安徽天翰工程咨询有限责任公司，徐学良，安徽马鞍山 243000
摘要：深基坑工程的突出特点是，其设计与施工除需保证深基坑工程自身的技术合理与安全外，还需控制其施工对环境的影响。由于我国深基坑工程发展的历史不长，理论研究落后于工程实践，而工程经验人员技术水平的限制，我国近年来出现了一些基坑工程的事故，也出现了许多深基坑工程施工对环境造成有害影响的工程实例。本文采用有限元软件对深基坑支护形式进行结构验算，可以提高结构验算的准确性，对明确结构所处于的安全稳定状态有积极的作用，对现场的施工有指导意义。
关键词：深基坑；有限元；施工管理
1 工程概况
本文依托项目的项目特征为：根据设计图纸中的平面图所示位置，基坑开挖面积最大开挖的外边线尺寸为6×3m，最大的开挖深度约5.3m，周边土质以粉土及黄土为主，地下水位较低，受季节性降水影响较大，开挖周边10m范围内有建筑物，开挖范围内无重要的管线布置，基坑等级按照二级基坑处理。
2 方案选型
根据工程概况的主要内容，施工区域内不具备放坡开挖的条件，且距离民房及重要管线距离较近，因此选择钢板桩支护方式进行支护开挖，支护的主要参数见表1：
表1 支护的主要参数
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开挖深度 |
5.3 |
备注 |
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开挖方式 |
垂直开挖 |
6×3m |
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支护形式 |
拉森钢板桩SP-4 |
有效宽度400mm |
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围护 |
HW400×408型钢 |
在挖深2.5-3m左右设置一道 |
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内支撑 |
HW400×400型钢 |
长度方向3m、宽度1.5m设置 |
3 有限元模拟及验算
3.1 基本信息
选择理正深基坑有限元软件进行整体及单片验算，见表2：
表2 理正深基坑有限元软件整体及单片进行验算
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规范与规程 |
《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-2012 |
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内力计算方法 |
增量法 |
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支护结构安全等级 |
一级 |
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支护结构重要性系数γ0 |
1.00 |
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基坑深度h/m |
5.300 |
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嵌固深度/m |
5.000 |
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桩顶标高/m |
0.000 |
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桩材料类型 |
钢板桩 |
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每延米截面面积A/cm2 |
236.00 |
|
每延米惯性矩I/cm4 |
39600.00 |
|
每延米抗弯模量W/cm3 |
2200.00 |
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抗弯f/Mpa) |
215 |
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有无冠梁 |
无 |
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防水帷幕 |
无 |
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放坡级数 |
0 |
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超载个数 |
1 |
|
支护结构上的水平集中力 |
0 |
3.2 模型建立
建立深基坑有限元模型，采用拉森钢板桩-Ⅳ型，围护结构及内支撑型钢均采用Q345钢材，技术指标应符合规范要求，其弹性模量E=2.1×105MP，剪切模量G=0.81×105MP。建立的有限元整体模型如图1所示：
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三维模型 |
图1 有限元深基坑摸型
3.3 单片结构验算
（1）内力值
经计算内力取值见表3。
表3 经计算内力取值表
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内力类型 |
弹性法 |
经典法 |
内力 |
内力 |
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计算值 |
计算值 |
