通航河道深基坑支護系統(tǒng)建模設計研究

1、<p>　　通航河道深基坑支護系統(tǒng)建模設計研究</p><p>　　摘要：通航河道中深基坑的施工是橋梁工程施工中的難點，也是重要的風險點，基坑支護系統(tǒng)的建模和驗算是最優(yōu)化設計的必經(jīng)之路，本文利用同濟啟明星基坑設計計算軟件FRWS7建模，選取現(xiàn)實施工地質條件，通過對支護系統(tǒng)的擋墻設計、換拆撐設計、內力變形計算、整體穩(wěn)定計算、坑底抗隆起計算、墻體抗隆起計算、鋼板樁強度計算，全方位掌握基坑受力狀況，確保設計合

2、理、安全，同時也為類似工況的基坑設計提供參考依據(jù)。 </p><p>　　關鍵字：通航河道；深基坑；支護系統(tǒng)；建模；設計； </p><p>　　中圖分類號：U45 文獻標識碼： A </p><p>　　Abstract: deep foundation construction of bridge construction is difficult and im

3、portant risk points in the navigable river, modeling and checking excavation system is the only way to optimize the design, we use Tongji Venus Pit design calculation software FRWS7 &#8203;&#8203;modeling, select

4、 construction geological conditions, by retaining wall design, for (demolition) support design, internal force deformation calculation, the overall stability calculation, bottom heave, heave the wall, sheet </p>&

5、lt;p>　　Keywords: navigable rivers; deep foundation; support systems; modeling; design; </p><p><b>　　1. 引言 </b></p><p>　　深基坑施工作為危險性較大的分部分項工程，是橋梁基礎結構施工的重點也是難點，通航河道中承臺的施工由于增加了水流對圍堰的沖

6、擊力，并且無法斷流施工，更是為施工增加了不小的困難。基坑圍護結構的設計，不僅關系到基坑開挖及周邊保護建（構）筑物的安全，而且直接影響著土方開挖以及地下結構施工等成本?；又ёo結構是個系統(tǒng)工程，不僅要保證受力合理，而且要施工方便、工期節(jié)省。本文以上海某通航河道水中深基坑施工為例，對其支護系統(tǒng)進行設計研究，為類似工況的基坑設計提供技術支持。 </p><p><b>　　2.研究背景 </b>&

7、lt;/p><p>　　本研究以上海某高架橋河中承臺施工為研究背景，所涉及河道寬25m，河底標高0m，設計低水位為2m，設計常水位為2.5m，設計高水位3m，河流最大流速3m/s，6級通航河道，護岸結構為漿砌塊石（見圖1-1）。承臺位置為河道中央，離最近岸邊距離為9m，承臺長寬高尺寸為5.2m×5.2m×2.2m，頂標高為-1m（即高水位以下4m），基坑底標高為-3.2m（即高水位以下6.2m），

8、考慮承臺施工方便 </p><p>　　及河水爬升影響，基坑尺寸長寬為承臺各邊外擴1.5m，基坑高增加0.5m，則基坑長寬高尺寸為8.2m×8.2m×6.7m。 </p><p>　　圖2-1 河道護岸斷面圖 </p><p><b>　　3.建模計算 </b></p><p><b>　　

9、3.1采用軟件 </b></p><p>　　圍護設計采用同濟啟明星基坑設計計算軟件FRWS7進行驗算。 </p><p><b>　　3.2計算參數(shù) </b></p><p>　　（1）基坑開挖深度：6.7m。 </p><p>　?。?）地面施工荷載取20kPa。 </p><p>

10、;　?。?）側向應力采用水土分算；土力學指標采用固結快剪峰值。 </p><p><b>　　（4）土層參數(shù) </b></p><p>　　表3-1地質情況表 </p><p>　　序號 土層名稱 厚度 </p><p><b>　　(m) γ </b></p><p>　　

11、(kN/m3) c </p><p><b>　　(kPa) φ </b></p><p><b>　　(°) </b></p><p>　　1 雜填土 1.50 18.0 5.00 10.00 </p><p>　　2 粘土 1.00 18.4 19.00 15.40 </p>

12、;<p>　　3 粉砂 2.70 18.9 2.00 31.50 </p><p>　　4 淤泥質粉質粘土 5.30 17.6 12.00 14.80 </p><p>　　5 淤泥質粘土 7.50 17.4 13.00 13.20 </p><p><b>　　續(xù)表 </b></p><p>　　序號 土

