小型矩形基坑支护结构变形内力的设计探讨

熊胜

摘要：近几十年来，随着国民经济的发展，我国的地下空间开发随之高速发展，兴建了大量的基坑工程，小型矩形基坑经常被应用于盾构或者顶管工作井。由于小型矩形基坑的空间“环箍效应”，导致其变形受力特性与普通的条形基坑不同。本文借助于浙江省宁波市某原油管线盾构隧道工作井基坑，运用有限元软件SAP2000整体建模分析了小型矩形基坑的受力变形特点，并分别与基坑设计启明星软件和现场实测的结果做对比，得出有限元整体计算结果较可靠的结论。可以为今后类似工程提供参考。

关键词：基坑；启明星；有限元；整体计算；环箍效应

1、引言

随着大规模的地下空间开发建设，小型矩形基坑经常被应用于盾构或者顶管工作井。而在目前的设计工作中，一般采用同济启明星和理正深基坑等软件对基坑进行二维截面计算，不考虑基坑整体变形协调作用。

事实上，小型矩形基坑由于是闭合的，在水土压力作用下，四周的围护结构将会产生“环箍效应”，导致围护结构产生明显的空间效应，使得围护结构的受力和变形与普通的条形基坑设计方法得出的结果大不相同。

本文以浙江省宁波市某原油管线盾构隧道工作井基坑为工程背景，分析小型矩形基坑的空间效应，通过本次研究，为相似工程提供借鉴和参考[1-3]。

2、工程概述

2.1基坑概况

宁波市某原油管线盾构隧道工作井基坑内径尺寸为13m×13m，基坑深度22.969m。

基坑采用地下墙加内撑支护方式，地下墙厚度1000mm，嵌固深度为24.031m，支撑采用3道钢筋砼支撑+3道钢支撑形式，第一道砼支撑尺寸为800×800mm，间距5.2m，砼围檩尺寸为1200×1000mm，第二道砼围檩尺寸为1400×1200mm，第四道砼支撑尺寸为1000×1000mm，间距3m，砼围檩尺寸为1650×1400mm，第三、五和六道钢支撑为直径609mm壁厚16mm的钢管支撑，支撑间距3m，支撑尺寸、形式和横向间距如表1所示：

表1基坑支撑形式及尺寸表

支撑平面布置图和横剖面尺寸如图1~5所示：

图1第一道砼支撑布置平面图

图2第二道支撑布置平面图

图3第三、五、六道钢支撑布置平面图

图4第四道砼支撑布置平面图

图5基坑横剖面图

3.地质概况

3.1岩土层分布

根据钻孔所揭露的地层，根据地层成因、年代、岩性及原位测试和室内土工试验成果，依据《浙江省工程建设岩土工程勘察规范》（DB33/T-1065-2009）表4.3.2，将所揭露的场地地层分为15层（含亚层）。拟建场地工作井开挖范围内主要为①0层素填土、①2层粉质黏土、②1层淤泥质粉质黏土、②2层淤泥质粉质黏土夹粉土、③2层淤泥质黏土，基底大部分都位于③2层淤泥质黏土中。场地内④3层粉土、⑤2层粉质黏土等地层对工作井开挖亦有一定的影响。各土层参数如表2所示：

表2基坑支护设计土层参数表

3.2水文条件

勘察期间，观测到场地陆域地下水水位埋深为0.40~1.60m，水位标高0.63~2.52m，变化幅度1米左右。拟建场地②2、④3层、⑤3层、⑥3层分布有承压水，本次勘探期间对②2、④3层承压水位进行了实测，测得②2层承压水水位埋深为2.20～2.50m（标高为1.47～1.52m），④3层承压水水位埋深为1.60～1.95m（标高为1.01～1.52m），总体上看承压水水位与潜水水位相差不大。

3.3解决思路

基于目前的设计现状，针对本工程项目，同时采用权威基坑设计软件（同济启明星）和有限元软件（SAP2000）进行计算。首先，采用通用设计方法，不考虑矩形基坑的整体空间效应，按照条形基坑的设计思路，运用启明星进行二维截面计算。其次，考虑围护结构的空间“环箍效应”，运用有限元进行空间三维计算。将两种计算方法的最终内力变形结果与施工监测数据进行比较，以此验证基坑空间效应的正确性，最终得出有用的结论来指导工程设计和施工。

