邻近公路深基坑围护结构设计研究

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摘要：基于某邻近公路深基坑工程进行围护结构设计及监测结果分析。对支护结构计算、内支撑计算及牛腿计算，并对围护结构钢板桩深层土体水平位移以及周边地表沉降等进行监控数据分析。结果表明，针对地表沉降的数值模拟结果大于实测值，理论计算安全系数偏大；围护结构深层土体水平位移规律整体符合基坑中部向坑内运动趋势；基坑土方开挖对土体的影响范围主要在两倍基坑深度区域；基坑变形对基坑周边荷载敏感。

关键词：邻近公路；深基坑；有限元分析

1引言

随着交通基础设施的逐步完善，新建工程与既有工程会出现交叉。新建深基坑施工会改变原有地层应力及变形，对于在既有线路、建筑物等附近施工的基坑工程影响尤为严重。既有公路常会受到周边环境影响，基坑开挖会导致既有公路横向及沉降变形，若施工方法或保护措施不当，将导致既有线路变形，造成财产损失及安全隐患。随着大量特殊基坑工程的出现，对基坑支护体系及复杂环境条件影响的研究越来越多。孔茜等[1]通过数值模拟及监测数据研究发现钢支撑滞后施工将导致冠梁弯矩大大增加，且开挖交界处各监测指标最大。周政等[2]通过数值分析手段研究得到邻域超大附加荷载对基坑支护结构的变形形态的空间效应影响成正相关，邻域超大荷载会削弱基坑坑角效应，影响范围成倍增加。刘畅等[3]从受力角度对斜直交替支护桩体系进行理论和实测分析，得出斜桩倾斜20°较为合理，一斜一直布置形式占用较小空间并取得良好变形控制效果。李广等[4]针对紧邻建筑物狭小空间基坑进行逆作法拉森钢板桩墙支护体系设计，主体结构水平板提高整体刚度，水平抗力大，保证了支护效果。对于某邻近公路环境条件的深基坑围护结构进行数值计算及有限元分析，确保结构体系满足要求，并通过监测结果进行分析验证，保证邻近公路运营不受影响。

2工程概况

某邻近公路基坑尺寸为14.9m×10m，基坑需求设计深度取值7.85m。设计选用IV型拉森钢板桩，同时考虑钢板桩顶超出地面长度0.5m以及钢板桩嵌入土体深度6.65m，总长取为15m。基坑分三次开挖，设计2道内支撑，第一道围檁采用单拼400×400×13×21H型钢，第二道围檁采用双拼400×400×13×21H型钢，第一道内支撑采用400×400×13×21H型钢，第二道内支撑采用609×16mm钢支撑。设置内支撑的水平间距为4m，第一道内支撑距地面1m，第二道内支撑距地面4m。

3基坑设计分析

3.1结构计算

内力计算方法采用增量法，支护结构重要性系数γ0取1.00，刚度折减系数K取0.85[5]。土层数划分为5层，内外侧降水最终深度为22.9m，内力计算时主动计算坑外土压力，弹性法计算采用m法。钢板桩基坑支护体系进行稳定计算时把内支撑考虑在内，确定地层信息时考虑孔隙水压力。进行抗倾覆稳定计算时分别考虑对基坑支护底面计算弯矩，以及最底层支撑位置。图1内力位移随开挖深度包络图位移及内力计算结果如图1所示，竖坐标为基坑深度（m），横坐标正向为基坑内侧，负向为基坑外侧，根据经典法（红色线所示）计算结果最大弯矩包括基坑内侧和外侧，分别为104.39kN.m和179.44kN.m，基坑支护结构受到最大的剪力为102.76kN；弹性法（蓝色线所示）计算结果：最大弯矩包括基坑内侧和外侧，分别为151.44kN.m和100.95kN.m，支护结构受到最大的剪力为133.99kN，最大位移为15.12mm。对于地表沉降，采用三种方法进行理论计算，计算结果如图2所示，其中抛物线法计算结果最大，其地表沉降最大值为28mm；指数法计算结果最小，其地表沉降计算结果为15mm；三角形法计算结果略大于指数法，其地表沉降计算结果为19mm。弯矩及剪力折减系数取1，荷载分项系数取1.25，选择弹性法计算，则内力取值如下表所示。根据荷载分项系数确定内力计算值，分别计算基坑内侧方向以及基坑外侧方向的抗弯性能(此处忽略轴力)，则有σ内=Mn/Wx=189.302/(2270.000×10-6)=83.393(MPa)<f=295MPa，满足要求。σ外=Mw/Wx=126.182/(2270.000×10-6)=55.587(MPa)<f=295Mpa，满足要求。基坑围护结构整体的稳定性验算在运用有效应力法条件下采用瑞典条分法，条分法用到的土条宽度取0.50m。通过计算基坑模型滑裂面的相关数据得到围护结构整体的稳定性安全系数Ks=1.37>1.30，满足规范要求。根据支护类型、材料抗力及锚固力，计算对基坑支护结构底面弯矩的抵抗倾覆的稳定性进行，通过被动土压力以及支点力对围护桩底部的抵抗倾覆的弯矩与主动土压力对围护桩底部的倾覆弯矩的比值，算得开挖支护过程中最小安全系数发生在第一次完成且支护前，为4.21，大于1.2，满足要求。根据基坑被动土压区抵抗倾覆作用力的弯矩总和与主动土压区抵抗倾覆作用力的弯矩总和的比值，计算最底面一层支撑的即踢脚破坏的抵抗倾覆的稳定性，算得开挖支护过程中最小安全系数发生在开挖完成后，为2.02，大于1.2，满足要求。支护底部及深度15.7m处，抗隆起系数分别为5.266和2.733，大于1.6，满足要求。根据作用在钢板桩入土段长度的基坑内侧的土压力均远小于被动土压区合力，入土段长度基坑内侧土压力验算满足要求。

