基坑围护结构入土深度优化研究.doc

精品基坑围护结构入土深度优化研究基坑围护结构入土深度优化研究 摘要:以上海某220kV地下变电站基坑典型案例为基础，采用plaxis专业岩土分析软件从基坑稳定性、墙体变位、内力、坑外沉降等方面为指标对基坑插入比进行优化设计，从而确定最佳入土深度，并将结果与现有规模类似的民用基坑进行对比以确定其优化结果的适用性。 关键词：基坑、入土深度，插入比 中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号： 1.引言 围护结构的入土深度一般根据稳定性验算来确定。对于上海地区的变电站基坑，一般采用多道支撑的地连墙围护形式，一般对其抗倾覆、坑底隆起、抗渗流稳定性进行校核。实践表明，对于地连墙的围护结构形式，抗坑底隆起稳定性是基坑插入深度的决定性因素。基坑的插入深度通常用插入比（D/H）表示，插入比的取值直接影响基坑的稳定性。 2.基坑的基本情况： 基坑开挖深度为19m，采用厚度为1000mm的地下连续墙围护结构，连续墙有效长度为36m，插入比约为0.9，采用四道混凝土围檩+支撑，墙顶标高为0.0m。计算时考虑地面超载20kPa。 基坑地质条件参数如表1所示，计算断面如图1所示： 表1 该基坑地质条件 图1基坑计算断面 3.稳定性校核 通过启明星软件分别对不同插入比条件下基坑的稳定性进行校核，计算结果见图2。 图2不同插入比条件下稳定性校核 从图中可知，基坑的整体稳定性随插入比的增大呈线性增长趋势，而墙底抗隆起（即地基承载力）在插入比为0.6的位置发生突变，原因是此时墙底正处于两层土的交界处。依据规范要求选取满足所有稳定性要求的最小插入比大约在0.75左右，而原设计的插入比约为0.89（17/19)。理论上，原设计可以减少围护墙插入深度达0.12H（2.3m），但由于墙体受力、变形以及环境保护等原因使得设计插入比取值较为保守。 岩土工程一般依照摩尔-库伦破坏准来判别基坑失稳，因此，我们可以这样定义基坑的安全系数： (1) 式中，c、为土体的强度，cr、r为土体破坏的临界强度，Fs为基坑的安全系数（式1）。采用plaxis软件对不同插入比条件下基坑的安全系数进行分析，通过强度折减的方法对土体的强度按照式(2)进行折减，当折减系数达到某一数值时，土体位移开始产生不收敛的情况（图3），此时即认为土体失稳，滑裂面形成。分析结果如图5.14所示。 cr=c/Fs，r=tan-1(tan)/Fs (2) 图3强度折减法失稳判据 图4不同插入比条件下安全系数 如图4所示，基坑安全系数随着插入比增大呈线性增长关系，曲线没有明显的拐点出现，这一规律与启明星软件的计算结果一致，因此可以得到以下结论：从稳定性的角度分析，满足最小稳定性要求的插入比即为最佳插入比。 4.墙体变形校核 图5为基坑开挖变形示意图，在原方案的插入比条件下，基坑墙体基本呈现小-大-小的标准变形形态。 图5基坑变形示意图 图6不同插入比条件下墙体最大位移 不同插入比条件下围护墙体的最大位移如图6所示，曲线中可以很明显地看到在插入比为0.6处有一个拐点，即对于插入坑底以下0.6H深度的墙体对围护结构自身的位移控制起很大的作用，而再深的墙体虽然对抑制墙体最大位移有一定的帮助，但其“性价比”不如前者高。因此，仅从墙体最大位移这一指标来看，0.6为最佳插入比。 图7不同插入比条件下墙底位移 图7为墙底位移与插入比的关系曲线，D/H=0.7为曲线拐点与最佳插入比。此外，图8显示了不同插入比条件下墙体的变形形态，在插入比较小的情况下，墙底呈现踢脚的形态，这是基坑工程中应该尽量避免的；在插入比为1.0的条件下，墙底位移收敛，墙体呈现出小-大-小的标准变形形态，是一种比较理想的墙体变形形态。 (a) D/H=1.0 (b) D/H=0.4 图8 插入比0.4、1.0墙体位移形态 5.内力分析 图9展示了墙体最大弯矩、剪力与插入比的关系曲线。 图9不同插入比条件下墙体内力 相较于墙体变形，墙体弯矩、剪力的变化不是特别规律，从最大弯矩控制的角度看，墙体在较小插入比的条件下弯矩水平较小，随着插入比的增大，墙体位移形态发生变化，从踢脚形态转变为中间大两边小的形态，这使得墙中（接近坑底）位置的弯矩较大，而随着插入比的继续增加，大约到0.8之后，墙体最大弯矩开始稳定。因此，从这一结论可以认为插入比为0.8时较为合适。墙体最大剪力的变化出现两个拐点，其中插入比为0.9为极小值点，考虑到控制弯矩的要求，将0.9作为剪力控制的最佳插入比。综合而言，在墙体位移的控制条件下，0.80.9为比较合适的插入比范围。 综上，本文分别从基坑稳定性、安全性、墙体位移及内力四个角度对基坑插入比进行重新优化设计，其优化结果如表2，墙体位移给出的建议插入比偏小，安全性没有明确的拐点及建议值，墙体最大剪力指标相比而言占最后的决策权重较轻，仅作为参考，稳定性与墙体最大弯矩作为比较重要的衡量指标最后决定了综合的插入比，最后选取0.750.8作为该地下变电站基坑的最优插入比，相比原设计节约了约0.952.85m的墙体长度。 表2变电站基坑建议插入比汇总 指标 稳定性 安全性 墙体最大位移 墙底位移 墙体最大弯矩 墙体最大剪力 综合 建议插入比 0.75 0.6 0.7 0.8 0.6/0.9 0.750.8 通过统计上海地区类似深度的地连墙围护结构的插入比可以从经验的角度对上海地区220kV变电站基坑的插入比进行优化，同时对上述理论分析的合理性加以评判。 6.与实际工程的比较 通过查询上海地区基坑数据库，得到了上海地区部分开挖深度在15m25m地连墙围护结构的插入比信息。 图10显示了基坑案例插入比分布与开挖深度的关系。图中可以看出，在墙厚一定的条件下，插入比随开挖深度增大而减小。 选定某220kV变电站开挖深度（19m）1m范围内1000mm厚地连墙的基坑案例作为分析样本（虚线划定的范围内），共有六例满足要求，其中，最大插入比为0.875而最小的则为0.66，样本均小于本工程插入比（0.9），证明原方案确实存在优化的空间。此外，在建议插入比范围内（0.750.8）有一例样本，另有一例样本远小于建议范围的下限，有四例样本落在0.80.85的区间内。 图10不同插入开挖深度条件下插入比统计 通过上述分析可以得出结论：原方案插入比的确过于保守，存在优化的空间；其次，当前开挖深度在1820m间的民用基坑工程插入比多定为0.80.85间；相较于理论分析得出的结论（0.750.8），实际工程要相对保守一些，考虑到工程中安全储备的影响，理论分析所得出的结论是值得参考的。 7.结论 本文通过参数化理论分析并结合与已建基坑工程类比的方法对软土地区典型地下变电站基坑的插入比加以优化，得出以下结论： 上海软土地区开挖深度在20m左右的变电站基坑多选用1000m地下连续墙围护结构，其最优插入比可选定在0.750.8之间，考虑安全储备等因素，这一范围可适当提高0.05左右； 参考文献 1 刘建航，侯学渊. 深基坑工程手册M. 北京:中国建筑工业出版社,1997.