PAGE8深基坑排樁內支撐支護方案設計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u6566深基坑排樁內支撐支護方案設計案例概述 1281791.1深基坑支護方案設計原則 14501.2實際工程中深基坑支護方案選擇 215371.2.1排樁內支撐支護結構確定 294241.2.2排樁內支撐支護結構參數 3187951.3深基坑內撐式排樁支護數值模擬 434421.3.1有限差分軟件FLAC3D簡介 4197221.3.2基坑開挖數值分析模型的建立 4183491.3.3數值模擬結果分析 91.1深基坑支護方案設計原則（1）施工的安全性深基坑支護結構方案的選擇應與基坑的實際工程相結合，因此應根據技術安全性和可行性的兩個重要標準進行選擇。（2）周圍環(huán)境的影響目前，許多深層基礎工程位于繁華的市中心地區(qū)。如果支撐系統(tǒng)嚴重變形，將對周圍建筑物造成不同程度的損壞。因此，必須確保支撐結構以確保穩(wěn)定性，周圍結構和地下管線的變形也應控制在允許的范圍內。（3）施工工期及經濟性深基坑的施工計劃會對施工周期產生一定的影響。因此，在選擇方案時，不僅要保證自身的穩(wěn)定性，不影響工程的施工，而且要在截止日期前完成施工。此外，所選計劃的經濟性也是一個重要指標。不僅要考慮安全性，而且還要使工程成本盡可能低。如果要完成深基坑支護方案的設計，則需要查閱大量相關信息，以便為優(yōu)化設計提供理論依據。具體是基于以下三個方面：①基坑的大小，即深基坑的深度和寬度；②工程地質勘察報告；③基坑周圍的環(huán)境條件，包括受基坑施工影響的地區(qū)的道路和建筑（構筑物）。1.2實際工程中深基坑支護方案選擇1.2.1排樁內支撐支護結構確定深基坑開挖有兩種類型，支護開挖和無支護放坡開挖。當周圍環(huán)境允許時，應首先選擇無支護的放坡開挖。當周圍環(huán)境不支持放坡開挖時，應選擇一種開挖支護結構方案。選擇的支護開挖結構方案不僅要求支護系統(tǒng)本身穩(wěn)定，而且要求支護系統(tǒng)安全，可靠且經濟以響應周圍環(huán)境。因此，深基坑支護方案的選擇應根據基坑開挖的幾何形狀、周圍環(huán)境條件、場地的地質條件和地下水條件，并結合基坑施工工期、施工安全性和便利性要求而定，在安全性和可靠性的基礎上，對支護方案進行優(yōu)化。深基坑支護方案優(yōu)化研究是深基坑支護優(yōu)化設計的第一步。其目標是在有限數量的可行計劃中選擇最佳計劃，即在幾個可行計劃中選擇最合理的計劃，確保安全可靠，施工順利，縮短工期，帶來可觀的經濟效益和社會效益。目前，尚無明確的決策機制來制定深層基坑支持制度。在大多數情況下，使用經驗豐富的專家進行定性分析。在本工程項目中，組裝廠T1地段設有2層滿鋪地下室，地下室底板埋深為8.30m，地下室底板頂面標高為-0.10m，底板底面標高為-0.60m（地下室底板厚度按0.50m考慮），基坑大部分地段開挖深度約6.87～7.28m,基坑開挖后地下室底板落在③粉砂層上，開挖的土層為①雜填土②淤泥質土和③粉砂。本基坑為深基坑，基坑四周與周邊建（構）筑物距離較小，開挖的土層以砂土為主，基坑開挖不能直接采用放坡開挖方案，應采用設置合理的垂直支護體系下的開挖方案，以保證基坑工程安全和周邊建（構）筑設施的安全使用。根據場地工程地質條件及環(huán)境條件，結合本地區(qū)的深基坑支護設計、施工經驗，本項目基坑開挖支護建議采用柱列式排樁+內支撐（鋼管）方案進行支護。