13、層名稱 厚度 </p><p><b>　　(m) m </b></p><p>　　(MN/m4) Kmax </p><p>　　(MN/m3) Gs e </p><p>　　1 雜填土 1.50 2.0 0.0 2.5 1.00 </p><p>　　2 粘土 1.00 3.0 0.0 2

14、.5 1.00 </p><p>　　3 粉砂 2.70 4.0 0.0 2.5 1.00 </p><p>　　4 淤泥質粉質粘土 5.30 4.0 0.0 2.5 1.00 </p><p>　　5 淤泥質粘土 7.50 4.0 0.0 2.5 1.00 </p><p>　　地下水位埋深：0.50m。 </p><p

15、>　　3.3開挖與支護設計 </p><p>　　3.3.1基坑支護方案如圖： </p><p>　　圖3-1 基坑支護方案圖 </p><p>　　3.3.2 擋墻設計 </p><p>　　· 擋墻類型：拉森鋼板樁； </p><p>　　· 嵌入深度：5.300m； </p>

16、<p>　　· 露出長度：0.000m； </p><p>　　· 型鋼型號：拉森Iv； </p><p>　　· 樁間距：400mm； </p><p>　　3.3.3支撐(錨)結構設計 </p><p>　　本方案設置2道支撐(錨)，各層數(shù)據(jù)如下： </p><p>　　

17、第1道支撐(錨)為平面內支撐， 距墻頂深度0.700m， 工作面超過深度0.300m，預加軸力0.00kN/m，對擋墻的水平約束剛度取50000.0kN/m/m。 該道平面內支撐具體數(shù)據(jù)如下： </p><p>　　· 支撐材料：鋼支撐； </p><p>　　· 支撐長度：6.200m； </p><p>　　· 支撐間距：5.000

18、m； </p><p>　　· 與圈梁之間的夾角：90.000°； </p><p>　　· 不動點調整系數(shù)：0.500； </p><p>　　· 型鋼型號：40b； </p><p><b>　　· 根數(shù)：1； </b></p><p>　　&

19、#183; 松弛系數(shù)：1.000。 </p><p>　　第2道支撐(錨)為平面內支撐， 距墻頂深度2.700m， 工作面超過深度0.300m，預加軸力0.00kN/m，對擋墻的水平約束剛度取50000.0kN/m/m。 該道平面內支撐具體數(shù)據(jù)如下： </p><p>　　· 支撐材料：鋼支撐； </p><p>　　· 支撐長度：6.200m；

20、 </p><p>　　· 支撐間距：5.000m； </p><p>　　· 與圈梁之間的夾角：90.000°； </p><p>　　· 不動點調整系數(shù)：0.500； </p><p>　　· 型鋼型號：40b； </p><p><b>　　·

21、 根數(shù)：1； </b></p><p>　　· 松弛系數(shù)：1.000。 </p><p>　　3.4換(拆)撐設計 </p><p>　　表3-1 換（拆）撐分析 </p><p><b>　　序號 換撐距墻 </b></p><p>　　頂深度(m) 換撐后拆 </p

22、><p>　　除的支撐 預加軸力 </p><p>　　(kN/m) 換撐對樁墻的約束效果 </p><p>　　1 4.500 第1、2道支撐 0.00 水平：固定 </p><p><b>　　轉動：固定 </b></p><p>　　3.4.1 工況順序 </p><p>

23、;　　該基坑的施工工況順序如下圖所示： </p><p><b>　　4.內力變形計算 </b></p><p><b>　　4.1 計算參數(shù) </b></p><p>　　水土計算（分算/合算）方法：分算； </p><p>　　水壓力計算方法：靜止水壓力，修正系數(shù)：1.0； </p>

24、<p>　　主動側土壓力計算方法： 朗肯主動土壓力，分布模式：矩形，調整系數(shù)：1.0，負位移不考慮土壓力增加； </p><p>　　被動側基床系數(shù)計算方法： "m"法， 土體抗力不考慮極限土壓力限值； </p><p>　　墻體抗彎剛度折減系數(shù)：1.0。 </p><p><b>　　4.2 計算結果 </b>

25、;</p><p>　　4.2.1 內力變形結果 </p><p>　　每根樁抗彎剛度EI=66990kN.m2。 </p><p>　　以下內力和土體抗力的計算結果是每根樁的；支撐反力是每延米的。 </p><p>　　表4-1 支(換)撐反力范圍表 </p><p>　　抗力 相對樁頂深度(m) 最小值(kN/m)

