基坑支护结构手工计算与天汉软件计算对比分析——以黄石MALL城超大深基坑为例

严学宁，张世轩，王翠英

基坑支护结构手工计算与天汉软件计算对比分析
——以黄石MALL城超大深基坑为例

严学宁，张世轩，王翠英

（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉430068）

黄石MALL城超大深基坑支护结构设计中，分别采用手工与天汉软件进行计算，计算内容包含土压力、锚杆内力、长度等，并对支护结构的稳定性进行验算。深基坑支护结构设计优先采用软件计算，选取局部段进行手工核实，基坑支护设计更加快速、可靠、安全。

深基坑；天汉软件；支护设计

黄石MALL城基坑平面特大，形状大致呈长方形（不太规则），最长处约303m，宽约136m；场区淤泥分布不均匀，基坑周边分布有管线及住宅楼、公用设施等，特别是西北侧的一条箱涵，其对过大的沉降和差异沉降很敏感［1］。根据基坑支护方案比选原则及地层、开挖深度、周边环境的情况，按照重要性对基坑支护分区、分段，由简单到复杂、由低价到高价的先后顺序进行试算、比较，最后选择最佳的方案，本文节选STU段支护结构进行手工与天汉软件计算分析对比。

1 工程概述

1.1 工程概况

黄石MALL城建筑物占地总面积41 877m2，由主楼（28F、31F）及附楼（3F、4F、5F）组成，地下设2层满铺地下室。该基坑开挖面积约32 956.7m2，基坑周边开挖深度为自然地面下7.60m、12.10m，电梯井开挖深度为自然地面下14.50m，工程安全等级为1级，总平面布置图见图1。

图1 黄石MALL城基坑平面图

1.2 场地岩土工程地质与水文地质条件

场区地层概述如下：①杂填土；②粘土；③淤泥；④粘土；⑤石灰岩。根据场地岩土工程勘察报告，与基坑支护设计相关底层的岩土设计参数取值见表1。场地地下水位－0.60～1.10m，下层地下水类型主要为岩溶裂隙水，主要赋存在石灰岩的溶洞与岩溶裂隙之中，依据区域水文地质资料属于承压水。

表1 基坑设计参数表

1.3 周边环境

基坑西北侧为3～4层砖混结构房，距基坑边38.0m。同时西北侧沿基坑边地下铺设有地下电缆及市政排水管道，埋深不明；东侧为主干道，且沿路边地下铺设有给排水管道、电缆等管网设施，管道的具体位置及埋深不明；距基坑边分别为6.60～34.10 m；东南为轴承厂住宅区，5～7层砖混结构房，距基坑9.20～19.30m；西南为湖滨大道，且沿基坑边地下铺设有给排水管道、电缆等管网设施，管道的具体位置及埋深不明；距基坑12.2m。

基坑环境较为严峻，地质条件不良（东北部淤泥层厚普遍为8～10m）。因业主未提供周边建筑物的设计与施工图纸，方案设计计算时，基坑周边建筑物基础埋深按常规考虑［2］。

2 基坑STU段支护结构设计计算

通过综合评价确定拟建场区的支护方式为：西南区（无淤泥分布，地质条件好）采用“桩锚”支护方式；东北区（有淤泥分布，地质条件差）采用排桩＋内支撑结合被动区加固的支护方式。本文选取STU段进行计算。

STU段开挖深度12.1m，放坡1.5m，计算深度为10.6m。放坡1.5厚土层视为超载25kPa均布，施工地面荷取20kPa。支护桩采用钻孔灌注桩，直径1.0m，间距1.4m，砼强度为C30。桩顶设一道锁口梁，宽1.2m，高0.6m。梁顶标高－2.50 m，混凝土强度等级均为C30。

