通航河道深基坑支护系统建模设计研究
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摘要：通航河道中深基坑的施工是桥梁工程施工中的难点，也是重要的风险点，基坑支护系统的建模和验算是最优化设计的必经之路，本文利用同济启明星基坑设计计算软件FRWS7建模，选取现实施工地质条件，通过对支护系统的挡墙设计、换拆撑设计、内力变形计算、整体稳定计算、坑底抗隆起计算、墙体抗隆起计算、钢板桩强度计算，全方位掌握基坑受力状况，确保设计合理、安全，同时也为类似工况的基坑设计提供参考依据。
关键字：通航河道；深基坑；支护系统；建模；设计；
中图分类号：U45 文献标识码： A
Abstract: deep foundation construction of bridge construction is difficult and important risk points in the navigable river, modeling and checking excavation system is the only way to optimize the design, we use Tongji Venus Pit design calculation software FRWS7 modeling, select construction geological conditions, by retaining wall design, for (demolition) support design, internal force deformation calculation, the overall stability calculation, bottom heave, heave the wall, sheet pile strength, comprehensive grasp pit force status, to ensure reasonable safety, but also provide reference for similar conditions of pit design.
Keywords: navigable rivers; deep foundation; support systems; modeling; design;
1. 引言
深基坑施工作为危险性较大的分部分项工程，是桥梁基础结构施工的重点也是难点，通航河道中承台的施工由于增加了水流对围堰的冲击力，并且无法断流施工，更是为施工增加了不小的困难。基坑围护结构的设计，不仅关系到基坑开挖及周边保护建（构）筑物的安全，而且直接影响着土方开挖以及地下结构施工等成本。基坑支护结构是个系统工程，不仅要保证受力合理，而且要施工方便、工期节省。本文以上海某通航河道水中深基坑施工为例，对其支护系统进行设计研究，为类似工况的基坑设计提供技术支持。
2.研究背景
本研究以上海某高架桥河中承台施工为研究背景，所涉及河道宽25m，河底标高0m，设计低水位为2m，设计常水位为2.5m，设计高水位3m，河流最大流速3m/s，6级通航河道，护岸结构为浆砌块石（见图1-1）。承台位置为河道中央，离最近岸边距离为9m，承台长宽高尺寸为5.2m×5.2m×2.2m，顶标高为-1m（即高水位以下4m），基坑底标高为-3.2m（即高水位以下6.2m），考虑承台施工方便
及河水爬升影响，基坑尺寸长宽为承台各边外扩1.5m，基坑高增加0.5m，则基坑长宽高尺寸为8.2m×8.2m×6.7m。
图2-1 河道护岸断面图
3.建模计算
3.1采用软件
围护设计采用同济启明星基坑设计计算软件FRWS7进行验算。
3.2计算参数
（1）基坑开挖深度：6.7m。
（2）地面施工荷载取20kPa。
（3）侧向应力采用水土分算；土力学指标采用固结快剪峰值。
（4）土层参数
表3-1地质情况表
序号 土层名称 厚度
(m) γ
(kN/m3) c
(kPa) φ
(°)
1 杂填土 1.50 18.0 5.00 10.00
2 粘土 1.00 18.4 19.00 15.40
3 粉砂 2.70 18.9 2.00 31.50
4 淤泥质粉质粘土 5.30 17.6 12.00 14.80
5 淤泥质粘土 7.50 17.4 13.00 13.20
续表
序号 土层名称 厚度
(m) m
(MN/m4) Kmax
(MN/m3) Gs e
1 杂填土 1.50 2.0 0.0 2.5 1.00
2 粘土 1.00 3.0 0.0 2.5 1.00
3 粉砂 2.70 4.0 0.0 2.5 1.00
4 淤泥质粉质粘土 5.30 4.0 0.0 2.5 1.00
5 淤泥质粘土 7.50 4.0 0.0 2.5 1.00
地下水位埋深：0.50m。
3.3开挖与支护设计
3.3.1基坑支护方案如图：
图3-1 基坑支护方案图
