0 引言

　　 某跨海钢结构拱桥项目位于山东省日照市。项目包括底部商业区和跨海玻璃大桥两部分。拱桥跨度173m,最高处距地63.5m,如图1所示; 拱桥横断面为椭圆形,长轴直径为18m,短轴直径为13.5m。

　　 图1 钢结构拱桥示意图   

　　  

　　 图2 南侧桥墩周边环境图   

　　  

　　 本工程±0.000m相当于绝对标高7.300m; 地下1层基底相对标高为-0.150m; 地下2层基底相对标高为-6.500m。本文主要对南侧桥墩基坑进行分析。基坑三面环海,室外地坪绝对标高约为3.900m,基坑深部开挖深度约10.40m,浅部开挖深度约4.05m。基坑南北长约76m,东西长约66m,形状为两段圆弧组合两个多边形的不规则形状,圆弧的半径约24m,多边形的最长边长约30m,见图2; 该工程设计阶段已完成,现已进入支护桩施工阶段。

　　 工程地下水类型主要为第四系孔隙水,主要赋存于砂层中,其补给来源主要是海水侧向补给; 全风化带以上排泄途径随潮汐涨落,往下以渗透为主。最高水位黄海高程2.74～3.05m,最低水位黄海高程-1.97～-1.05m。日照市平均高潮线为黄海高程4.10m; 海水变化幅度:按50年一遇极端条件下,最高潮位为黄海高程3.14m,最低潮位为黄海高程-3.28m。本工程抗浮设计水位为4.10m。主要涉及的土层物理力学指标如表1所示。

　　 主要涉及的土层参数 表1

岩土层	层厚/m	重度 γ/(kN/m3)	内摩擦角 φ/°	粘聚力 c/kPa
填土	2.2～7.1	18.0	10.0	8.0
中砂	0.8～6.5	19.4	26.6
粗砂	1.7～8.3	19.5	30.3
砾砂	0.7～4.0	19.5	32.1
全风化花岗闪长岩	0.5～3.2	19.7	30.0
强风化花岗闪长岩	2.3～19.8	20	38.0
中风化花岗闪长岩	0.8～12.3	21.5	45.0
微风化花岗闪长岩	5.0～8.9	23.0	50.0

 

　　  

　　 工程存在的主要难题在于:1)距离海岸线极近,不能超越海岸线施工,陆地可利用空间狭小; 2)基坑三面环海,支护结构受海水潮汐影响较大且水头较高,止水难度大; 3)基坑外侧海域范围均为坡度较大的边坡,且紧邻基坑存在水工建筑物,所以无法采用桩锚支护体系。

　　 相比于常规的陆地基坑支护,海边深基坑支护在止水、排水与抵挡坑壁侧压力等方面具有更大难度 ^[1]。目前海边深基坑常采用水上钢板桩支护、咬合桩支护等形式 ^[2],本工程采用咬合桩支护形式。相较于水上钢板桩支护,咬合桩支护具有以下优点:1)采用咬合桩组合内支撑的支护体系,可充分利用支护桩的空间受力性能,减少内支撑数量; 2)采用硬咬合施工工艺,使咬合桩入中风化岩层不小于2m,兼做止水帷幕,降低工程造价。

1 支护方案

　　 工程采用支护桩组合内支撑支护体系,在拟建建筑外围施工咬合桩兼做止水帷幕。在两处圆弧和矩形结合部位采用支撑梁和立柱进行连接,其中支护桩桩径为800mm,冠梁尺寸为1 500mm×1 000mm,腰梁尺寸为1 200mm×1 000mm,内支撑尺寸为1 000mm×1 000mm,立柱采用圆钢管,钢管直径为500mm,壁厚为10mm。支护桩组合内支撑支护体系平面布置如图3所示。

　　 图3 支护桩组合内支撑支护体系平面布置图   

　　  

　　 在该支护体系下,先施工外围咬合桩及立柱桩,再开挖至腰梁及第二层支撑梁标高处,在施工完腰梁及第二层支撑梁后,浅部开挖区域及深部开挖区域可同时进行施工,施工到地下1层底板后回填超挖部分,拆除立柱桩,再施工上部结构。腰梁及支撑梁的空间布置见图4。