2.1 支护结构手工计算

2.1.1 支护结构土压力 主动土压力和被动土压力计算见表2。

表2 主／被动土压力计算表

计算简图（图2）。

图3 STU段支撑力计算简图

支护桩外侧：基底标高处主动土压力强度pa外＝103kPa；基底下深度u处主动土压力强度pau外＝103＋19.6×0.589 u＝103＋11.544 u；支护桩内侧：基底标高处被动土压力强度pp内＝73kPa；基底以下深度u处被动土压力强度ppu内＝73＋33.281 u；上述可得支护桩两侧主动和被动土压力强度之差：P差＝pa外＋pau外－pp内－ppu内＝30 u－21.737u，令P差＝0，解得：u＝1.38m。具体计算如下：Ea1／（kN·m－1）＝20×1.7＝34，作用点距o点：ha1／m＝1／2×1.7＋8.9＋1.38＝11.13，Ea2／（kN· m－1）＝0.5×（45－20）×1.7＝21.25，作用点距o点：ha2／m＝1／3×1.7＋8.9＋1.38＝10.85，Ea3／（kN· m－1）＝0.5×103×8.9＝458.35，作用点距o点：ha3／m＝1／3×8.9＋1.38＝4.35。Ea4／（kN·m－1）＝0.5×103×1.38＝71.07，作用点距o点：ha4／m＝2／3 ×1.38＝0.92，此时支护体系受各力对o点求矩可得：

取：Rc／（kN·m－1）＝1.3×290＝377，由静力平衡，求得o点的剪力：QO／（kN·m－1）＝34＋21.25＋458.35＋71.07－337－80－86＝41.67，采用等值梁法［3］，对下段等值梁o点至桩底段的o点求矩求得o点至桩底的距离：

t0／m＝1.38＋3.39＝4.77，故桩的最小入土深度为：t＝1.2t0＝1.2×4.77m＝5.72m，桩长为：10.6m＋5.72m＝16.32mm，取桩长为：16.4m。

2.1.2 支护结构的稳定性验算［4］基坑外侧主动土压力：Ea1／（kN·m－1）＝20×1.7＝34，作用点距桩底的距离：ha1／m＝1／2×1.7＋14.7＝15.55，Ea2／（kN·m－1）＝0.5×25×1.7＝21.25，作用点距桩底的距离：ha2／m＝1／3×1.7＋14.7＝15.27，Ea3／（kN· m－1）＝0.5×170×14.7＝1248.5，作用点距桩底的距离：ha3／m＝1／3×14.7＝4.9，基坑内侧被动土压力。土压力矩形部分：Ep1／（kN·m－1）＝73×5.8＝423.4，作用点距桩底的距离：hp1＝1／2×5.8＝2.9m，土压力三角形部分：Ep2／（kN·m－1）＝1／2×（266－73）×5.8＝560，作用点距桩底的距离：hp2／m＝1／3 ×5.8＝1.93，根据《建筑基坑支护技术规程》［5］4.2.2则本设计段：满足要求。

2.1.3 锚杆的设计计算 土压力零点位置在坑底下1.38m处，三层锚杆，单根锚杆与水平面的倾角为15°，水平间距1.4m，桩长范围内土体的内摩擦角加权平均值φ／°＝（1.3×4＋15.1×15）÷16.4＝14.1。

第一层锚杆长度由计算公式可得：

1）自由段长度

取Lf＝8.0m。

2）锚固段长度

锚固体直径d取150mm计算，土体与锚固体间极限摩阻力的标准值取qsk＝50kPa，锚杆水平间距1.4m，锚杆水平抗力：Td／kN＝1.25γ0R×2.2＝1.25×1.1×80×1.4＝154，锚固段长度为：La／m＝取La＝9 m，总长度为：L＝La＋Lf＝8m＋9m＝17m。

3）预应力筋截面面积

采用3S15.2钢绞线，预应力强度标准值fptk＝1860N／mm2，取安全系数1.3，则预应力筋截面面积为：

工程采用3S15.2钢绞线，A＝544mm2，满足要求。

第二层锚杆长度确定：

1）自由段长度，

取Lf＝5.0m。

2）确定锚固段长度

锚固体直径d按150mm计算，土体与锚固体间极限摩阻力的标准值取qsk＝50kPa，锚杆水平间距1.4m，锚杆的水平抗力：

锚固段长度为?

