩1 514.98 kN·m。

3 支撑体系优化分析

设计支撑布置形式为4个大角撑，角撑自身的刚度和稳定性非常好，不足的是角撑之间相互独立，支撑整体受力可能会偏移。设计支撑布置形式如图4所示，四个独立的角支撑体系，每个体系有6跨支撑，跨间水平距离8.6 m，支撑体系的受力分析结果如图6，图8，图10所示。根据基坑的平面几何形状，基本呈正方形，非常有利于环形支撑的布置。环形支撑布置如图5所示，支撑体系的受力分析结果如图7，图9，图11所示。支撑受力变形分析软件为大型商业有限元软件ANSYS，支撑受力变形分析模型为空间梁单元框架结构模型，混凝土材料本构模型为线弹性模型，混凝土强度等级C30;弹性模量30 MPa。框架结构四周施加侧向线荷载，压顶梁与围檩施加竖向约束和侧向约束，立柱位置(支撑梁交点)施加竖向约束。

图3 一道支撑方案排桩受力变形计算结果

图4 角支撑布置方案

图5 环形支撑布置方案

图6 角支撑变形（单位：mm）

图7 环形支撑变形（单位：mm）

图8 角支撑轴力（单位：N）

图9 环形支撑轴力（单位：N）

比较两种形式支撑的受力变形分析结果可以看出:环形支撑体系的整体稳定性较角撑体系有明显改善，受力均匀，不会发生扭转的情况，也没有受力集中位置，充分发挥环形支撑整体性好的优势，同时围檩弯矩也显著减小、分布均匀。此外环形支撑跨数更少，因此支撑、立柱与立柱桩的数量减少，经济性更优。环形支撑体系的另一优点，支撑间距大、跨数少，极大地减少了支撑对土方开挖的影响。

图10 角支撑围檩弯矩（单位：N·m）

图11 环形支撑围檩弯矩（单位：N·m）

4 结语

通过典型软弱土地基中深基坑围护结构选形案例分析，得到以下结论:1)深基坑围护结构的设计要兼顾安全性、经济性和施工可行性，通过对比分析获得最优方案。2)减少支撑道数，排桩支护结构承受的弯矩会大幅增加，须通过增大桩径，提高桩身抗弯承载力和抗弯刚度的方法，来减小桩身配筋率以及基坑变形。3)根据基坑几何形状，合理布置支撑体系，有利于增强支撑体系的整体稳定性，避免发生扭转、受力集中等情况。4)环形支撑体系的整体性要优于角撑体系，环形支撑体系的受力均匀、稳定性好，同时环形支撑跨数少、经济性更优，也极大地减少了支撑对土方开挖的影响。

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