卜飞

（山西省勘察设计研究院有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

基坑工程一直以来都是一个受到广泛关注与研究的热点课题，也是一个专业性和综合性都较强的难题，其主要和岩土工程和结构工程的内容相关。

伴随着时代的进步，基坑支护的结构形式也是多种多样。基坑结构设计面临两大问题，一个是安全性问题：基坑施工中的事故屡见不鲜，其根本原因是，理论与实际差距，理论对实际工程的指导意义较差；另一个是经济性问题：实际工程中，为了确保基坑支护结构的安全性，造价往往会很高，存在浪费资源和降低效益的情况。也就是说，目前基坑支护结构设计存在较多不合理的地方，必须加强对基坑支护结构的优选工作，其意义重大[1]。

1 工程概况

拟建建筑物为医院综合楼，地下三层，其基坑底标高768.780m，场地地面标高784.780m左右，基坑深度为16.0m。

1.1 周边环境条件

基坑北侧为医院现有办公楼，地上6层，地下1层，基坑上口距办公楼10m，办公楼与基坑之间为2层锅炉房、CT室；西侧为太原市公证处办公楼，地上6层，地下1层，基坑上口距办公楼8～10m；南侧为天平东巷，路南为山西省机械进出口公司办公楼，地上7层，地下1层，基坑上口距办公楼18.7m；东侧紧邻26层高层住宅楼，地下1层，基坑上口距围墙3.0m，距建筑物10.0m[2-3]。

1.2 地质条件

根据野外钻探、原位测试及室内土工试验结果，在基坑深度相关范围内场地地基土自上而下如表1所示。

表1 地质情况

1.3 水文地质条件

场地地下水类型为潜水及承压水。第3层粉质黏土以上为潜水，主要含水层为第1层杂填土和第2层粉土，主要接受大气降水入渗补给及地下水侧向径流补给，勘探期间测得场地潜水稳定水位埋深在现地面下1.65～2.00m之间，稳定水位标高在782.90～783.45m之间。第3层粉质黏土以下为承压水，主要含水层为第4层细砂、第6层细砂、第8层细砂、第10层圆砾、第12层细砂及第14层细砂，主要接受侧向径流补给，地下水由东向西向下游径流，最终排向汾河。勘探期间测得场地承压水稳定水位埋深较场地潜水稳定水位埋深低约1.5m，承压水稳定水位标高在781.40～781.95m之间。勘察期间为枯水期[4]。

2 基坑支护结构设计与施工

该工程基坑支护结构采用“桩撑”结构形式，本节对方案优选和结构施工进行分析。

2.1 支护方案优选

由于本方案已拟定采用“桩撑”支护结构，所以通过优选支护桩的直径以及优选支护桩的桩长来进行支护桩的优选设计，具体优选结果见表2。

表2 支护方案优化表

根据相关规范要求，如果是安全等级为一级的深基坑工程，基坑周边的地表沉降应在25～35mm的区间内。在对于基坑抗隆起安全系数的计算中，普朗德尔公式计算得到的抗隆起安全系数不应小于1.10，太沙基公式计算得到的抗隆起安全系数不应小于1.15。嵌固深度安全系数不应小于1.30。根据基坑支护设计规范及设计原则，综合得出“桩撑”结构的最优方案，即：支护桩直径为1m，桩嵌固深度为7m。

2.2 支护结构设计

根据最优支护方案，基坑支护平面如图1所示。

2.2.1 支护桩

支护桩采用混凝土灌注桩，桩径900mm，桩长33m/29m，桩间距1.3m，桩顶标高783.78m，混凝土强度等级C30。支护桩顶设冠梁，梁宽1200mm，高1000mm。桩受力主筋混凝土保护层厚度50mm。支护桩截面图2所示。

2.2.2 支撑

基坑采用三道混凝土支撑，内支撑中心线标高为783.280m/777.08m/772.48m。支撑梁与支护灌注桩之间设腰梁，支撑各支点设钢格构柱，水平面设联系梁。主支撑采用1000mm×950mm/1100mm×950mm 混凝土支撑，联系杆为500mm×600mm 混凝土梁，混凝土强度等级C35。腰梁截面尺寸为1000mm×1400mm，混凝土强度等级C35。钢格构柱边长为480mm，采用4L180mm×18mm，立柱下端插入钻孔灌注桩内3.0m，采用灌注桩基础，桩径900mm，混凝土标号C30[5]。