3.3.2 挡墙设计
· 挡墙类型：拉森钢板桩；
· 嵌入深度：5.300m；
· 露出长度：0.000m；
· 型钢型号：拉森Iv；
· 桩间距：400mm；
3.3.3支撑(锚)结构设计
本方案设置2道支撑(锚)，各层数据如下：
第1道支撑(锚)为平面内支撑， 距墙顶深度0.700m， 工作面超过深度0.300m，预加轴力0.00kN/m，对挡墙的水平约束刚度取50000.0kN/m/m。 该道平面内支撑具体数据如下：
· 支撑材料：钢支撑；
· 支撑长度：6.200m；
· 支撑间距：5.000m；
· 与圈梁之间的夹角：90.000°；
· 不动点调整系数：0.500；
· 型钢型号：40b；
· 根数：1；
· 松弛系数：1.000。
第2道支撑(锚)为平面内支撑， 距墙顶深度2.700m， 工作面超过深度0.300m，预加轴力0.00kN/m，对挡墙的水平约束刚度取50000.0kN/m/m。 该道平面内支撑具体数据如下：
· 支撑材料：钢支撑；
· 支撑长度：6.200m；
· 支撑间距：5.000m；
· 与圈梁之间的夹角：90.000°；
· 不动点调整系数：0.500；
· 型钢型号：40b；
· 根数：1；
· 松弛系数：1.000。
3.4换(拆)撑设计
表3-1 换（拆）撑分析
序号 换撑距墙
顶深度(m) 换撑后拆
除的支撑 预加轴力
(kN/m) 换撑对桩墙的约束效果
1 4.500 第1、2道支撑 0.00 水平：固定
转动：固定
3.4.1 工况顺序
该基坑的施工工况顺序如下图所示：
4.内力变形计算
4.1 计算参数
水土计算（分算/合算）方法：分算；
水压力计算方法：静止水压力，修正系数：1.0；
主动侧土压力计算方法： 朗肯主动土压力，分布模式：矩形，调整系数：1.0，负位移不考虑土压力增加；
被动侧基床系数计算方法： "m"法， 土体抗力不考虑极限土压力限值；
墙体抗弯刚度折减系数：1.0。
4.2 计算结果
4.2.1 内力变形结果
每根桩抗弯刚度EI=66990kN.m2。
以下内力和土体抗力的计算结果是每根桩的；支撑反力是每延米的。
表4-1 支(换)撑反力范围表
抗力 相对桩顶深度(m) 最小值(kN/m) 最大值(kN/m)
支撑 第1道支撑 0.70 -13.8 56.7
第2道支撑 2.70 0.0 256.3
换撑 第1道换撑 4.50 -0.0 242.5
5.整体稳定计算
5.1 计算参数
整体稳定计算方法： 瑞典条分法；
应力状态计算方法： 总应力法；
土钉法向力折减系数：ξ=0.5；
土钉切向力折减系数：ξ=1.0；
锚杆法向力折减系数：ξ=0.0；
锚杆切向力折减系数：ξ=0.0；
桩墙抗滑考虑方式：滑面绕桩；
浸润线不考虑止水帷幕；
滑弧搜索不考虑局部失稳；
考虑开挖工况；
搜索范围：坡顶：全范围；坡底：全范围；
搜索方法： 遗传算法。
5.2 计算结果
5.2.1 开挖至-6.70m(深6.70m)
滑弧：圆心(1.66m,-0.00m)，半径：12.16m， 起点(-10.50m,0.00m)， 终点(11.81m,6.70m)， 拱高比0.744；
下滑力：777.33kN/m；
土体(包括搅拌桩和坑底加固土)抗滑力：971.67kN/m；
土钉/锚杆抗滑力：0.00kN/m；
桩墙的抗滑力：0.00kN/m；
安全系数：1.25。
6.坑底抗隆起计算
6.1 计算参数
滑弧中心：坑底；
滑弧位置：通过桩底；
应力状态计算方法：总应力法；
桩墙弯曲抗力：考虑；
垂直滑面阻力：忽略；
滑面水平应力：考虑。
6.2 计算结果
下滑力：378.5kN/m；
抗滑力：646.5kN/m；
每延米墙体抗滑力：0.0kN/m；
安全系数：1.71 。
7.墙底抗隆起计算
7.1 计算参数
计算公式：Prandtl；
考虑隆起土层不均匀性厚深比：0.0；
考虑放坡影响宽深比：1.0。
7.2 计算结果
7.2.1 墙底
坑内侧向外6.7m范围内总荷载：1579.9kN/m；
验算断面处土体内聚力：13.0kPa；内摩擦角：13.2°。
地基承载力：
安全系数：438.2×6.7/1579.9=1.86。
8.钢板桩强度计算
8.1 计算参数
设计值系数：1.25；
弯矩折减系数：1.0。
8.2 计算结果
最大弯矩标准值：120.8kN.m；
弯矩设计值：151.0kN.m；
钢板桩抗弯截面模量：0.0mm3；
钢板桩边缘正应力：InfinitykPa；
抗弯强度设计值：210000.0kPa。
8.3验算内容
计算内容包括：
（1）整体稳定性验算
（2）坑底、墙底抗隆起验算
（3）内力变形
（4）钢板桩强度
8.4计算结果
围护结构计算结果统计见下表3-1。
表8-1 围护结构计算结果
内容 1-1 规范要求
开挖深度（m） 6.7
整体稳定性 1.25 >1.25
坑底抗隆起 1.71 >1.70
墙底抗隆起 1.86 >1.70
位移/mm 20.2