对某基坑支护设计承载力复核的两种方法介绍
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余 军 舒 安黄世明
中建三局第二建设工程有限责任公司 湖北武汉430070
摘要：随着高层建筑的不断涌现，其地下空间的开挖及基坑支护问题越来越受到工程界关注。为能很好的达到基坑支护结构设计中安全可靠、经济合理、方便施工三大基本原则，本文以佛山禅城绿地中心为工程背景，分别介绍了简化二维等值梁法、ansys有限单元法，得到了钢板桩在土体侧压力作用下的受力状态。并对比了两者之间的误差，分析了误差原因，结果表明在缺乏工程经验情况下ansys有限单元法能够准确预测支护结构的受力状态，有效节约施工成本降低工程造价。
关键词：有限单元法；等值梁法；基坑支护；
中图分类号：TU2文献标识码： A
0引言
随着建筑物层高的不断攀升，地下结构的建造将越来越复杂，除大开挖施工方案外，均需要对基坑壁进行支护。基坑支护工程大多是临时工程，设计的安全系数相对较小些，但也应因地制宜根据不同区域的地勘情况选取相应的支护方案。基坑支护工程又是岩土工程、结构工程以及施工技术互相交叉的学科，是多种复杂因素交互影响的系统工程，是理论上尚待发展的综合技术学科。同时由于基坑支护工程造价高，耗时耗工，技术复杂，涉及多门学科，不定因素多，事故频发，是建筑工程中最具有挑战性的技术，也是降低工程造价，确保工程质量的重点。尤其对基坑深度大于5米的基坑支护，国家明文规定，其支护方案除经设计计算外，还需要经5名以上专家进行论证。因此对基坑支护的正确计算、科学设计是基坑支护工程的首要问题[1]。
1工程概况
佛山禅城绿地金融中心二期均为办公及商业建筑，由三栋办公楼（高度分别约为226m、226m、120m）及其附属商业裙楼组成。总建筑面积约为350600m2，其中商业街及商铺面积约为67000m2，办公及商业210500 m2；地下室2层，建筑面积约73100 m2。该项目建成后将成为佛山地区最大的现代服务业综合体，如图1所示。
图1禅城绿地中心塔楼效果图
根据勘察报告，该工程重要性等级为一级，场地等级为二级，地基基础设计等级为甲级，建筑物安全等级一级，勘察等级为甲级，基坑安全等级为二级。场地土的类型总体属中软土，建筑场地类别属Ⅱ类。基坑开挖深度范围内的土层有素填土、淤泥质土、粉砂等各土层特性如表1。
表1岩土参数推荐值表
层号 土 层
名 称 重力密度
（kN/m3） 凝聚力C kPa 摩擦角φ
(0)
1 素填土 18.3 8.0 10.0
2 淤泥质土 18.0 4.4 3.5
3 粉砂 20.0 7.8 26.0
为缩短施工工期，节约施工成本，核心筒范围内的二级承台开挖后的支护体系选用Q235SP-IV型拉森钢板桩、HW320×320×25厚重型工字钢作为围檩、HW380×380×25厚重型工字钢作为水平支撑、及Ф280圆钢管作为角撑进行支护。同时由于局部开挖深度达到7.15米，钢板桩选用12米规格，其具体参数如表2。
表2SP-IV型拉森钢板桩
层号 有效宽度mm 有效高度mm 腹板厚度mm
SP-IV 400 170 15.5
每米板带
截面面积cm2 理论重量kg/m 惯性矩
cm4 截面模量
cm3
242.5 190.4 38600 2270
核心筒内二级承台基坑支护钢板桩支护体系平面、剖面布置图如图3、4所示。
图2核心筒二级承台基坑支护现场施工图图3核心筒二级承台基坑支护体系平面图
图4核心筒二级承台基坑支护体系剖面图
2钢板桩支护计算
2.1二维等值梁法
当钢板桩桩身有水平支撑结构时，该支护结构变成超静定结构，但插入土后的固定端跟桩身进入土体深度，土质情况有关。因此人们利用一端简支一段固定的单跨梁受均布荷载作用下，桩身固定端土层下某一位置将出现一个反弯点，并以此反弯点为简支端，两简支端构成一受均布荷载的简支梁。其所算得的弯矩图与原来整体梁所得一样，此段简支梁称为该整梁的等值梁如图5所示。经大量工程实践及计算分析，对于支护结构插入土中的土压力为零的点与弯矩零点位置十分接近，因此，把土压力零点处作为反弯点，形成简支梁。这种把支护结构简化计算的方法称为等值梁法。
图5等值梁法计算简图
2.1.1水平荷载标准值
临时竖向基坑支护结构将承受由土压力、水压力、地面荷载引起的水平侧压力。根据设计要求，核心筒内二级承台基坑支护钢板桩位于设计标高-11.2m至-23.2m，桩身表面竖直光滑，填土面水平符合朗肯土压力条件，同时该标高范围内主要以粉砂为主，渗透性强，渗透系数大，可以很快排水固结，可选用水土分算法计算[2]。
