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      深淺坑基坑設計及分析

      2022-05-08 14:08:56
      城市道橋與防洪 2022年3期
      關(guān)鍵詞:深坑啟明星工法

      肖 敏

      (上海城市交通設計院有限公司,上海市200120)

      0 引 言

      隨著城市土地資源日益緊縮,“坑中坑”作為一種新型基坑應運而生?!翱又锌印遍_挖導致土體應力路徑比傳統(tǒng)基坑更為復雜,但是基坑設計規(guī)范及市場設計軟件未有統(tǒng)一或建議的計算方式,現(xiàn)有研究一般是通過對支護結(jié)構(gòu)或土體剛度進行相應折減來考慮相互影響。

      目前有部分涉及“坑中坑”的計算理論[1]。楊才等[2]采用強度折減有限元法,對“坑中坑”的坑趾系數(shù)、深度比、面積比進行了控制變量研究。豐土根等[3]對“坑中坑”不同開挖位置、深度及大小對懸臂式支護結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律進行了詳細分析。

      1 工程概況

      上海市楊高路改擴建隧道工程北起自浦東新區(qū)世紀大道- 楊高路立交隧道(包含),終于浦東新區(qū)浦建路跨線橋,屬于楊高南路段范圍。

      改造完成后隧道總長1 747.29 m。隧道全線設置1 對出入口匝道,起于浦東新區(qū)張家浜河北側(cè),下穿張家浜并與地面橋合建,在張家浜河南側(cè)接入地面,全長約302 m(不含匝道展寬段)。

      2 工程地質(zhì)

      本工程所在區(qū)域工程地貌類型為濱海平原,沿線地勢平坦,各勘察點地面標高為3.82~5.29 m。

      沿線場地內(nèi)自上而下可劃分為7 個大層及若干亞層,共計11 層。各土層分別為:①1 層填土、①2層灰黑色淤泥、②層褐黃- 灰黃色粉質(zhì)黏土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③T 灰色砂質(zhì)粉土、④層淤泥質(zhì)黏土、⑤層灰色粉質(zhì)黏土、⑥1 層暗綠色粉質(zhì)黏土、⑥2 層草黃色粉質(zhì)黏土加砂質(zhì)粉土、⑦1 層草黃色砂質(zhì)粉土、⑦2 層灰色粉砂(未揭穿)。

      基坑開挖最深處位于第④層,只有很小一段位于⑤層層頂處,最大開挖深度約為19 m,坑底標高約為-13.06 m。場地淺部分布的③、④層淤泥質(zhì)軟弱層及⑤層等軟黏性土對工程建設影響較大,要引起重視。

      3 工程難點

      在隧道主線與匝道合并段存在深淺坑,如先開挖深坑,待深坑結(jié)構(gòu)施工完畢后再開挖淺坑,將對工期影響較大且會在淺坑底板造成1 道縱向施工縫,后期易造成隧道滲水。因此基坑先開挖匝道淺坑,再開挖主線深基坑,其中淺坑開挖8.7 m,匝道橫斷面寬度9 m;深坑開挖深度17.5 m,主通道開挖寬度28 m。由于深基坑開挖時會引起淺層基坑坑底土體擾動,從而造成淺基坑變形增加,內(nèi)力增大,而常規(guī)基坑設計軟件無法同時考慮深淺坑,因此,如何確保深坑開挖階段淺坑的基坑安全成為本工程的一大難點。

      本工程設計階段采用有限元軟件Plaxis 進行分析,以真實反映實際施工狀態(tài)下深坑及淺坑圍護結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力,同時通過對深坑開挖階段淺坑坑底土m值進行一定折減來計算淺坑圍護結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力,最終包絡取大值進行設計。

      4 深淺坑基坑圍護設計

      4.1 P laxis 有限元分析模型

      基坑圍護剖面圖見圖1,采用Plaxis 有限元軟件進行分析。模型考慮基坑開挖土體卸載對周邊結(jié)構(gòu)的影響,取2 倍基坑開挖深度范圍為其豎向收斂區(qū)域;取3~5 倍基坑開挖寬度為其周圍平面邊界收斂區(qū)域來建立分析模型。模型沿基坑橫向(X向)為150 m,沿基坑深度(Y向)為50 m,模型上表面為天然地面。

      圖1 基坑圍護剖面圖(單位:m)

      模型中,內(nèi)支撐、地連墻、工法樁結(jié)構(gòu)均按各向同性材料考慮;土體按H-S 模型考慮;因止水帷幕與圍護樁剛度相差較大,計算過程中不考慮其抗彎性,將其作為安全儲備。