　　 图4 理正整体模型  

　　  

2 计算模型及对比分析

　　 深基坑工程具有很强的地域性、综合性、时空效应、环境效应、高事故率、设计计算理论不完善等特点 ^[3,4]。本工程三维空间效应明显,采用理正深基坑结构设计软件和有限元软件MIDAS GTS对其进行整体计算。

2.1 理正深基坑结构设计软件计算分析

2.1.1 模型信息

　　 理正整体计算模型:1)主动侧土体简化成主动土压力; 2)被动侧开挖面以下的土体简化成水平线弹性弹簧; 3)支护结构按线弹性杆系梁单元进行模拟; 4)坑外水头设置在地表,坑内水头设置在开挖深度以下0.5m。理正整体模型如图4所示。

2.1.2 支护桩组合内支撑支护体系

　　 开挖至坑底时基坑位移云图见图5。由图5可知,位移在两侧圆弧位置相对较大,因B侧圆弧(图4)位置位移相对较为平缓,整体位移更趋近于平直段,因此空间拱效应减弱,桩顶水平位移最大可达约24～25mm,深层水平位移最大可达32.37mm,满足《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012) ^[5]、《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497—2019) ^[6]对变形限值的要求。

　　 图5 开挖至坑底时基坑 位移云图/mm   

　　  

　　 图6 开挖至坑底时支撑梁 轴力云图/kN   

　　  

　　 图7 开挖至坑底时冠梁、腰梁 弯矩云图/(kN·m)   

　　  

　　 开挖至坑底时支撑梁轴力云图见图6。由图6可知,内支撑的最大轴力发生在内支撑1处腰梁层支撑位置(图4),最大轴力约为5 860kN,此部位冠梁层支撑轴力约为2 466kN。内支撑2处腰梁层支撑轴力约为4 573kN,此部位冠梁层支撑轴力约为1 623kN。

　　 开挖至坑底时冠梁、腰梁弯矩云图见图7。由图7可得,B侧圆弧位置冠梁最大跨中弯矩约为3 088kN·m,支座弯矩约为4 855 kN·m; 对应位置腰梁跨中弯矩约为1 604kN·m,支座弯矩约为5 243kN·m。A侧圆弧(图4)段拱效应明显,主要以轴力为主,弯矩相对较小。

　　 开挖至坑底时桩弯矩云图见图8。由图8可得,支护桩最大弯矩发生在开挖较深的两侧圆弧位置,均位于支护桩与坑内土交界位置,A侧圆弧最大弯矩约为760kN·m,B侧圆弧最大弯矩约为800kN·m。

　　 图8 开挖至坑底时桩弯矩云图/(kN·m)   

　　  

2.2 MIDAS GTS计算分析

2.2.1 模型信息

　　 工程土体采用六面体实体单元,本构模型采用修正摩尔库伦模型 ^[7]; 支护桩按照《基坑工程手册》 ^[8]提供的刚度等效法等效为地下连续墙,采用壳单元模拟,但是考虑到地下连续墙水平向拱效应明显,因此在两端圆弧位置按实际情况建模,采用梁单元模拟; 内支撑和钢立柱均采用梁单元模拟。基坑模型不考虑基坑对附近场地的动力响应产生的影响 ^[9]。

　　 计算模型中水位变化通过设置总水头随开挖工序的变化进行模拟,并通过设置施工阶段分析以尽可能准确地反映实际开挖次序对整体结构的影响 ^[10]。

　　 模型中土体的水平分布范围取基坑开挖轮廓线外扩基坑开挖深度的3倍的距离(即30m),坑底以下取至中风化土层顶面,深度为19.3m。开挖后基坑整体模型如图9所示。

　　 图9 开挖后基坑整体模型 

　　  

2.2.2 计算结果及分析

　　 开挖至坑底时基坑水平位移云图见图10。由图10可得,基坑的变形趋势与理正深基坑结构设计软件的模拟结果一致,B侧圆弧位置X向最大位移为28mm,Y向最大位移为20mm,沿坑内方向为X向和Y向的矢量和,最大值为34.4mm。

　　 图10 开挖至坑底时基坑水平位移云图/mm   

　　  

