先浅后深基坑传力系统研究

1、先浅后深基坑传力系统研究王亦玄，费纬（屮船勘察设计研究院有限公司，上海普陀200333）摘 要：随着高层建筑地下室、地铁等多样的地下空间的开发，基坑工程的复杂程度不断提高， 深浅坑基坑不可避免。本文依托上海绿地闸北高新区商办项口工程，捉岀了新型“先浅后深”基坑传 力系统，解决了深浅坑支护结构z间的传力问题。通过基坑监测数据分析和有限元数值模拟软件分析, 总结了深浅坑分隔带支护结构的变形规律，验证了 “先浅后深”基坑传力系统的有效性，为此后类似 棊坑提供参考。关键词：先浅后深，传力系统，基坑监测，有限元分析deep after i i ght pit transmi ss ion system

2、di strietionwang yixuan, fei wei(china shipbuilding industry institute of the engineering tnvestigation&designing co. ltd,shanghai putuo 200333)summary:with rapid development of high-rise building basement, metro and other variety ofunderground space, complexity of foundation pit engineering con

3、tinues to improve, light between deepfoundation pit is inevitable. in this paper, based on the green space of shanghai zhabei high tech zone businessproject, put forward the model of ”deep after light11force transmission system, solved the force transmissionproblem between the depth of pit supportin

4、g structure. the foundation pit monitoring data analysis and finiteelement numerical simulation software analysis, summed up the depth of pit deformation zone of retainingstructure, verify themlight after deepnforce transmission system, provides the reference for similar foundationpit.keywords: deep

5、 after light, power transmission systems, excavation monitoring, finite element analysis1刖吞近年來，随着经济建设的高速发展和城市化 进程的不断推进，城市建设得到了迅速发展，21世纪被誉为“地下空间”的世纪，三维地下空间 已成为一种主要的自然资源得以开发，基坑工程 的数量不断增加吧高层建筑地下室、地铁等多样的地下空间的 开发，使得基坑工程的复杂程度不断提高，深浅 坑基坑不可避免 x 深浅坑工程是指基坑开挖范 围内，存在多种开挖深度，不同挖深区域相邻且 而积较大，-般挖深髙差在层髙一层以上。对于 深浅坑基坑工

6、程，常规的施工方法是“先深后浅” 的开挖顺序，要求场地宽松，工期较长。上海绿地闸北高新区商办项目工程基坑本 工程基坑而积大， 分地下一层与地下二层区域，挖深高差较大，戸分区分块施工，属于典型的深 浅坑工程。由于开发商施工节点需要，且场地限 制，结合基坑的特点，本工程采用“先浅后深” 的施工顺序，先施工地下一层区域，后施工地下 二层区域。针对本项目深浅坑间传力问题，本文 提出了新型“先浅后深”基坑传力系统。同时，木文以上海绿地闸北高新区商办项目 工程基坑为背景，利用基坑监测对 “先浅后深” 基坑开挖分隔带支护结构的变形进行了分析，并 结合有限元分析方法，总结了 “先浅后深”基坑 分隔带支护结构变

7、形规律，验证了 “先浅后深” 基坑传力系统的冇效性，为此后类似基坑捉供参 考。2研究背景对于深浅坑丁程，-般基坑采用多种类型的 支护形式，理清多种支护之间的传力关系是深浅 坑工程的关键问题。对于类似“先浅后深”开挖 顺序的基坑，常规的传力系统设计有以下两种。（1）地下一层区域先施工至土0.000,地下 二层区域第一道支撑撑在地下一层区域地下室 顶板，开挖至笫二道撑时，支撑撑在地下一层区 域的地下室底板，形成传力体系。见图1左图。（2）基坑整体形成第一道支撐，先施工地 下一层区域至底板完成，继续开挖地下二层区 域，笫二道支撑撑在地下一层区域地下室底板， 形成传力体系。见图1右图。图1先浅后深常规

8、传力系统这两种常规的传力系统，能够解决深浅坑开 挖中土压力不平衡的问题，但都存在相应的不 足。第一种方法需先完成地下一层区域至（）.（）（）（）方可开挖地下二层， 对开挖时间节点要求高， 且 开挖周期长；第二种方法，需整体形成第一道支 撑，对基坑用护方式限制较多，且支撑体系造价 高，周期长。针对以上两种常规做法的不足，本文依托上 海绿地闸北高新区商办项目，提出了新型“先浅 后深”基坑传力系统。3工程概况3.1工程简介上海绿地闸北高新区商办项目工程拟建场 地位于上海市闸北区江场路北侧、寿阳路西侧、 走马塘南侧。基坑面积达26626m2,周长855m,分地f层和地f两层， 地下-层面积12329m