      分析模型中,通過單元的“激活、鈍化”來實現(xiàn)土體開挖、結(jié)構(gòu)施作等施工過程,施工過程中考慮20 kPa的地表均布超載作用?;佣S模型見圖2。

      圖2 基坑二維模型圖

      4.1.1 模型參數(shù)選取

      模型分析中各土層的物理參數(shù)見表1,地連墻、工法樁、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的幾何屬性見表2。

      表1 土層物理參數(shù)統(tǒng)計表

      表2 主要結(jié)構(gòu)幾何屬性表

      4.1.2 位移邊界條件確定

      所有邊界條件均為位移邊界條件。其中:地表為自由邊界條件;模型左、右表面水平(X向)位移限制為零,其他方向自由;模型底部邊界的豎向(Y向)位移限制為零。

      4.1.3 初始地應力確定

      初始地應力的計算主要考慮土體自重,由有限元程序直接求得初始應力場。

      4.1.4 模擬計算工況

      綜合基坑形狀及與橋樁結(jié)構(gòu)的相對位置,為減小基坑開挖卸載過程對于周邊既有橋樁結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的影響,結(jié)合實際施工工序,設定計算工況和步驟如下:

      工況1:土體初始應力場計算,位移清零。

      工況2:施工地連墻和工法樁,位移清零。

      工況3:開挖基坑內(nèi)土體1 m。

      工況4:施加第1 道混凝土支撐。

      工況5:開挖坑內(nèi)土體至第2 道支撐下0.5 m。

      工況6:施作第2 道鋼支撐。

      工況7:開挖基坑內(nèi)土體至匝道底,施作匝道底板厚300 mm 鋼筋混凝土板。

      工況8:施作第3 道支撐。

      工況9:開挖坑內(nèi)土體至第4 道支撐下0.5 m。

      工況10:施作第4 道支撐。

      工況11:開挖至坑底。

      在各工況連續(xù)計算中,位移和應力逐次累加,上一工況的位移和應力將作為下一工況的初始應力和位移狀態(tài)。

      4.2 有限元數(shù)值計算結(jié)果及分析

      由計算結(jié)果可知:開挖到底基坑最大水平位移43.87 mm,最大豎向位移137.59 mm。

      基坑水平位移云圖見圖3;基坑豎向位移云圖見圖4;淺坑工法樁位移及內(nèi)力圖見圖5;深坑地連墻位移及內(nèi)力圖見圖6。

      圖3 基坑水平位移云圖(單位:mm)

      圖4 基坑豎向位移云圖(單位:mm)

      圖5 淺坑工法樁位移(單位:mm)及內(nèi)力圖(單位:kN·m)

      圖6 深坑地連墻位移(單位:mm)及內(nèi)力圖(單位:kN·m)

      由計算結(jié)果可知:淺坑工法樁最大水平位移31.03 mm,最大彎矩361.87 kN·m;深坑地連墻最大水平位移34.24 mm,最大彎矩1 480 kN·m。

      4.3 同濟啟明星設計軟件計算分析

      同步采用同濟啟明星基坑圍護設計軟件進行分析,計算時為了模擬深坑開挖對淺坑的影響,將淺坑下加固土的m值進行折減,取為m=4.0 MN/m4。

      采用同濟啟明星設計軟件計算的淺坑工法樁位移及內(nèi)力圖見圖7;深坑地連墻位移及內(nèi)力圖見圖8。

      圖7 淺坑工法樁啟明星位移及內(nèi)力圖

      圖8 深坑地連墻啟明星位移及內(nèi)力圖

      4.4 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的對比

      現(xiàn)場淺坑、深坑實測累計變形數(shù)據(jù)見圖9、圖10。

      圖10 深坑實測累計變形

      采用有限元軟件和同濟啟明星設計軟件的計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對照見表3。

      表3 實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對照表

      楊高路隧道已于2017 年建成通車,匝道深淺坑處基坑開挖期間的變形值偏小于軟件計算值,基坑整體穩(wěn)定安全。

      5 結(jié) 語

      (1)采用同濟啟明星設計軟件和Plaxis 有限元軟件計算的深坑地連墻位移和內(nèi)力結(jié)果相差很小,說明有限元模型及相關(guān)參數(shù)選取合理;由于同濟啟明星設計軟件計算中加固土m值折減取為4.0 MN/m4,且有限元模型計算時考慮了匝道底厚300 mm 的鋼筋混凝土板,使得匝道工法樁計算彎矩較同濟啟明星設計軟件的計算彎矩偏小。根據(jù)計算結(jié)果,最終淺坑采用工法樁,深坑采用地下連續(xù)墻。

      (2)采用有限元軟件和同濟啟明星設計軟件結(jié)合包絡計算方法,深淺坑匝道圍護設計能滿足先淺后深開挖的受力要求。

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