3.2内支撑计算

利用MidasCivil2020有限元分析软件建立模型，对围檩支撑受力及变形进行计算。第一道钢支撑间距4m，取最大支撑轴力为166.01×1.25=207.5kN，转化为围檩线荷载为51.9kN/m，有限元分析如图3所示。由计算可知，基坑围檩及内支撑最大位移为1.3mm＜L/400=10mm，符合要求；基坑围檩及内支撑最大应力为33.9Mpa＜215Mpa，满足要求。第二道支撑围檩为双拼400H型钢，支撑为φ609×16钢支撑，间距4m，取最大支撑轴力为767.85×1.25=959.8kN，转化为围檩上的线荷载为239.95kN/m。有限元分析如图4所示。由计算可知，基坑围檩及内支撑最大位移为3.2mm＜L/400=10mm，符合要求；基坑围檩及内支撑最大应力为81.5Mpa＜215Mpa，满足要求。

3.3牛腿计算

利用MidasCivil2020有限元分析软件建立模型，计算牛腿变形及应力情况，计算结果如图5和图6所示。采用21mm厚钢板切割成的四边形做为钢牛腿，尺寸为550mm×250mm×150mm，焊接固定在钢板桩上。按照实际牛腿位置分别计算各牛腿受力，得出第一道支撑牛腿最大支反力为13.6kN，牛腿最大应力为10.5Mpa＜215Mpa，满足要求；牛腿最大变形为0.05mm，满足要求。第二道支撑牛腿最大支反力为21.6kN，牛腿最大应力为16.7Mpa＜215Mpa，满足要求；牛腿最大变形为0.09mm，满足要求。

4基坑监测结果分析

根据相关技术规范的要求，并结合本基坑工程的支护形式及周边环境的特点，对本工程进行钢板桩围护结构的深层桩体水平方向位移、基坑周边地表的沉降变化、钢板桩桩顶的水平及竖向位移、支撑轴力等现场监测[6]。重点对钢板桩围护结构的深层桩体水平方向位移及周边地表的沉降变化进行数据分析。

4.1围护结构深层水平位移监测由于基坑北侧邻近既有公路，因此选取基坑东部测点为研究对象，东侧共布置5根测斜管，本文选取桩身位移累计最大值C2测斜管进行分析，并绘制支护桩深层水平位移曲线如图7所示（图中“+”表示坑外，“-”表示坑内）。由围护桩深层水平位移曲线可以得到：①基坑开挖土方后，坑内土体抗力减小，基坑外侧土体有向坑内运动趋势；②围护桩深层水平位移累积最大值为-2.8mm，发生在邻近公路一侧C2测斜管位置；③基坑开挖施工对围护结构深层水平位移影响不大，所有监测点累积变化均在允许范围内，数据稳定，整体符合桩中部向坑内变形规律。个别点突变除考虑人为误差外，更多是由于现场坑边堆载变化导致，部分点、部分时间段因遮挡测值出现间断，但整体规律一致。

4.2地表沉降监测选取基坑东部一排地表沉降点进行分析，监测点分别距离基坑东侧5m、10m、15m、20m和25m，监测数据变化曲线如图8所示（图中“+”表示上升，“-”表示下沉）。从周边各地表沉降监测点垂直位移累积变化曲线图可以得到：①监测点DB1-1的累积变化最大，累积变化值为-6.5mm；②监测点DB1-5、DB1-6的沉降变化很小，说明基坑土方开挖对土体的影响范围主要在两倍基坑深度范围内；③通过地表沉降监测发现，所有监测点累积变化均在允许范围内，曲线整体变化平缓稳定，个别点突变是由于现场坑边堆载变化及天气原因导致，但整体规律一致。

5结论

采用MidasCivil等有限元分析软件对某邻近公路深基坑支护工程进行结构计算、内支撑计算及牛腿计算，并通过监测进行数据分析，得出如下结论。①地表沉降数值模拟计算结果较实测值偏大，说明理论计算安全系数较大，实际施工中可结合地质情况进行优化。②围护结构深层水平位移规律整体符合基坑中部向内侧变形趋势，基坑土方开挖对土体的影响范围主要在两倍基坑深度范围内。③基坑变形对基坑周边堆载敏感，施工中应尽量避免大型机械设备、材料等停放于基坑周边。

参考文献

[1]孔茜,杨睿.钢支撑滞后施工对基坑支护体系的影响研究[J].隧道建设,2021,41(12):2113-2121.

[3]周政,姚爱军.邻域超大附加荷载深基坑空间效应及变形控制[J].防灾减灾学报,2021,37(04):23-30.

[4]李广,杨泽平,张敏思,等.复杂环境下深大基坑逆作法拉森钢板桩支护设计[J].建筑结构,2021,51(22):141-146+108.

[5]朱湘旭,徐昭辰,章定文,等.硬质地层中偏压基坑支护结构受力特性研究[J].岩土工程学报,2021,43(S2):166-169.

[6]徐爽,李俊才,滕晓军,等.南京长江漫滩区某超大深基坑支护与监测结果分析[J].南京工业大学学报（自然科学版）,2022,44（01）：107-113.

作者:邓盛双 单位:中交一公局第一工程有限公司