某深基坑悬臂式挡墙支护结构内力研究

肖询亮

（吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000）

0 引言

目前，城市建筑工程一方面向着提升建筑高度的方向发展，另一方面向着地下进一步发展。随着基坑工程的深度增加，深基坑的深度随之增加，使开挖基坑的工程量、面积、规模、分布等急剧增加。加上周边设施的环境、土层特性、地下水条件等加大了深基坑现场施工的难度，在理论和技术方面给深基坑工程的设计与施工带来更加严峻的挑战。此类项目由于设备工艺的要求和必须满足在永久工况条件下施工的特殊性，常规的支护结构很难维持其深基坑的稳定性，且在永久工况条件下，支护结构很难设置上部支撑或楼板，设计一种挡土结构来满足永久工况条件的深基坑支护结构成为这类特殊项目亟待解决的问题。挡土结构很少应用于在市政基坑工程中，尤其是一些特别难处理的深基坑工程。对这类基坑工程来说，深入研究挡土支护结构有深远的意义。

该文结合实际工程项目案例对悬臂式挡墙支护结构内力进行研究，应用Midas GTS软件对悬臂式挡墙出现的单排桩和双排桩模式进行了结构内力分析。判断悬臂式挡墙支护结构设计计算方法的可行性。

1 工程项目背景

该工程为吉安市某污水处理厂污泥处理工程，基坑开挖最大深度为13.6m。拟建场地现状主要为草坪，地势较为平坦。拟建场区地貌类型属于区潮坪地貌类型。经过勘探揭示，在勘探深度范围内，地基土分布较稳定，土层自上而下可分为6大层，若干亚层。其中①层填土主要由冲填土（粉性土夹黏性土）组成，局部地段上部为杂填土；②3层～⑤32层为全新世Q4沉积层；⑧1层～⑧2层为上更新世Q3沉积层。实测勘探孔内潜水水位埋深为0.80m～3.30m（标高2.61m～3.86m），主要补给来源为大气降水、地表径流。微承压水赋存在⑤32层粉质黏土夹粉砂中，根据勘察报告显示，含水层层面埋深约55.00m～58.90 m。地面下普遍分布厚层软黏性土，其具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、灵敏度高等不良工程地质特性，受扰动易发生结构破坏，导致强度降低，进而诱发地表变形；而且软土还有低渗透性、触变性和流变性等特点，应力状态发生改变时会产生流变，对工程开挖施工影响较大。

对不同剖面的悬臂式挡墙支护结构进行内力和位移的有限元计算。基坑支护结构的计算采用竖向弹性地基梁法，地基土的黏聚力和内摩擦角的取值采用勘察报告提供的固结快剪峰值指标，地面超载按实际情况考虑。

如图1（a）所示，剖面a-a'地下水位埋深为1.5m，承压水顶板埋深34.85m，承压水头埋深3m，距离地面0.4m、5.0m和8.6m处设计三道支撑，支撑刚度分别为615.4 （N/m）/m，393.6 （N/m）/m和393.6 （N/m）/m。剖面b-b'地下水位埋深为1.5m，承压水顶板埋深39.97m，承压水头埋深3m，距离地面0.4m和5.0m处设计两道支撑，支撑刚度分别为640.0（N/m）/m和472.3（N/m）/m，如图1（b）所示。剖面c-c'前排桩间距1.2m，后排桩间距2.4m，前后桩排距3.2m，地下水位1.5m，工作荷载为20kPa，如图1（c）所示。剖面f-f'前排桩间距1.2m，后排桩间距3.6m，前后桩排距3.5m，地下水位1.5m，工作荷载为20kPa，如图1（d）所示。剖面a-a'地下连续墙主要穿过的土层分别为1-1、1-3、2-3、3；剖面b-b'地下连续墙主要穿过的土层分别为1-1、1-3、2-3、3、4、5-1；剖面c-c'双排桩主要穿过的土层分别为1-1、1-3、2-3、3、4、5-1、5-31；剖面f-f'穿过的土层为1-3、2-3、3、4、5-1。不同土层的物理力学参数见表1。C30混凝土的计算参数如下：容重=25kN/m，凝聚力=3.162×10kPa，摩擦角=54.9°，变形模量=3.0×10kPa，泊松比=0.167。

