杨 超，杨皓东,，程玉柱，涂刚要

(1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601； 2.合肥建工集团有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概况

拟建项目位于合肥市，基坑长约210m，宽约200m，开挖深度11.00～18.40m，基坑北侧、南侧及西侧采用放坡+灌注桩+斜撑支护，基坑东侧采用逆作法支护形式。东侧逆作法区域和支护区域内基坑总长210m、宽31.6m，呈南北向较长的长方形，基坑东侧开挖边界距离已建33层住宅小区仅8.8m。

2 基坑支护设计

2.1 结构选型设计

基坑安全等级为一级，安全等级系数为1.1。因基坑东侧的情况较为复杂，故对其进行特殊设计，考虑以下方面：①地下连续墙有较好的止水效果，但施工工艺复杂、造价高昂，且本工程地下水位深，可采用承载能力较强的排桩设计；②基坑距离东侧已建33层住宅小区仅8.8m，不可越界，故无法采用锚索支护；③基坑属于大基坑支护类型，对围护桩的尺寸、布桩密度和排距均有较高要求；④逆作区内部框架梁与围护桩间距较大，需设置相应的内支撑结构。综合各因素考虑采用3排灌注桩配合水平钢支撑进行支护。沿3排支护桩横纵向设立冠梁和连梁，均采用C30混凝土浇筑。钢支撑长度取为4.5m,沿基坑方向水平间距取为4.5m,采用Q345钢材。东侧支护设计剖面及支护桩配筋如图1所示。

图1 基坑东侧支护设计剖面

2.2 结构经济可行性分析

该支护方式主要采用排桩和H型钢支撑两种构件。东侧已建小区因建设需要已打下2道排桩支护，因此减少了本支护方案2道排桩施工，在造价上更为合理，减少了资源浪费，缩短了工期。而H型钢支撑因构件的特殊性需要在厂家定制，造价约3 800元/t，在价格上与钢筋混凝土支撑相比并不占优，但具有安装便捷、工期短、自重轻等优点，在经济性上考虑该基坑支护方案可行。

3 支护桩承载力验算

3.1 计算模型

因实际工程构造较为复杂，为了使计算合理与设计安全，故将3排桩支护结构简化为双排桩模型，以最后一排桩作为安全备用桩。本文选取的计算模型依据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》中所给出的双排桩平面钢架模型，如图2a所示。由于本工程含有内支撑结构，将模型简化为如图2b所示。钢支撑所在位置处简化为刚度为KR的弹簧支座。前排桩嵌固端土体及桩间土简化为水平向土弹簧，桩端简化为竖向连杆，连梁视为刚度无限大的刚体。基坑外侧承受朗肯主动土压力Pak作用，基坑内侧承受分布土压力PS作用，桩间土两侧承受初始压力Pc0作用。b0，ba分别为前后排桩的土压力计算宽度，两者计算时均取桩间距。

图2 双排桩计算模型

双排桩外侧受到朗肯主动土压力Pak的作用，内侧受到分布土压力的PS的作用，表达式如下：

(1)

PS=ksv+σPka

(2)

前后排桩间土体对桩侧有一对大小相等方向相反的初始压力Pc0：

Pc0=(2α-α2)Pak

(3)

带内支撑计算模型中钢支撑对排桩的作用力Nk：

Nk=KRν

(4)

本工程中东侧临近建筑物，需考虑基础对土体的作用Δσk:

(5)

各式中主要参数解释详见《建筑基坑支护技术规程》。

双排桩支护结构采用平面杆系结构弹性支点法计算支护结构受力变形，可计算出桩顶位移，有以下挠曲线微分方程：

(6)

(7)

式中：Z为排桩顶部至计算点距离；h为工况下基坑开挖深度。

3.2 最不利工况的选取

基坑支护结构体系选取受力状态最不利的2个工况进行分析。①工况1(见图3) 逆做区内部框架已形成，支撑框架与围护结构设置第1道钢支撑后，开挖地下1层土方至地下2层梁板标高-7.550m处，距离围护桩桩顶6.75m。②工况2(见图4) 支撑框架与围护结构设置第2道钢支撑后，基坑继续开挖至坑底标高-11.800m处，距离围护桩桩顶11m。

图3 工况1

图4 工况2

3.3 土压力计算

依据DB34/T 5079—2018《建筑工程逆作法技术规程》，支护结构顶端施工荷载q1取为30kPa，基坑东侧建筑物荷载通过式(5)计算q2为140kPa，总荷载q0=q1+q2=170kPa。根据3.1节的土力学计算公式，分别求得工况1,2下的每延米土压力计算值如图5,6所示。