當時支護方案選擇的時候，還考慮其他幾種方案：柱列式排樁+錨索和柱列式排樁+內支撐（鋼筋混凝土）。柱列式排樁+錨索方案由于錨索施工時錨固段會超出場地紅線，根據規(guī)范要求和施工安全，所以該方案在設計和施工時是不允許使用的；柱列式排樁+內支撐（鋼筋混凝土）本來是可以使用的設計方案，且對圍護結構的水平位移、支護結構的彎矩和剪力控制的最好，但采用鋼筋混凝土的內支撐時，施工工期相對鋼支撐較長，且成本造價也較高，綜合施工工期及成本造價的問題，該方案在選擇的時候被甲方否定。綜合考慮，最終該項目的基坑支護方案定為柱列式排樁+內支撐（鋼管）。本項目支護方案：排樁樁型可采用SMW工法，樁的入土深度應按有關規(guī)范規(guī)定進行穩(wěn)定性驗算（包括支護結構整體穩(wěn)定性、坑底抗隆起、抗?jié)B流抗管涌等）后綜合確定，建議水泥土攪拌樁入土深度應進入④、⑤或⑥-1粉砂層。為了減少排樁的入土深度同時增強支擋結構的整體穩(wěn)定性，建議于坑內設置3道水平內支撐系統(tǒng)，水平內支撐可選用鋼管進行對撐、斜撐及轉角支撐等,同時為保證基坑側壁的穩(wěn)定性，在排樁樁頂應設置冠梁連接，由于地下室范圍較大，在地下室中間地段還應設置一定數量的立柱以支撐水平內支撐系統(tǒng)，如圖1.1所示。圖1.SEQ圖4-\*ARABIC1內支撐支護結構示意圖1.2.2排樁內支撐支護結構參數該工程組裝廠房T1位于福州市馬尾區(qū)儒江西路北側，擬支護基坑東西長122.95m，南北長60.25m，設計開挖深度7.3m。本工程擬支護方案為：采用排樁+內支撐支護方案，排樁樁型為SMW工法樁。SMW工法樁采用HN700*300*13*24型鋼，三軸水泥土攪拌樁850@600，型鋼跳孔布置，間距1200mm。SMW工法樁長26m，進入⑥粉砂層不小于1m，冠梁截面0.8m×0.6m，采用C30混凝土?；娱_挖支護設計參數見表1.1。表1.SEQ表4-\*ARABIC1基坑開挖支護設計參數層號巖土層名稱天然重度直接快剪固結(1h)快剪滲透系數靜止側壓力系數粘聚力內摩擦角粘聚力內摩擦角KN/m3KPa°KPa°cm/s-①雜填土17.56.012.08.013.07.9×10-30.50②淤泥質土16.96.65.7011.79.605.58×10-80.75③粉砂17.8-18.0-22.08.0×10-30.45④淤泥質土16.96.88.9011.211.203.88×10-80.75⑤粉質粘土19.718.511.820.610.802.00×10-70.60⑥-1粉砂17.9-19.0-21.09.0×10-30.451.3深基坑內撐式排樁支護數值模擬1.3.1有限差分軟件FLAC3D簡介FLAC3D是ITASCA在美國為土木、水利、環(huán)境工程和其他領域開發(fā)的通用三維有限差分程序。它可以分析各種復雜的問題，并且可以輕松地進行巖石，土壤和其他結構材料的三維數字分析模擬。在模型分析中，可以選擇使用線性或非線性組成模型來模擬具有不同特性的構件材料。FLAC3D軟件的預處理功能相對較差，通常很難處理復雜的3D模型。但是，FLAC3D仍然具有其獨特的優(yōu)勢，已被廣泛用于巖土工程和地下工程的設計和科學研究中。它的主要優(yōu)點是：（1）利用“混合離散法”模擬和分析巖土工程問題中的塑性流動和塑性破壞，比通常在有限元分析中使用的“離散分析法”更為精確和合理（2）在模擬問題時使用動態(tài)運動方程，以便可以輕松地模擬物理學中的不穩(wěn)定過程。（3）在解決方案中采用顯式計算方案，并且在計算過程中不應存儲剛度矩陣。