2.2.3 冠梁

灌注桩顶均设冠梁，宽度为1200mm；灌注桩桩顶嵌入冠梁50mm，桩纵筋锚至冠梁顶。保护层厚度为35mm，混凝土强度等级C35。基坑支护结构剖面图如图3所示。

图3 基坑支护结构剖面图

2.3 支护结构施工

基坑支护结构施工步骤如下：

（1）确定施工搅拌桩和灌注桩的桩位；

（2）第一次土方开挖，开挖至标高782.780m；

（3）施工第一道混凝土支撑；

（4）第二次土方开挖，开挖至标高776.580 m；

（5）施工第二道混凝土支撑；

（6）第三次土方开挖，开挖至标高771.980 m；

（7）施工第三道混凝土支撑；

（8）第四次土方开挖，开挖至标高768.780 m；

（9）施工基础，回填槽，做传力带，然后拆除第三道支撑；

（10）施工地下三层，回填槽，施作传力带；

（11）施工立柱之间换撑拉杆，然后拆除第二道支撑；

（12）施工地下二层，回填槽，施作传力带，然后拆除第一道支撑。

3 有限元模拟分析

采用有限元分析软件MIDAS进行数值模拟，支护结构采用beam单元，土体采用3D-solid的进行数值模拟，模型中设置了生死单位，依据施工的工序对相应单元进行“激活”或“杀死”。根据实际情况，在基坑周边设置了建筑物以及相应荷载。模型的平面见图4所示，模型的3D模型见图5所示[1]。

图4 模型平面图

图5 基坑有限元模型

3.1 桩身插入比对支护桩的影响

插入比是指，桩身在基坑地面以下的长度与基坑开挖深度之比，通常用1/H表示。

通过有限元分析对比选出桩身插入比的最优值。在保持桩身其他条件不变的情况下，只改变桩身的插入比，选取插入比为0.3/0.5/0.7和1.0进行分析，具体工况见表3所示。

表3 桩身插入比模拟工况

通过有限元分析，提取不同工况下的桩身水平位移，并绘制桩身水平位移曲线图，如图6所示。

图6 不同桩身插入比条件下桩体的水平位移

由图6可知，4种工况下，桩身的上半部分没有明显的区别，但是桩身的下半部分特别是桩底部分对桩身插入比较为敏感。其中，插入比从0.3变至1.0时，桩底的水平位移由7.98mm变化到16.21mm，变化十分明显，变化率达到50.8%。由此不难发现，桩身插入比对于整个桩身的影响不明显，提高桩身插入比对于整个桩来说意义不大，并且造价会增加很多。

通过有限元分析，提取不同工况下的桩身弯矩，并绘制桩身弯矩曲线图，具体如图7所示。

图7 不同桩身插入比条件下桩体的弯矩

由图7可知，在4种工况下，桩身的上部分弯矩没有明显的变化，但是在桩底部桩身弯矩的区别很大，变化极其明显。其原因是当桩身插入比小的时候，也就是桩的嵌固深度较小时，桩受到的被动土压力小。当插入比越来越大时，增大了桩身的嵌固深度，也增大了桩身承受被动土压力的上限，使得桩底变化变小了。

由此可知，当桩身插入比小时，桩底的变化大，桩身不稳定。当桩身插入比太大时，桩底的变化很小，但是会造成造价提高，浪费材料。综合上述结果及考虑到工程造价等因素，选择工况2为最优方案。

3.2 桩截面尺寸对支护桩的影响

为了桩截面尺寸对支护桩的影响，在保持桩身其他条件不变的情况下，只改变桩截面直径，选择桩截面直径为600mm、800mm、1000mm、1200mm 和1400mm 的5 种工况进行分析，具体工况见表4所示。

表4 桩截面尺寸模拟工况

通过有限元分析，提取不同工况下的桩身弯矩，并绘制桩身弯矩曲线图，具体如图8所示。

图8 不同桩截面直径下桩体的弯矩

由图8可知，桩截面尺寸的变化对桩身的弯矩有明显的影响。随着桩截面的增大，桩身弯矩逐渐降低。在截面直径为600～800mm时，桩身弯矩随截面直径的变化明显，当直径大于800mm时，弯矩变化减小。对比工况1和工况5可得，桩的正弯矩变化了168.3%，桩的负弯矩变化了165.5%。其原因是随着桩截面的增大，桩身的整体刚度在逐渐加大，在桩身受到压力不变的情况下，桩的弯矩和水平位移也在降低。

综合以上分析，桩截面的尺寸对桩身的弯矩有明显影响，虽然桩截面的增大会使支护结构更安全，但是会给施工带来困难，导致工程造价增加，工程材料会有大量的浪费。所以考虑到以上所有因素，选择直径为1000mm的支护桩最为合理。

4 结束语

以实际工程为研究背景，对“桩撑”结构进行经济对比以及结构设计分析，优选出本方案的支护桩截面和桩的嵌固深度。主要得出了以下结论：

（1）桩的插入比对桩下部的水平位移和桩的弯矩有明显影响。当桩身插入比小时，桩底的变化大，桩身不稳定。当桩身插入比太大时，桩底的变化很小，但是会造成造价提高，浪费材料。插入比0.5为较优选择。

（2）桩的截面尺寸对桩的弯矩有明显影响。虽然桩截面的增大会使支护结构更安全，但是会给施工带来困难，增加工程造价，浪费工程材料。