1、围护计算

2、二维计算分析

3、计算模型

采用启明星软件对基坑进行围护计算。除①2粉质粘土、②2粉砂、④3粉土、⑤2粉质粘土采用水土分算外，其它均采用水土合算，基坑支护方案如图6所示：

图6启明星二维计算基坑支护方案图

3.4计算结果

在满足围护结构整体稳定性、抗隆起、抗渗流等各项稳定性指标要求后，得到基坑东西侧围护结构位移、内力包络图如图7所示：

图7基坑支护变形内力包络图

由图可以看出，地下墙位移曲线形状呈墙顶及墙端收进、中间凸出状，墙身位移最大值所在位置略高于基坑底部以上。地下墙位移最大值为36.5mm，地下墙最大弯矩为1935.2KN.m，最大剪力为881.8KN。支撑内力最大和最小处分别发生在第四道支撑和第一道支撑，分别为1207.1KN/m，190.5KN/m。

4.三维计算分析

4.1计算模型

如上所述，运用SAP2000软件对本项目进行整体建模计算，考虑矩形基坑的空间“环箍效应”影响，并且采用有限元模拟基坑开挖步骤，计算模型如图8所示：

图8SAP2000有限元三维模型图

4.2计算结果

经计算，地下墙整体变形位移及支撑轴力图如图9~10所示：

由图9和图10的计算结果可以看出：地下墙最大变形位移为24.4mm，同样，墙身位移最大值所在位置略高于基坑底部以上。与二维计算不同的是，由于矩形基坑的空间“环箍效应”，靠近地下墙四个角点的变形很小，而由于变形位移的连续性，四边角点将对中间产生约束作用，导致地下墙的最大变形小于前述二维计算结果36.5mm。

图9地下墙变形图

图10支撑轴力图

4.3结果分析

经上节分析，得出二维和三维分析的计算结果，同时，将现场实测的基坑变形和支撑轴力列表如下：

表3支撑轴力对比表

表4地下墙变形对比表

由支撑轴力对比表表3可以看出，二维轴力计算结果与现场监测数据的相对误差较大，误差范围为27.8%~223.2%，最小误差出现在第一道支撑处，为27.8%，最大误差出现在第四道支撑处，为223.2%；三维计算结果与现场监测数据的相对误差较小，误差范围为-1.5%~52.1%，最小误差出现在第六道支撑处，为-1.5%，最大误差出现在第一道支撑处，为52.1%。而关于地墙最大变形，由地下墙变形对比表表3可以看出，二维、三维和实测数据分别为36.5mm、24.4mm、25mm，二维、三维计算结果分别和现场实测数据的相对误差为46%和-2.4%。总体来说，相比于传统设计的二维计算结果，考虑空间“环箍效应”的三维计算结果更加接近于现场的监测数据，假如按照三维计算结果来指导设计，将能够在保证结构受力安全的前提下，大大提高项目的经济效益。

5、结论与展望

本文采用启明星和SAP2000有限元软件对小型矩形基坑进行分析并与现场实测数据作对比，得出如下结论：

（1）通过对比分析，验证了小型矩形基坑进行整体空间分析的必要性；

（2）由于矩形基坑围护的空间“环箍效应”，三维计算的支护内力明显小于二维设计计算结果，也更加接近于现场的监测数据；

（3）为了验证本文主要结论的普遍性，还可统计不同地区项目的小型矩形基坑更多的现场结果，进一步论证本文主要结论的正确性。

（4）根据分析结果，针对小型矩形基坑，可以总结出既安全又经济的设计方法；

（5）可进一步分析，由于空间的“环箍效应”，相比二维计算结果，可导致围护结构的插入比可适当减小。

参考文献：

[1]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2009：15-20.

[2]浙江省《建筑基坑工程技术规程》（DB33T1096-2014）.杭州：浙江工商大学出版社，2014

[3]中华人民共和国行业标准.混凝土结构设计规范（GB50010-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2010