(1)计算点位于地下水位以上时：
(2)计算点位于地下水位以下时：
式中：为有效粘聚力、有效内摩擦角；
-----水重度取10KN/m3；
------第j层土有效重度；
(3)考虑基坑周围地面均布施工荷载q0，基坑支护结构上作用的侧压力为：
2.1.2水平抗力标准值
当支护结构向基坑内发生位移时，支护结构内侧土体被压缩，此时土体内部竖向应力不再增加，而水平应力逐渐加大，这部分土压力称为被动土压力。对于临时基坑支护结构，往往并不要求控制两侧土体完全处于静止状态，因此需要考虑基坑内的被动土压力及水平支撑系统提供的支撑反力。
式中：为有效粘聚力、有效内摩擦角；
-----水重度取10KN/m3；
------第j层土有效重度；
根据表1粉砂各项参数指标，可得侧压力分布图如图6所示
图 6土侧压力分布图
2.1.3反弯点计算
根据等值梁计算假定，计算土应力为零点即为反弯点。由三角形相似定理可知反弯点O位置为：
2.1.4桩身最大弯矩
上部等值简支梁取隔离体分析，对O点取力矩可得上部水平支撑反力TA、TB：
剪力为零处弯矩出现最大值：
由等值梁法可得钢板桩下部所需入土最小深度l0，实际入土深度可根据一般土质情况乘以调整系数1.2。
下部桩身最大弯矩值：
由于现场钢板桩规格所限，下部桩身长度平均为7米远大于所需最小桩端入土深度，钢板桩的稳定性满足要求的。
2.1.5钢板桩强度验算
根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)[3]规定，基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。
对于承载力极限状态表达式：
式中-----基坑侧壁安全重要等级系数；
-----综合分项系数1.25；
-----荷载效应标准值；
取1m桩宽作为强度受力分析，SP-IV每米截面模量W=2.27×10-3m3：考虑到钢板桩自身锈蚀及周转使用率取折减系数[4] 。
。
小于[f]=215(MP)，[f]为Q235钢板桩抗弯强度设计值[3]。
综上，可知钢板桩强度满足设计要求。
2.2Ansys有限单元法
根据预定施工方案采用ANSYS建立SP-IV拉森钢板桩、H型重钢围檩、H型重钢水平支撑及圆钢角撑三维基坑支护体系有限元模型。如图7所示。
图 7三维基坑支护体系有限元模型
模型建立假定：
（1）拉森钢板桩选取shell63壳单元进行模拟，其他支护体系选取beam188梁单元进行模拟。
（2）为考虑钢材锈蚀等相关因素对，钢材弹性2.0e11模量进行折减，折减系数为0.7[4]。
（3）围檩与钢板桩桩身的焊接，为考虑施工焊接质量因素，该模型释放节点之间的弯矩自由度作为铰接。
（4）本文不考虑土与结构的相互作用，取支护体系为隔离体，土体以侧压力形式加载于支护结构上。
2.2.1基坑变形计算
三维模型可以考虑基坑支护体系的整体效应，因此能够较为经济合理的预测基坑变形情况，节约工程成本。根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）[5]要求如表3。对于基坑开挖小于7m，且周围环境无特别要求的基坑维护结构最大位移监控值10cm，如图8所示。对于正常使用极限状态下的荷载标准组合值，基坑支护结构最大位移0.9cm小于规范要求。因此施工方案及选型满足基坑变形控制要求。
表3 基坑变形的监控值（cm）
基坑类别
墙顶位移 墙体最位移大值
地面最大沉降值
监控值 相对值
一级 3 3% 5 3
二级 6 6.7% 8 6
三级 8 11% 10 10
图 8 三维基坑支护体系变形结果
2.2.2钢板桩强度计算
通过ansys通用后处理，得到钢板桩桩身应力最大值结果，如图9所示，最大弯曲正应力值为54.7N/mm2，小于[f]=215(MP)，[f]为Q235钢板桩抗弯强度设计值。
综上，可知钢板桩强度满足设计要求。
图 9 三维基坑支护体系弯曲正应力结果
3 结论
本文首先通过二维简化等值梁法，计算钢板桩强度及稳定性初步确定施工方案及选型的可行性，并在此基础上建立三维有限单元模型进一步校核该方案，通过上述两种方法的结果数据对比，表明该基坑支护结构均满足强度、刚度、稳定性要求。
通过本文论述可得出如下几点有益结论：
（1）二维等值梁法可以初步确定施工方案及支护体系的选型。
（2）通过等值梁法与有限单元法对比可知，由于三维有限元模型考虑了支护体系的整体效应，结构受力有所降低。
（3）ansys有限单元法能够很好地应用于基坑支护计算分析，较为精确合理的预测支护结构受力、变形，提高施工效率，降低施工成本。