某大型调蓄池外墙结构内力分析简化计算方法

罗 俊

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518008)

1 概述

随着计算机技术的发展，项目建设速度加快，设计人员可利用的设计工期缩短。市场上大量有限元软件分析耗费时间长，不适应方案阶段设计。采用简化省时的计算方法，通过反复试算，可以快速判断方案合理性、初步确定构件截面尺寸。用简化计算的构件截面，建立有限元模型，可以保证有限元收敛性较好、计算耗时少，可以减少有限元模型反复试算、调整次数。简化计算对有限元软件分析结果的正确性还可以给出定量判断。结合深圳市龙岗区某大型调蓄池，给出调蓄池外墙的简化计算方法。

2 计算条件

2.1 结构方案布置

调蓄池结构顶板覆土2.0m，覆土地坪标高+33.5m；顶板厚300mm，板顶标高+31.5m；中间层仅设置500mm×1000mm的钢筋混凝土无板撑梁(如图1所示)，梁顶标高+25.35m；底板厚1200mm，板顶标高+18.25m。外墙厚1200mm；支护桩φ1200@1500，L=31.0m，采用桩间旋喷桩止水，锚杆按临时锚杆设计；支护桩和调蓄池外墙之间的肥槽采用中粗砂回填。调蓄池外墙典型断面如图2所示。

图1 中间撑梁-无板(竣工图)

2.2 地层分布及参数

支护桩桩后土层分布依次为素填土、淤泥质土、强风化粉砂岩(下段)、强风化炭质砂岩(上段)、强风化粉砂岩(上段)、强风化炭质砂岩(下段)。地层参数见表1。

3 调蓄池外墙土压力

3.1 支护结构的作用

悬臂式双排桩、单排柱及地下连续墙，在基坑开挖期间，承受基坑外的水土压力。典型断面如图3所示。由于施工至竣工期间支护结构受力体系未破坏，基坑外侧土压力可由支护结构抵挡；临时止水措施由于耐久性差，后期存在破坏可能性，故基坑外侧地下水渗透至基坑内，作用于调蓄池外墙。

图2 调蓄池外墙典型断面图

表1 土层参数

图3 悬臂式支护结构(双排桩)

基坑支护锚索属于临时锚索，耐久性差、后期可能失效；内支撑在主体结构施工期，随着主体结构的施工，主体结构逐渐替换掉内支撑，原内支撑承受的荷载转移至调蓄池外墙。锚索典型断面如图4所示。由于锚索、内撑的失效，支护结构由竖向连续梁，变成嵌固不足的悬臂结构。支护结构挡土、挡水作用微乎其微。

图4 悬臂式支护结构(锚索)

综上所述,对于悬臂式支护结构，可考虑支护结构的作用，调蓄池外墙仅考虑支护结构与调蓄池外墙之间的水土压力；对于锚索、特别是内支撑，调蓄池外墙应忽略支护结构的作用。

3.2 悬臂式支护结构外墙土压力折减

对于悬臂式支护结构，忽略基坑外土压力，仅考虑基坑内土压力。主动土压力破裂角增大，土条面积缩小，如图5所示。支护桩与调蓄池外墙之间的岩土参数取回填料的有效黏聚力、有效内摩擦角。外墙土压力折减可以按有限土块面积/半空间无限土块面积(土块面积等于破裂线、地面线、外墙线围成的区域)。折减系数小于0.7时取0.7[10]。

图5 土压力破裂角

对于悬臂式支护结构，不能阻止基坑外水压力向内渗透。高层建筑回填砂土时，由于水压力各向大小相等，有限范围土块水压力不随破裂角改变，即水压力不折减。纯地下结构由于抗浮设计需求而回填弱透水材料时，弱透水材料考虑渗透作用导致的水头损失，常规设计采用水土合算，但由于实际有限范围土块的水压力不随破裂角改变，水土合算折减时水压力比实际值偏小。

综上所述，对于悬臂式支护结构，调蓄池外墙可考虑土压力折减，但应采取水土分算方式(土压力折减，水压力不折减)；

3.3 锚索支护结构外墙土压力

(1)双排桩模型：考虑支护桩作用。前排桩采用1.0m×1.2m、间距1.0m矩形桩，模拟1.2m厚外墙；后排桩采用直径1.2m、间距1.5m桩，反映实际支护结构；模型忽略支护桩锚索作用；连梁采用0.1×0.1m虚梁模拟；第一道撑采用0.3m×1.0m、间距1.0m梁，模拟顶板；第二道撑按设计截面0.5m×1.0m，间距6.0m梁布置；第三道撑采用1.2m×1.0m、间距1.0m的梁，模拟1.2m厚底板；土层按基坑外侧土层输入。