9、2,典型挖深5.8m,地下二层而积14297m2,典型挖 深9.7m。如图2所示，一期为东侧地库及甲b办 公楼区域，为地下一层，二期是西侧地库及卬a办公楼区域，为地下二层。根据勘察报告，该场地土层分布复杂，棊坑 挖深范围内有夹层砂质粉土高透水层、层淤 泥质粘土软弱土层，详见图3,各层土体的棊木 参数如表1所示。表1地层力学性质参数取值土层名称重度kn tn3固结快剪渗透系 数cm/sps/mpac/kpa0/杂填土18.01020.0粉质粘土1&62217.53.0e-060.77淤泥质粉质粘土17.4921.04.0e-060.85夹砂质粉土1&4731.53.0e-041.

10、83淤泥质粘土16.6128.55.0e-070.58粘土17.51910.54.0e-070.86粉质粘土19.23818.55.0e-062.17一丿厶木地下一层区域彳 / /地下二层区城 ；/ 丹尊7吵7 / / 用/*/ / 77 z/ / / / / / /刃/:f/ / / / /龟厉分储图2基坑分区概况3.2基坑开挖支护方案本基坑地下一层区域典型开挖深度为5.8m,用护采用双轴水泥土搅拌桩重力坝，与地下二层 交界区域采川放坡围护，局部设角撑控制位移。 地下二层区域典型开挖深度为9.7m,采用钻孔灌 注桩支护加两道钢筋混凝土支撐，并加三轴水泥 搅拌桩止水帷幕，钻孔灌注桩桩径800m

11、m、850mm不等，桩端插入）粉质粘土层im以上。3.3基坑开挖施工工况本基坑先开挖地卜-一层区域，围护采用重力 坝，与地下二层交界处放坡围护，开挖到坑底以 后，施工地下一层结构底板，在交界处施工传力 系统，开挖放坡留土，待传力系统形成后，然后 开挖地卜-二层区域。地卜-二层区域共设置两道钢 筋混凝土支撑，笫一道支撑与传力支撐形成整体 支撑机构，第二道支撑与地下-层底板形成整体 支撑结构，开挖至坑底以后，施工地下二层结构, 依次拆除第二道支撑，施工小楼板，拆除第一道 支撑和斜抛撐传力支撑，结构施工完成。4深浅坑传力系统本基坑一期为地下-层，采用重力坝围护， 交界处采用放坡围护，-期先行开挖，待

12、底板完 成后，开挖二期地下二层区域。在一期底板完成 后，在交界处，需架设底板斜抛撑，形成传力体图4深浅坑传力体系如图4所示，木项冃深浅坑处理体系，主要rh三部分组成，a部分为笫一道钢筋混凝土支撑 与底板斜抛撑的传力，传力支撑处圈梁需局部加 强，传力支撑与圈梁连接详图见图5。1100图5 a传力支撑与圈梁连接详图地下一层区域底板传力详见图6,设厚400mm传力带， 底板后浇带处向卜加厚400mm,后浇带下传力带与底板之间设h3oox3oo型钢传 力，型钢与底板接触而设450 x450h头钢板。图6 b地下一层底板传力详图传力支撑与地下一层区域底板连接大样详 见图7,局部设附加承台。图7 c传力支

13、撑与地下一层底板传力详图本项目所釆用传力系统受力分析如图8,第 一道支撐轴力通过围標连接到传力撑，传力撑受 压，将支撐轴力传递到地下一层底板，地f层 底板利用承台传递竖向力，并利用底板传递和低 效水平向力，第一道支撑传力系统形成。第二道 支撑轴力通过围棟传递到支护桩，利丿ij底板传力 带与底板卜-土压力平衡第二道支撑轴图3土层典型剖面力，形成第本项目深浅坑间传力体系有效的利用了先 期施工的地下一层结构底板及传力带，传力支撑 能够有效的传递笫一道支撐反力，抵消了深浅坑 交界区域不平衡的土压力，有利于控制支护结构 的变形，而且节省了地下一层区域的支撑成本。 通过深浅坑传力系统的调整，解决了深浅坑基