因此，當解決相同的非線性問題時，FLAC3D比有限元程序需要更少的內存和時間，并且需要更少的計算機內存，同時為用戶節(jié)省了大量時間。FLAC3D中包括12種基本的本構關系模型，分別屬于空、彈性和塑性三個組。其中，空組（null模型）一般用來表示開挖及被移除的材料。彈性組包括3個彈性模型（各向同性彈性模型，橫觀各向同性彈性模型和正交各向異性彈性模型）。FLAC3D提供了各種不同的結構單元來模擬巖土工程中的結構要素。這些結構單元主要包括：梁的結構單元、錨索的結構單元、樁的結構單元、殼的結構單元、土工格柵的結構單元和襯砌的結構單元。彼此相連，并且有些需要與地層網格有關系，以便模擬不同巖土組件之間以及巖土組件與地面之間的相互作用。1.3.2基坑開挖數值分析模型的建立本節(jié)的主要目的是分析排樁支撐的基坑的變形和受力規(guī)律，在分析中不考慮軸向力的施加。建立數值分析模型時，應根據基坑設計的實際土層條件和基坑的平面尺寸，確定計算所需的參數和模型的最終模擬范圍。具體的分析過程主要包括確定模型的大小，確定土層和支撐結構參數以及模擬土的初始應力。1.3.2.1基坑模型尺寸的確定設計模型的大小應根據基坑和周圍環(huán)境條件確定。從以前的深基坑三維數字模擬計算和實測數據可以看出，基坑開挖對土體沉降的影響范圍一般不超過開挖深度的5倍。基坑平面范圍越大，沉降影響范圍越大；基坑的縱橫比越大，長邊基坑外部沉降的影響范圍越大。在數值模擬分析中，影響寬度通常被認為是開挖深度的3到4倍，影響深度通常被認為是開挖深度的2到3倍。具體情況根據工程地質條件的要求和計算的準確性確定。通常認為，當工程地質條件更好且對計算精度的要求較低時，將使用較高的值，反之亦然。考慮模型的對稱性以及為了減少網格數量進而減少計算機運算時間，為了保證計算結果的合理性，同時又能保證運算能夠順利運行，根據基坑尺寸，取420x270x48m（長x寬x深）建立有限元模型，同時基坑開挖部分是重點關注部分，所以細化單元，單元尺寸取2m，土層部分整體尺寸較大，為保證計算的合理性，節(jié)約運算資源，單元尺寸取6m。由于基坑內部比較復雜，所以采用混合網格生成器，三維模型經離散后共有節(jié)點274865個，單元249480個。計算模型如下圖所示。圖1.SEQ圖4-\*ARABIC2flac3d基坑計算模型計算模型的邊界條件確定如下：地面邊界是自由邊界，底部受固定端約束，模型的截斷邊界在橫向上受到約束，僅法向水平位移受到約束。在本章的模型中，z=0.0m時，約束是固定的。在x=0.0m且x=420.0m時，僅約束x方向上的位移；在y=0.0m和y=270m時，僅y方向的位移是受約束。深基坑水泥攪拌樁直徑為0.85m，樁間距為0.6m。盡管排樁支撐結構由單樁組成，但其作用力形式類似于連續(xù)的地下墻并且樁間距偏小，并且冠梁和圍檁增加了樁排的完整性。因此，通過相等的彎曲剛度原理，排樁的支撐結構可以轉變?yōu)橐欢ê穸鹊牡叵逻B續(xù)墻。假設排樁的直徑為D，樁之間的自由距離為t。在轉換相等的剛度之后，單個樁相當于長度為（D+t）的連續(xù)地下墻，轉換后的壁的厚度為h。在計算簡化過程中忽略了實際存在的鋼筋，相當于降低了等效連續(xù)墻的強度，因此等效墻厚需要乘以“修正系數”K才能更加真實地反映出圍護結構的強度，通過試取多個系數，發(fā)現取修正系數K=1.3較為合適。所以，本項目等效厚度應乘以校正系數K，在此處，校正系數K等于1.3。在該項目中，基坑外圍使用水泥攪拌樁加工字鋼作為圍護結構?？