基坑板式支護(hù)計(jì)算方法

基坑板式圍護(hù)計(jì)算方法探析隨著城市地下空間開發(fā)的深入，基坑朝深、大、緊方向發(fā)展[1]，地下連續(xù)墻等板式支護(hù)具有剛度大、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，成為深基坑圍護(hù)的主要方式。目前板式圍護(hù)計(jì)算采用梁模擬圍護(hù)墻，支撐簡化彈性支座；坑外為主動土壓力，坑內(nèi)采用被動土壓（抗）力。板式圍護(hù)主要方法有古典法、彈性地基梁法[2][3][4]等。圖1自由端法（古典法）圖2彈性地基梁法古典法通過力平衡方程求解支護(hù)內(nèi)力，多道撐時平衡方程未知量較多，故須進(jìn)一步假定求解邊界。由于其準(zhǔn)確性依賴于假定邊界的合理性，且不能模擬開挖回筑過程，應(yīng)用相對較少。彈性地基梁法假定外側(cè)水土壓力梯形分布，并用土彈簧模擬坑內(nèi)被動土抗力；通過建立梁曲線方程求解圍護(hù)變形內(nèi)力，由于其能較好分析動態(tài)施工過程，因而成為板式圍護(hù)的主要計(jì)算方法?；娱_挖過程中，圍護(hù)體系逐步變化（支撐施加到拆除、土彈簧挖除到不變），水土壓力則逐步增加，即每步荷載增量對應(yīng)不同的受力體系。因此，開挖回筑過程中，外側(cè)水土壓力在各道支撐和坑內(nèi)被動土的動態(tài)分配過程分析是圍護(hù)計(jì)算關(guān)鍵。根據(jù)施工過程中荷載分配的不同模擬方式，彈性地基梁法可分為總和法和增量法[5]?？偤头☉?yīng)用普遍[6]，計(jì)算處理便捷；增量法[3]理論嚴(yán)謹(jǐn)，但計(jì)算繁瑣。本文對總和法和增量法進(jìn)行分析比較。1、增量法與總和法1.1增量法彈性地基梁模型以圍護(hù)墻、支撐及被動土彈簧組成受力體系，外側(cè)水土壓力作為荷載?；娱_挖過程中，水土壓力和受力體系均逐步變化，因此，對各步的受力體系分別施加相應(yīng)增量荷載，然后疊加得到的結(jié)果理論上是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模@種方法稱為增量法[6]。增量法流程如圖3所示，荷載增量包括兩部分：一是外側(cè)水土壓力的增加（F1~F3）；二是坑內(nèi)被動土抗力的釋放（R1~R6，通過施加反向力模擬，陰影表示土抗力）。最終結(jié)果如下：第一步開挖結(jié)果=增量步1第二步開挖結(jié)果=增量步1+2第三步開挖結(jié)果=增量步1+2+3第四步回筑結(jié)果=增量步1+2+3+4第五步回筑結(jié)果=增量步1+2+3+4+5增量步1增量步2增量步3增量步4\5圖3增量法計(jì)算流程2.2總和法增量法計(jì)算繁瑣，工程中多采用一次加載模式計(jì)算，同時通過對支撐點(diǎn)施加安裝前的節(jié)點(diǎn)位移，調(diào)節(jié)荷載在支撐、土彈簧的分配比例，這種方法稱為總和法（先期位移法）[4]。總和法流程如圖2.2所示，目前實(shí)踐做法施加的位移安裝前的支撐點(diǎn)變形，如圖1.4所示，Δ1=δ1，Δ2=δ2。最終結(jié)果如下：第一步開挖結(jié)果=施工步1第二步開挖結(jié)果=施工步2第三步開挖結(jié)果=施工步3第四步回筑結(jié)果=施工步3+4第五步回筑結(jié)果=施工步3+4+5施工步1\2\3施工步4\5圖4總和法計(jì)算流程2、兩種方法分析比較2.1增量法理論分析增量法理論前提是：開挖面下土彈簧能累積承擔(dān)前幾步開挖分配的荷載，并在土彈簧挖除時予以一次性釋放。實(shí)際上一點(diǎn)被動土抗力大小與開挖面位置密切相關(guān)，以圖3中為例：R2為增量步1產(chǎn)生的土抗力，增量法假定R2在增量步3中釋放；實(shí)際到增量步2時，由于開挖面下移R2已部分釋放。如R2不予部分釋放，將使得開挖面下土抗力累計(jì)過大，超過被動土壓力。隨著開挖深度增加，累計(jì)抗力越大，誤差也就越大。過大考慮土抗力使得圍護(hù)內(nèi)力變形偏小，即增量法計(jì)算是實(shí)際受力的下限。因此，合理考慮開挖面下土抗力釋放是增量法的關(guān)鍵。2.2總和法理論分析總和法應(yīng)用前提是：對施加強(qiáng)迫位移能正確反應(yīng)支撐與土彈簧間的荷載分配。目前強(qiáng)迫位移值采用安裝前的支撐點(diǎn)變形，實(shí)際上支撐安裝后將繼續(xù)變形，故理論上應(yīng)施加前一步的位移。顯然，施加支撐安裝前變形得到的圍護(hù)內(nèi)力是否合理，與開挖面下部土彈簧值的設(shè)定密切相關(guān)，因?yàn)檫@直接反應(yīng)了被動土抗力的合理性。2.3兩種方法分析比較圖5表明總和法和增量法的一致性，等式成立條件是開挖面下的土彈簧是不變常數(shù)。與增量法相比，目前總和法的基床系數(shù)采用“m”法等方法，即考慮了開挖面下土抗力的的部分釋放。.圖5增量法與總和法3、工程算例比較3.1計(jì)算概述工程結(jié)構(gòu)埋深16m，3層地下室，明挖順作法施工。圍護(hù)采用800mm地墻，3道砼支撐。計(jì)算采用彈性地基梁模型，根據(jù)基坑分步施工工況進(jìn)行計(jì)算，荷載及基床系數(shù)如下：①荷載：側(cè)向土壓力按水土合算（0.7系數(shù)），地面超載20kPa。②基床系數(shù)：開挖面下3m按“m”法(0~10MN/m3)，3m以下范圍取10MN/m3。圖6計(jì)算簡圖3.2計(jì)算結(jié)果分析采用大型有限元軟件ROBOT，對增量法進(jìn)行計(jì)算，對總和法（啟明星軟件）計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。得到結(jié)果如下：表1和表2分別為增量法與總和法的支撐軸力結(jié)果。比較可知，總和法計(jì)算軸力值稍大于增量法，且支撐越往下，軸力差值越大，這表明隨著基坑深度、支撐道數(shù)的增加，增量法誤差逐步增大。表1增量法支撐軸力表2總和法支撐軸力圖7~8為圍護(hù)墻的內(nèi)力、變形比較結(jié)果。藍(lán)線、紅線分別表示增量法、總和包絡(luò)結(jié)果。由圖7可見，總和法彎矩較增量法大。兩種方法內(nèi)側(cè)彎矩差值較外側(cè)大，且越接近開挖面，兩者彎矩差值越大，最大差值點(diǎn)在開挖面附近。通過計(jì)算比較可知，增量法計(jì)算過程繁瑣，尤其被動土壓力釋放復(fù)雜，工程應(yīng)用不便；總和法簡單易用，但土彈簧參數(shù)合理取值對結(jié)果影響較大。圖7彎矩包絡(luò)圖圖8變形包絡(luò)圖4、結(jié)語本文回顧總和法和增量法理論，對兩種方法的理論前提和合理性進(jìn)行總結(jié)，并