26、 最大值(kN/m) </p><p>　　支撐 第1道支撐 0.70 -13.8 56.7 </p><p>　　第2道支撐 2.70 0.0 256.3 </p><p>　　換撐 第1道換撐 4.50 -0.0 242.5 </p><p><b>　　5.整體穩(wěn)定計算 </b></p><p&

27、gt;<b>　　5.1 計算參數(shù) </b></p><p>　　整體穩(wěn)定計算方法： 瑞典條分法； </p><p>　　應力狀態(tài)計算方法： 總應力法； </p><p>　　土釘法向力折減系數(shù)：ξ=0.5； </p><p>　　土釘切向力折減系數(shù)：ξ=1.0； </p><p>　　錨桿法向力

28、折減系數(shù)：ξ=0.0； </p><p>　　錨桿切向力折減系數(shù)：ξ=0.0； </p><p>　　樁墻抗滑考慮方式：滑面繞樁； </p><p>　　浸潤線不考慮止水帷幕； </p><p>　　滑弧搜索不考慮局部失穩(wěn)； </p><p><b>　　考慮開挖工況； </b></p>

29、;<p>　　搜索范圍：坡頂：全范圍；坡底：全范圍； </p><p>　　搜索方法： 遺傳算法。 </p><p><b>　　5.2 計算結果 </b></p><p>　　5.2.1 開挖至-6.70m(深6.70m) </p><p>　　滑弧：圓心(1.66m,-0.00m)，半徑：12.16m，

30、 起點(-10.50m,0.00m)， 終點(11.81m,6.70m)， 拱高比0.744； </p><p>　　下滑力：777.33kN/m； </p><p>　　土體(包括攪拌樁和坑底加固土)抗滑力：971.67kN/m； </p><p>　　土釘/錨桿抗滑力：0.00kN/m； </p><p>　　樁墻的抗滑力：0.00kN/

31、m； </p><p>　　安全系數(shù)：1.25。 </p><p>　　6.坑底抗隆起計算 </p><p><b>　　6.1 計算參數(shù) </b></p><p><b>　　滑弧中心：坑底； </b></p><p>　　滑弧位置：通過樁底； </p>&l

32、t;p>　　應力狀態(tài)計算方法：總應力法； </p><p>　　樁墻彎曲抗力：考慮； </p><p>　　垂直滑面阻力：忽略； </p><p>　　滑面水平應力：考慮。 </p><p><b>　　6.2 計算結果 </b></p><p>　　下滑力：378.5kN/m； </

33、p><p>　　抗滑力：646.5kN/m； </p><p>　　每延米墻體抗滑力：0.0kN/m； </p><p>　　安全系數(shù)：1.71 。 </p><p>　　7.墻底抗隆起計算 </p><p><b>　　7.1 計算參數(shù) </b></p><p>　　計算公式

34、：Prandtl； </p><p>　　考慮隆起土層不均勻性厚深比：0.0； </p><p>　　考慮放坡影響寬深比：1.0。 </p><p><b>　　7.2 計算結果 </b></p><p><b>　　7.2.1 墻底 </b></p><p>　　坑內側向外

35、6.7m范圍內總荷載：1579.9kN/m； </p><p>　　驗算斷面處土體內聚力：13.0kPa；內摩擦角：13.2°。 </p><p><b>　　地基承載力： </b></p><p>　　安全系數(shù)：438.2×6.7/1579.9=1.86。 </p><p>　　8.鋼板樁強度計算

36、</p><p><b>　　8.1 計算參數(shù) </b></p><p>　　設計值系數(shù)：1.25； </p><p>　　彎矩折減系數(shù)：1.0。 </p><p><b>　　8.2 計算結果 </b></p><p>　　最大彎矩標準值：120.8kN.m； </p

37、><p>　　彎矩設計值：151.0kN.m； </p><p>　　鋼板樁抗彎截面模量：0.0mm3； </p><p>　　鋼板樁邊緣正應力：InfinitykPa； </p><p>　　抗彎強度設計值：210000.0kPa。 </p><p><b>　　8.3驗算內容 </b></p

38、><p><b>　　計算內容包括： </b></p><p>　?。?）整體穩(wěn)定性驗算 </p><p>　?。?）坑底、墻底抗隆起驗算 </p><p><b>　?。?）內力變形 </b></p><p><b>　　（4）鋼板樁強度 </b><

39、/p><p><b>　　8.4計算結果 </b></p><p>　　圍護結構計算結果統(tǒng)計見下表3-1。 </p><p>　　表8-1 圍護結構計算結果 </p><p>　　內容 1-1 規(guī)范要求 </p><p>　　開挖深度（m） 6.7 </p><p>　　整體穩(wěn)