圓形基坑受力分析計算分析

圓形基坑受力分析計算分析

0圓形基坑的應(yīng)用圓形地基可用于充分發(fā)揮圓形地下連續(xù)墻的“圓桶”作用，將地板和地壓的作用轉(zhuǎn)化為地板和環(huán)支撐的軸向壓力，充分利用混凝土的抗壓能力，提高成本控制的產(chǎn)量。降低設(shè)計成本。另外,由于“圓桶”的空間效應(yīng),圓形基坑在適當(dāng)減少地下連續(xù)墻插入比的情況下也可達(dá)到較高的土體抗隆起穩(wěn)定系數(shù)。與方形基坑相比,圓形基坑具有較好的經(jīng)濟(jì)性和安全性。因此,隨著上海地區(qū)城市建設(shè)快速發(fā)展,圓形基坑得到較為廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合“上海中心”超深超大圓形基坑的工程實踐,對圓形基坑常用的計算方法進(jìn)行研究對比,并對圓形基坑受力及變形特點進(jìn)行分析。1設(shè)計計算方法的確定圓形基坑的空間效應(yīng)非常明顯,在水土壓力作用下,圍護(hù)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生豎向受彎和環(huán)向受壓的受力優(yōu)點。圓形支護(hù)體系的豎向抗彎剛度與環(huán)向抗壓剛度的相對大小決定了支護(hù)體系受力性狀和傳力路徑。在圓形基坑的設(shè)計計算中,既要考慮地下連續(xù)墻環(huán)向受壓的安全穩(wěn)定,也不能忽視豎向受彎的安全穩(wěn)定。因此,合理考慮豎向抗彎剛度與環(huán)向抗壓剛度是設(shè)計計算的關(guān)鍵。目前,國內(nèi)學(xué)者針對圓形基坑進(jìn)行了一定的研究,圓形基坑設(shè)計計算中常用的方法有:考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法、三維彈性地基板法和考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)—土體共同作用的三維彈塑性有限元法。這些方法均能夠模擬圓形基坑的空間受力特性。其中考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法計算原理簡明,計算參數(shù)的選取較為成熟,運算成本低,最便于工程設(shè)計的應(yīng)用;三維彈性地基板法則能更全面的反應(yīng)圓形基坑的空間受力狀態(tài),但部分計算參數(shù)的選取尚需工程經(jīng)驗指導(dǎo),同時邊界約束和地墻接頭模型等能否根據(jù)工程實際進(jìn)行合理設(shè)置,對計算結(jié)果的正確性有一定的影響,設(shè)計過程中,前兩種方法宜結(jié)合使用,相互參照以確保計算結(jié)果的合理;第三種方法由于土體本構(gòu)模型的選擇以及計算參數(shù)的選擇尚不成熟,因此不便于直接應(yīng)用到工程設(shè)計中?！吧虾Ｖ行摹眻A形基坑的分析結(jié)合采用了前兩種方法。1.1地墻軸力及環(huán)撐等效剛度圓形地下連續(xù)墻可以視為軸對稱結(jié)構(gòu),取單位寬度的墻體作為豎向彈性地基梁,圓形地墻以及環(huán)撐的環(huán)向圓拱效應(yīng)可以用等效剛度的彈簧來代替,地下連續(xù)墻以及環(huán)撐的環(huán)向軸力可根據(jù)變形計算結(jié)果反推。計算簡圖見圖1。環(huán)撐及地墻環(huán)向等效剛度計算方法如下:式中,Kh和Kd分別為環(huán)撐和地墻的環(huán)向等效剛度,Eh和Ed分別為環(huán)撐和地墻的彈性模量,Ah為環(huán)撐截面積,b為地墻厚度,Rh0和R0分別為環(huán)撐和地墻的中心線初始半徑。α=0.5~0.7,當(dāng)直徑較大或者地墻幅段較多時應(yīng)取小值。環(huán)撐或地墻環(huán)向軸力計算方法如下:式中,N為環(huán)撐或地墻的環(huán)向軸力,A為環(huán)撐或單位深度內(nèi)地墻的截面積,S為環(huán)撐或地墻的徑向位移,R0為環(huán)撐或地墻中心線的初始半徑。1.2彈性地基梁法推導(dǎo)三維彈性地基板法與三維桿系有限元法類似,由常規(guī)的平面豎向彈性地基梁法推導(dǎo)而來,計算簡圖見圖2。為了較真實的模擬基坑的環(huán)向受力性狀,宜按照基坑真實形狀,建立多邊形計算模型。1.3彈簧剛度和水平間距的確定(1)坑內(nèi)開挖面以下的土體采用彈簧單元模擬,土彈簧剛度為式中,Kh為土彈簧剛度,b和h為土彈簧的水平向和豎向的計算間距,kh為土體水平基床系數(shù),可由“m”法確定。(2)計算時結(jié)合實際工況,采用增量法計算模擬開挖施工和支撐設(shè)置。1.4柔性接頭形式根據(jù)前文所述圓形基坑的受力特點,設(shè)計中必須合理的考慮地下連續(xù)墻的環(huán)向抗壓剛度,除了文獻(xiàn)中提到的基坑直徑和地墻幅段數(shù)量外,還應(yīng)考慮以下兩個因素的影響。(1)當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻僅作為臨時圍護(hù)結(jié)構(gòu)時,設(shè)計中一般采用柔性鎖口管接頭以降低工程造價。與剛性接頭相比,柔性接頭處相鄰地墻間約束較小,變形及受力特點更類似鉸接,采用柔性接頭的圓形地下連續(xù)墻體系整體性較弱,環(huán)向剛度較小。因此計算中必須考慮不同接頭形式對地墻環(huán)向剛度的影響。(2)圓形基坑一般采用以下幾種支撐體系:環(huán)形支撐(環(huán)撐間也可以增設(shè)豎向肋)、雙環(huán)支撐桁架、內(nèi)襯墻、逆作結(jié)構(gòu)梁板等類型,也可以組合采用多種支撐類型。一般認(rèn)為,支撐體系水平向或環(huán)向的剛度越大,則圓形地下連續(xù)墻的整體性越好,環(huán)向剛度越大。