取La＝10m，总长度为：L＝La＋Lf＝10m＋5m＝15m。

3）预应力筋截面面积

上同第一层锚杆，则预应力筋截面面积为：

工程中采用3S15.2钢绞线，A＝544mm2，满足要求。

第三层锚杆长度计算：

1）自由段长度

根据规范Lf≥5.0m，取Lf＝5.0m。

2）锚固段长度

锚固体直径d按150mm计算，土体与锚固体间极限摩阻力的标准值取qsk＝50kPa，锚杆水平间距1.4m，锚杆的水平抗力

锚固段长度为

取La＝10m，总长度为：L＝La＋Lf＝8m＋5m＝13m。

3）预应力筋截面面积确定

上同第一层锚杆，则预应力筋截面面积为：

工程中采用3S15.2钢绞线，A＝544mm2，满足要求。

2.2 天汉软件支护结构计算

桩排结构设计参数：间距1.4m，直径1.0m，最小计算桩长12.5m，嵌入深度1.9m，桩身弯矩设计值513kN／m；撑锚设计参数：锚杆1轴向拉力设计值＝48kN／根，锚杆2轴向拉力设计值＝241kN／根，锚杆3轴向拉力设计值＝339kN／根；采用安全等级为一级，天汉软件运行后，STU段支护结构极限平衡法计算结果图见图3、STU段支护结构设计图见图4。

图3 STU段支护结构极限平衡法计算结果图

图4 STU段支护结构设计图

3 小结

STU每段土压力计算中，考虑地面附加荷载及周边建筑荷载，绘制计算简图；采用等值梁法计算支护桩长度及水平支撑力；根据水平支撑力计算出锚杆长度，进行锚杆设计；对嵌固深度进行了稳定性验算，应用天汉软件作了支护结构土压力、内力计算，对基坑抗隆起稳定性进行了验算；通过分析对比得出结论如下：

1）STU段支护桩设计过程中，分别采用手工与天汉软件对土压力、桩长进行计算，对嵌固深度的稳定性验算，两者结果相近；

2）锚杆设计过程中，分别采用手工与天汉软件对锚杆承载力及整体稳定性进行验算，结果显示天汉软件计算得到的锚杆长度大于手工计算；

手工计算过程清晰，工作量大；天汉软件计算便捷，需要对各种参数取值考虑到位；

在基坑支护结构设计时，优先采用软件计算，选取局部段进行手工计算核实，基坑支护设计更加快速、安全。

［1］ 赵志缙，应惠清，简明深基坑工程设计施工手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000：4.

［2］ 杨生彬，王晓义，朱艳艳.北京市某基坑支护实录［J］.岩土力学与工程学报，2007，26（增2）：4471－4476.

［3］ 李钟旭，王钢城，李广杰，等.基坑支护等值梁法的程序设计及其实现算法［J］.世界地质，2004（1）：1004－5589.

［4］ 陈灿寿，张尚根，余有山.深基坑支护结构变形计算［J］.岩石力学与工程力学，2004，23（12）：2065－2068.

［5］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程JGJ120－2012［EB／OL］（2012－12－12）［2016－04－10］http：／／www.docin.com／p－527974114.html.

The Comparative Analysis of Manual Design and Tianhan Software Design in Foundation Pit Supporting Structure

YAN Xuening，ZHANG Shixuan，WANG Cuiying
（School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Manual and Tianhan software is used to calculate and design super deep foundation pit supporting structure in Huangshi city MALL，which include earth pressure calculation，anchor force calculation，length calculation，and so on.Using the software design Deep foundation pit supporting structure is preferred，and then local stage is selected for manual verification，which can made the design of foundation pit support more rapid，more reliable and more safe.

deep excavation；Tianhan software；supporting design

TU470.3

A

1003－4684（2017）04－0115－04

［责任编校：张岩芳］

2016－04－21

严学宁（1991－），男，湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为岩土工程