(2)单排桩模型：忽略支护桩作用。内支撑布置同双排桩模型；土层按基坑内回填料考虑，不考虑有限范围土压力折减。

(3)分析结果：双排桩、单排柱模型侧墙土压力在底板位置分别为66.98、66.39kN/m，计算结果见图6。计算分析可知，考虑支护桩作用时，作用于调蓄池外墙上的土压力与不考虑支护桩作用时基本一致。

图6 土压力分布

综上所述,对于内撑、锚索支护结构，调蓄池外墙土压力计算应按基坑外侧土层、基坑内侧回填土层分别计算取包络值，不应采用悬臂式支护结构的分析简图。软土地区，基坑外侧土压力起控制作用；土岩地区，基坑内侧回填土层土压力起控制作用。

4 外墙简化计算方法

4.1 计算单元

调蓄池外墙受水土压力及顶部重力荷载作用，实际构件受力状态为压弯。由于调蓄池层高大，水土压力属主要荷载，外墙单元属于大偏心受压构件。大偏心受压时，压力起有利作用。简化计算时可忽略重力荷载作用产生的压力，受力方式按地下连续墙单元模拟。由于调蓄池外墙嵌固于底板，地下连续墙单元模拟时嵌固深度可取最下层层高的一半。

顶部、底板可以采用理正深基坑刚性铰单元或者内支撑单元模拟。采用内支撑单元模拟时输入截面尺寸为每延米的截面尺寸，内支撑间距按1.0m输入。内支撑刚度计算时，计算长度参数按板跨长度输入。

计算m值时，坑底位移估算值可取0.001m，用来考虑调蓄池底板的嵌固作用。

4.2 软件模块选用

简化计算采用非有限元软件，实现快速建模、快速计算功能。可选用理正深基坑、MIDAS XD、同济启明星等软件，利用地下连续墙模单元模拟调蓄池外墙。

采用理正深基坑时宜选择全量法计算，不考虑基坑开挖过程影响；采用MIDAS XD时宜选择弹塑性地基梁法。由于作用于调蓄池外墙的土压力属于回填工序，弹塑性地基梁法能较好的模拟此施工工序。

5 简化计算结果使用

5.1 调蓄池外墙

(1)内力调整：对于悬臂式支护结构，土压力可进行折减，调整内力见式(1)。

M=M0(1+1+Ks×K1)/(1+Ks)

(1)

式中,M—有限土压力作用的内力；M0—无限土压力作用的内力；Ks—回填料主动土压力系数；K1—土压力折减系数。

对于锚杆、内支撑支护结构，按基坑外侧土层、基坑回填土层分布计算分析，取包络值。

(2)内力修正：地下连续墙单元按竖向连续单向板设计，符合调蓄池外墙仅设置腰梁的受力情况。对于设置扶壁柱和腰梁的调蓄池外墙以及不设扶壁柱和腰梁的调蓄池外墙，实际计算单元双向受力，内力调整系数可取0.7～0.8，水平、竖向分布筋等配；底部外墙外侧竖向分布筋计算时，考虑底板嵌固刚度大、受水土压力大，内力调整系数可取1.05。

(3)调整及修正后的标准内力，按荷载规范进行内力组合，计算配筋；裂缝验算时，墙底内力较大，可通过增大截面厚度满足裂缝要求。

5.2 撑梁

(1)内力计算：水土压力作用下产生的轴力标准值可以取地下连续墙在撑梁位置处的剪力标准值差值乘以撑梁间距。

(2)截面验算：方案设计阶段，仅考虑水土压力作用，未计入竖向荷载及地震作用，截面验算按抗震规范轴压比限值设计。

6 结语

通过岩土常用软件，对调蓄池外墙进行粗略简化计算，既可以满足方案阶段结构设计精度、节省设计时间，还可以减少有限元模型不合理性单元数量、节省有限元分析时间，同时简化计算结果还可以作为有限元分析结果正确性的判别依据。

力学模型的适度简化既可以节省分析时间，也可以对计算结果直观的判别。模型简化的原则是单元模拟尽量符合构件主要受力情况，抓大放小，忽略次要因素，力求计算分析简单、解耦，分析结果可靠、可用。