梢詸M向使用這兩種材料來增加結構的完整性，同時確保更大的剛度。為了方便進行有限元建模，將結合有工字鋼和水泥攪拌樁的圍護結構等效成矩形截面的連續(xù)墻中，基于等效剛度的原理，彈性模量保持不變，根據慣性方程，連續(xù)墻截面的厚度h=0.68m。根據規(guī)范規(guī)定，基坑應分層開挖，每次開挖深度不大于1.0m。（4-1）即 ?=k×3將D=0.85，t=1.2，K=1.3代入式（6-2）中：?=1.3×3等價后的連續(xù)墻即內支撐模型中的網格生成圖如圖1.3所示。圖1.SEQ圖4-\*ARABIC3基坑的支護結構模擬1.3.2.2土層和支護結構參數本文模型土體采用八節(jié)點六面體（brick）的實體單元進行模擬分析。由于基坑工程的支護結構一般為臨時性工程，工期偏短，則在對基坑進行分析時不需要考慮基坑的排水條件，然后對基坑工程實行總應力分析，對應的土體參數采用總應力指標，不考慮在圍護結構施工時對土體的干擾，采用摩爾庫侖模型作為基坑支護進行分析計算。各層土體的物理力學計算參數如表1.2所示。表1.SEQ表4-\*ARABIC2巖土物理力學計算參數（固結快剪）土層名稱重度（）粘聚力（）內摩擦角（）彈性模量（）泊松比（）雜填土17.58.01360000.38淤泥質土116.911.79.635000.38粉砂117.8-22210000.30淤泥質土216.911.211.245900.30粉質粘土19.720.610.8180000.32粉砂217.9-24200000.30表1.SEQ表4-\*ARABIC3支護結構計算參數支護結構名稱彈性模量（）泊松比（）地下連續(xù)墻2100.2內支撐2100.21.3.2.3開挖土體初始應力場模擬初始地應力的確定是設計和巖土計算中必須分析的關鍵環(huán)節(jié)。初始地應力場是巖石和土體經歷各種地質作用和應力變化的結果，并且是基坑開挖之前土體的原始應力狀態(tài)，基坑施工階段的所有分析和計算都是利用該現場應力場進行的。初始現場應力場將直接影響計算結果的準確性。目前，確定初始地應力場的主要方法有兩種：一種是根據部分測得的應變數據通過反分析獲得的，但這種方法有其局限性，僅用于地下工程，理論并不完美，因此使用較少；第二個是通過對已知點的土體應力測量值進行簡單回歸分析得出的，該地面應力值通常具有某些區(qū)域特征，并且應力分布函數根據區(qū)域而有所不同。數值分析模型中有兩種施加初始應力的方法：一種是對土體施加自重載荷，同時在相應的邊界上施加表面力載荷，并將獲得的場應力用作初始原位應力場；另一種是模擬土坡開挖過程用于獲得初始土應力場。在本文中，第一種方法用于在開挖地面之前模擬初始應力場，然后“擦除”計算出的位移場。同時，此時的應力場被認為是基坑分析的初始狀態(tài)，以確保隨后的位移和僅通過基坑開挖計算出的應力結果。圖1.SEQ圖4-\*ARABIC4基坑初始應力模擬1.3.3數值模擬結果分析1.3.3.1地表沉降分析圖1.5為基坑地表的豎向位移圖，從圖中可以看出，地表在基坑開挖的過程中逐漸下凹，在遠離基坑邊緣地表下沉逐漸減小，最終趨于平緩，沉降云圖呈波紋式向外擴散。地表豎向位移達到最大值的位置位于基坑底部，最大位移值達到80mm。基坑周圍的沉降影響范圍大概是在30m左右，可能是由于加了圍護結構所導致的，因此土體的變形也相對較小?；由喜康某两抵底畲鬄?2mm左右，從設計上來看也較為合理。圖1.SEQ圖4-\*ARABIC5基坑周邊地表沉降位移云圖1.3.3.2圍護結構水平位移分析在不同截面高度下，圍護結構水平位移