设计值 |
实用值 |
|
基坑内侧最大弯矩/(kN·m) |
78.61 |
79.20 |
83.52 |
83.52 |
|
基坑外侧最大弯矩/(kN·m) |
51.71 |
91.55 |
54.94 |
54.94 |
|
最大剪力/kN |
60.79 |
57.40 |
75.99 |
75.99 |
（2）稳定性验算
1）截面验算
基坑内侧抗弯验算(不考虑轴力)
σ内 为37.964(MPa) < f = 215.000(MPa)，满足
基坑外侧抗弯验算(不考虑轴力)
σ外为24.972(MPa) < f = 215.000(MPa)，满足
式中: σ外———基坑外侧最大弯矩处的正应力/Mpa;
σ内———基坑内侧最大弯矩处的正应力/Mpa;
Mw ———基坑外侧最大弯矩设计值/(kN·m);
Mn ———基坑内侧最大弯矩设计值/(kN·m);
Wx ———钢材对x轴的净截面模量/m3;
f ———钢材的抗弯强度设计值/Mpa;
2) 抗倾覆验算
从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，结果如下：
Ks=(18.000×5.000×3.941+10.000×10.977)/(18.417×(5.300+5.000)+0.000)=2.448 ≥ 1.800，抗隆起稳定性满足。
3.4 整体性验算
（1）结构强度验算
各工况结构强度验算，验算结果如图2，图3所示。
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（a） |
（b） |
图2 工况一：开挖至3m
（a）整体三维位移；（b）桩弯矩（kN/m）
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整体三维位移 |
桩弯矩（kN/m） |
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腰梁弯矩（kN/m） |
腰梁剪力（kN） |
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内支撑弯矩（kN/m） |
内支撑轴向力（kN） |
工况二：开挖至坑底
（2）安全性验算：
1）腰梁安全性验算：
刚度计算：根据工况二中最不利的情况腰梁最大的弯矩为104.1kN/m
xh=HW400x408各跨截面几何特性见表4。
表4 xh=HW400x408各跨截面几何特性
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跨号 |
面积/cm2 |
惯性矩Ix/cm4 |
Wx1/cm3 |
Wx2/cm3 |
回转半ix/cm |
惯性矩Iy/cm4 |
|
1 |
250.70 |
70900.00 |
3540.00 |
3540.00 |
16.80 |
23800.00 |
|
跨号 |
Wy1(cm3) |
Wy2(cm3) |
回转半径iy(cm) |
面积矩Sx(cm3) |
γx1 |
γx2 |
|
1 |
1166.67 |
1166.67 |
9.74 |
1960.07 |
1.05 |
1.05 |
腰梁材料的容许应力σ允许=200MPA
其中：Wx1—截面上部对x轴的全截面模量；
Wx2—截面下部对x轴的全截面模量；
Wy1—截面左侧对y轴的全截面模量；
Wy2—截面右侧对y轴的全截面模量；
γx1—截面上部对主轴x的截面塑性发展系数；
γx2—截面下部对主轴x的截面塑性发展系数。
σ计算=M/rWx=104.1KN/1.05*0.003540=28.006 MPA＜σ允许
腰梁受到的应力在允许应力范围内，结构强度满足
2）支撑体系安全性验算
刚度计算：根据工况二中最不利的情况支撑体系最大的弯矩为151.6kN/m
xh=HW400x408各跨截面几何特性：
表5 xh=HW400x408各跨截面几何特性
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跨号 |
面积(cm2) |
惯性矩Ix(cm4) |
Wx1(cm3) |
Wx2(cm3) |
回转半ix(cm) |
惯性矩Iy(cm4) |
|
1 |
250.70 |
70900.00 |
3540.00 |
3540.00 |
16.80 |
23800.00 |
|
跨号 |
Wy1(cm3) |
Wy2(cm3) |
回转半径iy(cm) |
面积矩Sx(cm3) |
γx1 |
γx2 |
|
1 |
1166.67 |
1166.67 |
9.74 |
1960.07 |
1.05 |
1.05 |
支撑材料的容许应力σ允许=200MPA
各项变量代表意义与腰梁中变量意义一致。
计算应力σ计算=M/rWx=151.6KN/1.05*0.003540=40.7MPA＜σ允许
支撑受到的应力在允许应力范围内，结构强度满足要求。
强度验算：支撑体系最大的轴力为395KN
支撑截面的面积为250.07 cm2
抗压强度=N/A=395000N/0.025 m2
= 1.58*107pa=15.8MP
允许抗压强度σ允许=200 MP，满足要求
4 结束语
根据以上的钢板桩的单片结构强度验算及整体性验算，钢板桩处于安全稳定状态，可以满足工况条件下的施工。同时进一步的对腰梁及支撑体系的结构安全性进行验算，保证了施工期间的安全可靠。钢板桩的选型、布置方式、腰梁、支撑的选型布置方式合理可靠，可以满足现场施工要求。
参考文献
[1]建筑地基基础工程施工质量验收规范:GB 50202-2002[S].
[2]建筑基坑工程监测技术规范：GB50497-2009[S].