图5 工况1下土压力分布

图6 工况2下土压力分布

两种工况下基坑外侧主动土压力合力的标准值Eak为1 789.27kN,合力作用点至挡土构件底端的距离Za为9.01m。工况1基坑内侧被动土压力合力的标准值Epk=5 613.6kN、合力作用点至挡土构件底端的距离Zp=5.71m。工况2基坑内侧被动土压力合力的标准值Epk=3 166.3kN,距离Zp=4.15m。

3.4 支护结构承载力验算

3.4.1计算公式

支护结构构件或连接因超过材料强度或过度变形的承载能力极限状态设计，应符合下式要求：

1)支护桩弯矩验算

(8)

2)支护桩剪力验算

(9)

3)钢支撑轴力验算

N=γ0γFNK≤RK=φAf

(10)

式中：MK，VK，NK分别为支护桩在荷载作用下计算出的弯矩值、剪力值和钢支撑的轴力值；RM，RV，RK分别为支护桩的弯矩、剪力的抗力值和钢支撑的轴力抗力值；式(8)中的其余参数解释见 《建筑基坑支护技术规程》；式(9)中的其余参数解释见《混凝土结构设计规范》；式(10)中的其余参数见GB50017—2017《钢结构设计标准》。

由支护桩配筋及H型钢的规格，通过式(8)及式(9)计算出围护桩正截面受弯承载力设计值RM=1 985kN/m、斜截面受剪承载力设计值RV=946kN；由式(10)计算出钢支撑轴心受压承载力设计值RN=6 018kN。

3.4.2不加内支撑时的承载力验算

当采用不加撑的支护结构时，采用图2a计算模型，基坑采用一挖到坑底的情况，故仅考虑工况2土压力荷载。通过式(6)，(7)及运用理正7.0软件计算出结构受力，解得前后排桩位移分别为161.74，161.72mm，均发生在桩顶处；MK分别为2 215.32，2 193.25kN;VK分别为1 072.30，410.62kN。依据GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》规定，围护桩最大桩顶位移为0.2%H=22mm(H为基坑深度)，因161.74mm>22mm,不满足规范要求。因桩顶位移偏大，故围护桩加内支撑结构是必要的。

3.4.3加内支撑时的承载力验算

当采用加内支撑的支护体系时，采用图2b计算模型，通过钢支撑参数计算出KR=157 138.6kN/m。

3.4.3.1工况1下承载力验算

同理计算出前后排桩桩身最大水平位移分别为9.58,8.96mm;桩顶最大水平位移为7.67mm;首层钢支撑支点处的位移值ν=8.18mm;MK分别为585.14，229.09kN/m;VK分别为425.54,100.81kN。

1)位移验算

双排桩桩身最大水平位移为9.58mm<22mm，满足要求。

2)弯矩验算

通过式(8)计算弯矩设计值M=804.5kN/m

3)剪力验算

通过式(9)计算剪力设计值V=585.1kN

4)钢支撑轴力验算

钢支撑所受轴力NK=1 285.3kN，通过式(10)计算钢支撑轴力设计值N=1 767.2kN

3.4.3.2工况2下的承载力验算

同理计算出前后排桩桩身最大水平位移分别为11.71，13.23mm;桩顶最大水平位移为8.02mm;首层及地下层钢支撑支点处的位移分别是ν1=9.91mm，ν2=11.28mm；MK分别为496.38，250.87kN;VK分别为526.18，156.10kN。

1)位移验算

桩身最大水平位移为13.23mm<22mm，满足要求。

2)弯矩验算

MK为496.38kN/m，小于工况1下的弯矩计算值，故不再验算。

3)剪力验算

同理依据公式得V=682.5kN

4)钢支撑轴力验算

根据ν1=9.91mm，ν2=11.28mm，分别求得首层、地下1层钢支撑所受轴力NK1，NK2为1 557.2，1 772.5kN。取较大值NK2计算钢支撑轴力设计值N=2 437.1kN

3.5 支护结构稳定性验算

带内支撑的双排桩结构嵌固稳定性计算公式如下：

(11)

式中：KQ为抗倾覆稳定性系数；Kem为嵌固稳定安全系数；Ti为内支撑材料抗力，取1 337.33kN/m;G为排桩、桩顶连梁和桩间土的自重之和，取1 684.98kN；ZG为双排桩、桩顶连梁和桩间土的重心至前排桩边缘的水平距离,取2.5m；ZTi为内支撑距离挡土构件底端的距离。

将工况1、工况2下的土压力计算值及有关参数代入式(11)得两种工况下的KQ分别为3.85，3.95，均>1.25，满足规范要求。

3.6 周边建筑物沉降验算

周边地表沉降计算采用DB34/T 5079—2018《建筑工程逆作法技术规程》中的经验预估计法计算，计算得东侧小区预估沉降量为6.9mm。依据《建筑基坑工程监测设计规范》规定，邻近建筑物最大竖向位移为60mm,可得计算沉降量满足规范要求。

