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深厚泥炭质软土基坑中应用巨型环形板的影响
摘要：论述了圆形基坑的受力特点、分析模型及方法，并以昆明滇池边国内最大规模圆形基坑为例，分析了环形板撑的刚度计算方法及影响因素，同时对影响因素做了敏感度分析。通过对圆形基坑进行整体有限元计算分析、与施工监测数据进行对比，总结了环形板撑施工应注意的问题。
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在深厚软土地区进行深基坑设计时，由于软土本身具有强度低、蠕变性突出的特点，大型深基坑支护方案选型需要慎重考虑。如基坑采用内对撑支挡结构体系时，支护体系一般较复杂，需设置大量的中立柱，对主体结构施工影响较大，拆、换撑工序对工期不利。环形支护体系能将水平的水土压力转换为环向的轴压力[1]，以发挥钢筋混凝土材料良好的受压性能，而且由于土拱效应，作用在圆形支护结构的土压力相比直线支护体系要小[2,3]，且稳定性、安全性和施工效率较高，对于深厚软土场地的大型基坑可节省支护费用。
国内对直径20～70m左右的圆形基坑研究较多，多采用咬合桩或地下连续墙结构[4,5,6]，由支挡结构直接承受水土压力，分析方法可直接采用有限元分析[4]或轴对称中厚壳理论分析[5]，也可直接套用经典多支点支护挡土墙理论分析[6]。如上海中心大厦主楼基坑直径123.4m，围护结构采用1.2m厚地下连续墙+6道腰梁，采用了考虑圆拱效应的弹性地基梁法和三维弹性地基板法[7]。笔者以昆明滇池边国内最大规模圆形基坑为例，对坑内直径238m的巨型环向板撑的刚度计算理论及影响因素进行了具体分析，利用有限元对基坑的整体模型进行了计算，并结合实测结果进行比较分析。
1、工程概况
昆明滇池边某全地埋污水处理厂，主体结构平面为不规则多边形，平面尺寸约为长187.6m×宽187.3m，地下两层钢筋混凝土箱形结构，高约12.0m，其中负二层高6.2m，负一层高5.8m。基坑支挡体系采用直径1000mm@1200mm钻孔灌注桩+2道钢筋混凝土环形板撑，支护桩沿直径238m圆形布置，第1层板撑尺寸为3.5m×1.0m，第2层板撑尺寸为5.5m×1.0m，该板撑尺寸为目前国内该类基坑中规模最大。桩外侧采用直径600mm@400mm水泥搅拌桩止水，坑内采用格构式水泥搅拌桩裙边加固。基坑北侧深度为12.35m，南侧深度为10.35m。基坑平面布置和支护断面见图1、2。
2、基坑支护方案选型
根据主体结构的形式、尺寸、埋深及工程地质，基坑支护做了4种方案进行比选（见表2）。
方案1：支护桩+内支撑；方案2：支护桩+锚索；方案3：支护桩+巨型环形板撑；方案4：中心岛。
从表2可知，方案3相比其他3个方案优势突出，施工精度要求较高，所以选用方案3作为该工程的实施方案。
3、板撑刚度的计算方法
环形结构周边承受均布荷载（见图3）工况下，径向位移的解析解见公式（1），其刚度为单位荷载产生位移的倒数，与JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》中4.1.8条弹性支点刚度系数kR的概念相同[9]。
应用公式（1）计算得到的刚度为板撑单位厚度的刚度，板撑的实际刚度应乘以板撑的厚度。
板撑刚度理论计算结果见表3。
基于以上论述，文献[10]直接推导出了支撑刚度的理论计算公式。一方面考虑了场地地质的差异，环撑直径越大，差异性越突出，环撑周边所受荷载不可能为均布荷载；另一方面考虑了随着环撑直径的加大，环撑直径方向施工误差引起的刚度变化。对于非圆形、非均布荷载情况下的环撑刚度计算，则需利用有限元计算周边荷载作用下环撑的径向位移，从而推算环撑的刚度。图4、5分别为利用有限元计算的单位荷载作用下板撑的径向位移。其中ur1=13.7×10-5m/kN、ur2=8.07×10-5m/kN，与表2理论计算结果基本一致。
4、影响板撑刚度因素的敏感度分析
根据公式（1）可知，影响板撑刚度的因素主要为板撑的高度及直径，厚度与板撑刚度成线性关系。通过有限元可分析板撑直径施工误差（以下简称施工误差）对板撑刚度的影响。
4.1 板撑高度
该工程中第1道板撑可考虑向外增加高度，即公式（1）中内径a保持不变，增加外径b；第2道板撑可考虑向内增加高度，即公式（1）中外径b保持不变，缩小内径a。按照增加板撑高度5%、10%、15%,20%分析其刚度变化（见表4）。
从表3可知，第1道板撑刚度增加幅度与板撑高度增加幅度基本一致，第2道板撑刚度增加幅度远大于板撑高度增加幅度，由此可见增加板撑刚度应优先考虑向内增加高度。
4.2 施工误差
按环形板撑长轴与短轴之差为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0m，分别考虑板撑的刚度变化（见表5），以第1道板撑为例进行计算分析（见图6）。
从有限元计算结果可看出，随着施工误差的增大，板撑刚度急剧下降。施工误差仅为0.2m时，其刚度就下降了66%。
5、基坑计算分析与实测结果对比
利用理正深基坑7.0PB4软件对该基坑的整体模型进行有限元分析，断面计算模型见图7。
与现行规范[9]采用的方法一致，板撑刚度均取理论刚度值。整体计算时，各断面采用设计钻孔地质资料，地质资料不均匀性将自动考虑。板撑弯矩及径向位移计算结果分别见图8、9。
从图8、9可以看出，第1道板撑最大弯矩3907kN·m，径向位移2.5～28.8mm；第2道板撑最大弯矩14230kN·m，径向位移6.2～29.4mm，可按该计算结果配筋。
目前该基坑已顺利施工完毕，根据第三方监测结果，基坑开挖到底后的板撑径向位移见图10。由于监测点1JK25、1JK26处设置了出土坡道，该处板撑做了节点特殊设计，计算位移与实测位移有出入，其余各点计算位移与实测位移基本吻合（见表6），误差基本控制在10%以内。
6、结论
综上所述并结合工程实践表明，深厚软土地区大型基坑采用巨型环形板撑设计具有以下特点：
1）环形板撑施工速度快、稳定性能好、工程造价低，具有良好的经济效益和社会效益。
2）环形板撑的刚度与其厚度成线性关系。
3）环形板撑的刚度沿径向向内增加尺寸较向外敏感，如需加大板撑刚度应尽量向内增加尺寸。
4）环形板撑的刚度对施工误差非常敏感，施工时应严格保证板撑圆形尺寸的施工精度。
参考文献：
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