設(shè)計計算中必須根據(jù)各工程支撐體系的選型以及支撐的豎向布置,合理考慮圓形地下連續(xù)墻環(huán)向剛度。2“上海中心”的全球多層設(shè)計和深大圓基部的分析2.1基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)“上海中心”塔樓區(qū)深大圓形基坑直徑123.4m,開挖深度31.2m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻,混凝土標(biāo)號C45,墻厚1.2m,墻深50m?？觾?nèi)側(cè)沿地墻豎向設(shè)置6道環(huán)撐,基坑采用明挖順作法施工。場地實景照片見圖3,圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置及土層分布見圖4。本工程場地土層主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成,除缺失(8)層土外,其余各土層均有分布。土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。2.2考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法設(shè)計中,我國采用的歸正面波,在確定地墻環(huán)向剛度時,設(shè)計了一個波“上海中心”圓形基坑直徑較大,由于地墻為臨時結(jié)構(gòu),采用了柔性鎖口管接頭,且考慮到基坑上段支撐間距較大,支撐體系剛度較弱,因此設(shè)計中考慮對地墻環(huán)向剛度予以折減,在使用考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法計算時,α應(yīng)取小值;在使用三維彈性地基板法計算時,對地墻接頭處剛度進(jìn)行相應(yīng)折減。(1)最大彎矩設(shè)計值圖5為考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法主要計算結(jié)果。經(jīng)計算,地下連續(xù)墻最大水平變形60.1mm,豎向最大彎矩設(shè)計值3650kN·m,根據(jù)式(3)可得到地墻最大環(huán)向軸力為12080kN。計算結(jié)果表明“上海中心”圓形基坑環(huán)向受力和豎向彎曲變形均較大,設(shè)計中需要確保環(huán)向和豎向兩個受力方向的安全穩(wěn)定。(2)地下連續(xù)墻支護(hù)圖6~8為三維彈性地基板法的計算模型和主要計算結(jié)果。經(jīng)計算,地下連續(xù)墻最大水平變形41.3mm,最大環(huán)向軸力12600kN。與考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法計算結(jié)果相比,變形值略小,內(nèi)力值較為一致。(3)計算結(jié)果對比圖9為基坑開挖至坑底時地下連續(xù)墻P05號測點處的工程實測變形曲線。表2為“上海中心”圓形基坑的實測數(shù)據(jù)與兩種計算方法所得結(jié)果的對比。兩種計算方法所得計算結(jié)果均與工程實測較為一致,實測與計算可知地墻環(huán)向軸力和豎向彎曲變形均較大,圓形基坑具有明顯的空間效應(yīng)。在“上海中心”超深超大圓形基坑的設(shè)計中,合理的分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)向剛度和傳力路徑,設(shè)計中兼顧了環(huán)向和豎向的受力安全穩(wěn)定,從而在設(shè)計上保證了基坑工程的安全合理。3地墻剛度對地墻環(huán)向剛度的影響前文對“上海中心”圓形基坑的計算中,考慮到其地墻整體性較弱,對地墻環(huán)向剛度進(jìn)行了折減,計算與工程實測較為一致。為了進(jìn)一步驗證地墻接頭形式、支撐體系剛度等對深大圓形基坑環(huán)向剛度的影響,本文以文獻(xiàn)提供的資料,對上海某逆作深大圓形基坑進(jìn)行分析計算。該工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置及地質(zhì)條件參見文獻(xiàn),本文不再贅述。該工程地墻為作為永久結(jié)構(gòu)的一部分,采用了剛性接頭,考慮到逆作法樓板剛度遠(yuǎn)大于普通環(huán)撐,基坑整體性非常好,計算分析時對地墻環(huán)向剛度的折減較少。圖10為考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法的變形計算結(jié)果。經(jīng)計算,地下連續(xù)墻最大水平變形38.1mm,最大彎矩2040kN·m,根據(jù)式(3)可得地墻最大環(huán)向軸力為17725kN。根據(jù)文獻(xiàn)和,該工程采用三維彈性地基板法計算地墻最大水平位移32.1mm,最大環(huán)向軸力17779kN,最大彎矩1857kN·m。工程實測地墻最大測斜值在30~47mm,環(huán)向軸力約18000kN。通過對上述分析可知,大直徑圓形基坑中地墻的接頭形式、支撐體系剛度對基坑的環(huán)向剛度、變形和受力特性影響較為明顯?？傮w而言,圓形地下連續(xù)墻整體性越強,其環(huán)向剛度越大,環(huán)向受力特征越明顯,反之則豎向受力特征越明顯。4結(jié)構(gòu)有限元分析的合理性分析通過對“上海中心”超深超大圓形基坑的分析研究,可以得到以下結(jié)論:(1)圓形基坑設(shè)計分析必須考慮其空間效應(yīng),采用考慮圓拱效應(yīng)的平面彈性地基梁法和三維彈性地基板法得到的變形與內(nèi)力結(jié)果與工程實測均較為一致,而前者的變形計算結(jié)果更接近工程實測,后者