4 监测点布置及相关数据分析

4.1 监测点布置方案

4.1.1桩顶水平位移监测

结合本工程实际情况，在冠梁上布置6个水平位移监测点，由北至南依次命名为QW14～QW19,进行监测并记录数据。

4.1.2围护桩体深层水平位移监测

由北至南于前后排桩位置处布置10个测斜管，相邻测斜管间隔25m，前、后排桩依次编号CX9～CX13,CX14～CX18。采用测斜仪进行测量并绘制监测曲线。

4.1.3钢支撑轴力监测

选取4道首层水平钢支撑进行轴力监测，由北至南依次编号1～4号，测点间距离<25m,于每个测点处布置1个表面应变计通过导线与应变采集仪进行连接来记录钢支撑轴力变化值，并绘制轴力变化曲线。

4.1.4建筑物沉降监测点

利用邻近建筑物原有沉降监测点，距离最外侧围护桩约11m处，在每栋建筑物布置2个监测点，本工程东侧4栋楼共布置8个监测点。由北至南各栋编号为JC01～JC08。

4.2 监测数据分析

4.2.1桩顶水平位移监测数据分析(见图7)

分析图7中数据可得各测点累计桩顶水平位移平均值为8.6mm，与最大值相差1.8mm，与最小值相差1.2mm，且最大值仅占水平位移限值22mm的47%，平均值仅占水平位移限值的39%。数据表明基坑东侧桩顶水平位移变化一致，运用该支护方案有效减少了桩顶的水平位移。

图7 桩顶水平位移

4.2.2桩体深层水平位移数据分析

在桩体深层水平位移监测中，仅有CX9和CX13两处监测点成功，数据曲线如图8所示。CX9曲线中最大值为11.4mm，于桩身4m处，占水平位移限值22mm的51%，累计最大水平位移发生在两层钢支撑之间，说明了此时钢支撑结构起到支承作用，有效地减少了桩体的位移；CX13曲线中最大值为8.88mm,于桩身7m处，占水平位移限值的40%，说明随着开挖深度的增加，此处桩体承受的主动土压力随之增加，被动土压力随之减少，桩体承受更大内力。

图8 桩体深层水平位移

4.2.3钢支撑轴力监测数据分析

施工过程中钢支撑对应的轴力监测值如表1所示。由表1可知，4号钢支撑承受最大轴力为1 276.78kN;4根钢支撑最大轴力平均值为1 017.13kN;监测轴力最大值与工况2下的钢支撑轴力计算值1 557.2kN相差280.42kN，分析原因有：①本工程实际采用3排桩的基坑支护方式与双排桩模拟计算存在差别，故监测值小于计算值；②计算采取的荷载值有施工荷载和建筑物荷载存在实际误差，故计算值大于监测值。轴力监测最大值仅占承载能力设计值6 018kN的21%，平均值占承载能力设计值的17%，可知本工程采用的型钢规格满足安全性要求。

表1 钢支撑荷载测试结果 kN

4.2.4周边建筑物沉降监测数据分析

由监测数据可知东侧小区沉降量累计最大值为-6.7mm,平均沉降量为-5.9mm,两者分别占沉降限值60mm的11%和9.8%，可知该支护方式有效地减少了邻近建筑物沉降。

5 结语

本文以合肥典型逆作法超大深基坑工程为例，结合基坑支护方案下不利工况的选取，通过理正7.0软件计算，对排桩位移和型钢内支撑反力进行详细研究，并与工程实际监测结果进行对比分析，可得出以下主要结论。

1)该基坑工程采取3排悬臂灌注桩+内部水平H型钢内支撑支护体系形式，有效地降低了基坑开挖过程中的土体变形，减少了邻近建筑物沉降，对周边环境起到了很好的保护作用。

2)通过不加撑情况下的验算发现排桩位移不满足规范要求，确定了加撑的必要性。通过加撑支护方案下的内力验算结果说明支护桩配筋下的变形、受弯和受剪能力是满足承载力要求的。

3)运用理正7.0软件计算出两次工况下桩顶最大水平位移为8.02mm，而实际监测值为10.4mm，相差2.38mm;前排桩桩身最大水平位移计算值为11.71mm，与实际监测桩体深层水平位移值11.4mm相差0.31mm,说明本工程采取的计算模型是贴合工程实际的。

4)在基坑支护方案的选择中应综合考虑，在满足结构受力变形的条件下进行必要的经济性分析，确保基坑项目在合理的工程预算范围内得以顺利实施。