　　 开挖至坑底时内支撑轴力云图见图11。由图11可得,内支撑1处腰梁层内支撑的最大轴力约为5 470kN,其上冠梁层内支撑的轴力约为3 640kN,内支撑2处腰梁层内支撑的最大轴力约为5 640kN,其上冠梁层内支撑的轴力约为2 880kN。

　　 图11 开挖至坑底时内支撑 轴力云图/kN   

　　  

　　 图12 开挖至坑底时冠梁、腰梁 弯矩云图/(kN·mm)  

　　  

　　 图13 开挖至坑底时支护桩 弯矩云图/(kN·mm)

　　  

　　 开挖至坑底时冠梁、腰梁弯矩云图见图12。由图12可得,B侧圆弧位置冠梁最大跨中弯矩约为3 600kN·m,支座弯矩约为5 426kN·m; 对应位置腰梁最大跨中弯矩约为2 080kN·m,支座弯矩约为4 570kN·m。A侧圆弧段拱效应明显,弯矩相对较小。

　　 开挖至坑底时支护桩弯矩云图见图13。由图13可得,支护桩最大弯矩的分布规律与理正深基坑结构设计软件的模拟结果一致,A侧圆弧位置最大弯矩约为730kN·m,B侧圆弧位置最大弯矩约为780kN·m。

2.3 计算结果对比分析及应用

　　 (1)MIDAS GTS和理正深基坑结构设计软件在两段圆弧段位置支护桩的位移和弯矩计算结果(表2)较为接近,本工程支护桩按理正深基坑结构设计软件的计算结果进行设计。

　　 圆弧段位置支护桩的位移和弯矩对比 表2

软件	MIDAS GTS	理正深基坑结构设计
位移/mm	34.40	32.37
A侧圆弧处弯矩/(kN·m)	760	730
B侧圆弧处弯矩/(kN·m)	800	780

 

　　  

　　 (2)MIDAS GTS和理正深基坑结构设计软件内支撑的计算结果(表3)存在不同程度的差异,主要原因在于理正深基坑结构设计软件计算时将基坑开挖面以上坑外土体简化为主动土压力,然而通过MIDAS GTS整体计算发现内支撑1两端点局部范围土体位移非常小,接近静止土压力;内支撑2有整体上移的趋势,此支撑北侧端点局部范围内的土体应力接近被动土压力。本工程对内支撑进行设计时,对理正深基坑结构设计软件计算结果考虑了1.5倍的放大系数。

　　 支撑轴力对比 表3

软件	MIDAS GTS	理正深基坑结构设计
内支撑1冠梁层支撑轴力/kN	3 640	2 466
内支撑1腰梁层支撑轴力/kN	5 470	5 860
内支撑2冠梁层支撑轴力/kN	2 880	1 623
内支撑2腰梁层支撑轴力/kN	5 640	4 573

 

　　  

　　 (3)MIDAS GTS和理正深基坑结构设计软件冠梁和腰梁弯矩的计算结果(表4)大体是一致的,且跨中弯矩相对较为接近,支座弯矩存在较大差异,主要原因同内支撑轴力计算所述。本工程进行冠梁和腰梁设计时,按理正深基坑结构设计软件计算结果和MIDAS GTS整体计算结果进行包络设计。

　　 冠梁和腰梁弯矩对比 表4

软件	MIDAS GTS	理正深基坑结构设计
B侧圆弧冠梁跨中弯矩/(kN·m)	3 600	3 088
B侧圆弧冠梁支座弯矩/(kN·m)	5 426	4 855
B侧圆弧腰梁跨中弯矩/(kN·m)	2 080	1 604
B侧圆弧腰梁支座弯矩/(kN·m)	4 570	5 243

 

　　  

3 结论

　　 (1)对于中心位置为近似圆形、周边组合不规则多边形的支护形式,可仅在圆形与不规则多边形交界位置设置内支撑,使中心区域形成封闭的近似圆形空间,以取得良好的支护效果及经济效益。

　　 (2)空间效应比较明显的支护结构体系,采用理正深基坑结构设计软件进行设计时,建议对冠梁、腰梁和内支撑的计算结果进行适当放大,或者与通用有限元软件整体计算结果进行包络设计。