表1 土体物理力学参数表

图1 不同计算剖面基坑支护示意图 （长度单位：m；力单位：kPa）

2 计算结果与分析

2.1 位移

利用Midas GTS有限元软件进行建模计算，如图2所示，得到了桩身位移分布。不同位置剖面的位置变化情况略有不同。a-a'剖面的位移随桩身位置增大，先增加后减少，最大位移为20.9mm。b-b'剖面的位移随桩身位置增大，先增加后减少，最大位移为12.5mm。由于c-c'和f-f'剖面是双排桩，其位移的变化略有不同。对c-c'剖面，双排桩的最大位移出现在桩顶，随着桩顶位置增加而减少，由于前后排桩的桩顶通过冠梁连接，因此两者的桩顶位移相同，为32.7mm。最小水平位移均出现在桩底，分别为0.2m和6.2m。剖面f-f'的位移计算结果显示双排桩的最大位移出现在桩底，分别为6.2mm和11.5mm。随着桩顶位置增加，位移逐渐增大。最小位移都出现在桩顶，为0.8mm。

2.2 弯矩

桩身弯矩分布如图3所示。相比于位移的变化特征，弯矩的变化特征更复杂。具体来说，a-a'剖面的弯矩总体为先增大后减少，并在桩的头部和尾部出现了负弯矩，最大正弯矩为938.2kNm。b-b'剖面的弯矩随桩身位置增大，先增加后减少，在桩的头部和尾部出现了负弯矩，最大正弯矩为573.2kN·m，出现在第二道支撑处。由于c-c'和f-f'剖面是双排桩，其位移的变化略有不同。对c-c'剖面，前排桩的最大正弯矩出现在地表以下4.1m左右桩身处，为644.2kNm；最大负弯矩出现在地面以下10.2m桩身处，为-254.7kNm。后排桩最大正弯矩出现在桩顶，为683.9kNm；最大负弯矩出现在地面以下12.5m处，为-19.4kNm。对f-f'剖面，前后排桩的最大正弯矩分别为324.4kNm和136.7kNm；最大负弯矩均出现在桩顶，分别为-444kNm和-554.9kNm。

图3 不同剖面弯矩计算结果

2.3 剪力

桩身剪力分布如图4所示。在不同位置下的剪力变化特征略有不同。a-a'剖面的剪力随着桩身位置的增加而呈现正负交替变化，其中最大剪力为-542.9kN，出现在第二道支撑处。b-b'剖面的剪力随着桩身位置的增加呈现正负交替变化，最大剪力为-353.7kN，出现在第二道支撑处。由于c-c'和f-f'剖面是双排桩，剪力的变化和单排桩略有不同。对c-c'剖面，前排桩最大剪力为242.9kN，后排桩的最大剪力为93.1kN，分别出现在-7.5m和-12.5m处。对f-f'剖面，前排桩最大剪力为182.9kN，后排桩的最大剪力为140.0kN，均出现在桩顶处。

如图2～图4所示，根据Midas GTS 计算出来的不同位置剖面的位移、弯矩、剪力显示，单排桩和双排桩的力学响应特征不同。和单排桩相比，双排桩的内力更复杂。单排桩的最大位移、最大弯矩、最大剪力均出现在桩身中部。由于前排桩和后排桩之间会相互影响，导致桩的内力分布发生变化，相比于单排桩，其最大剪力和最大弯矩得到了一定程度的优化，且其最大位移、最大弯矩、最大剪力主要分布在桩顶位置。总体来说，由于前后排桩的相互影响，其内力分布发生了一定程度的改变。

图2 不同剖面位移计算结果

图4 不同剖面剪力计算结果

3 结论

该文主要以吉安市某污水处理厂污泥处理工程基坑开挖为工程背景，通过有限元计算软件Midas GTS对该基坑工程单排桩和双排桩的支护方式进行了二维建模，合理选择了该模型的边界条件、本构关系、参数定义，计算了不同断面（4个断面）悬臂式挡墙支护结构的桩身内力分布，分析了水平位移、弯矩和剪力的最大值以及这些极值出现的位置。总体来讲，前后排桩的相互影响使双排桩的内力分布特征发生了改变。最大位移、最大弯矩、最大剪力得到了优化，发生的位置主要为桩顶。该研究为悬臂式挡墙支护结构的工程设计提供了可靠依据。