14、坑 丿施工过程中土压力不平衡的问题，为以后类似工 程的捉供设计参考。5基坑监测分析5.1监测方案木基坑地下二层区域开挖深度为9.7m,安全 等级为二级，地卜一层区域开挖深度为5.8m,安 全等级为三级。支护桩侧向位移采用数显智能型 存储测斜仪，配备计算机及时白动处理数据。监 测点布置见图9,支护桩侧向位移点号cx1-cx10,其屮分隔带区域为cx2cx5。图9基坑监测点布置平面图5.2基坑开挖支护桩侧移分析基坑工程监测项目多，频率高，产牛大量的 数据。对监测数据进行去伪去糙工作，得到合理 可靠的数据资料以供研究分析。木项目基坑先开 挖地下一层区域，分隔带钻孔灌注桩侧移曲线见 图10o挖基坑开挖

15、支护桩侧移点cx2、cx3、cx4、cx5的监测曲线如图l()o从图屮可以看出，随着地下一层区域的开 挖，钻孔灌注桩向一层区域坑内侧向变形逐渐增 大，且侧移最人值所在位置不断降低，均呈内凸 状，两端小、中间大；侧向变形的最大值在4.5m深度处，约为0.7h, h为基坑开挖深度。侧向变 形最大值(cx5)达6.9mm,约为02%h,小 于0.30%h (h=5.8m),满足要求。地下一层区域基坑开挖结束，施工传力系统，开挖地下二层区域，分隔带钻孔灌注桩侧移 曲线见图11。图11开挖地下二层支护桩侧移监测曲线从图中可以看岀，地卜层完成之后，施工 传力系统， 随后开挖地下二层区域。 在开挖到第 二道

16、支撐z前，随着基坑的开挖，分隔带支护桩 侧土压力不断减小，钻孔灌注桩为钢筋混凝土结 构，弹犁性休，支护桩侧移不断减小，但侧移方 向仍为地下一层方向。支护桩侧移最大值有6.9mm减小到5.0mm,约为最人位移的70%。第二道支撑完成z后，两道撑的传力系统形 成，随看基坑进一步开挖，支护桩的侧移整休呈 现出向地下二层区域方向变化。随着基坑的开 挖，支护桩第二道撑以上部分位移在不断减小， 但变化幅度变小，最大值减小至3.1mm,约为最 大位移的50%；支护桩第二道支撑一下部分，由 于受到地卜-一层区域底部土压力的作用，呈现向 地下二层区域侧移，侧移值不断增大，变化幅度较大，最大侧移值达8.4mm ,

17、约为0.2ah(9.7-5.8 =3.9m),最大值出现在埋深8.5m处,约为0仏 h(9.7-5.8=3.9加)埋深处。6有限元软件分析6计算原理皋坑开挖对周边地表影响分析，采用有限元 法建立二维分析模型。分析土体采用硬化模型模 拟，e|jhardening soil (hs)模型。hs模型为等 向硬化弹册性模型，即可适用于软十也可适用于 较锁土层忙hs模型应用于基坑开挖分析时具 有较好的梢度。6.2工况t况一：形成开挖前初始平衡状态。工况二：降水至坑底以下lm,开挖地下一 层区域，开挖至坑底，施工底板及传力撐；工况三：开挖地下二层区域，开挖第一皮土, 施工第一道支撑。工况卩u：开挖地下二层

18、区域，开挖至第二道 支撐底，施工第二道支撑。工况五：开挖至坑底。6.3棊坑开挖支护桩侧移图12为地下一层基坑开挖完成支护桩水平 位移云图。随着基坑的开挖，支护桩向地下一层 区域侧移，最人侧移值达5.0mm,实测值最大侧 移为6 9mim有限元分析数值略小于实测值，约 为70%,主要原因是基坑工程中的“时空效应”， 在有限元中耒进行模拟分析。图12地下一层基坑开挖支护桩水平位移云图地下一层基坑开挖完成之后，施工传力系 统，继续开挖地下二层区域，地下二层区域开挖 完成z后水平位移云图见图13o图13基坑开挖完成支护桩水平位移云图为了直观的反应支护桩水平位移变化情况， 提取钻孔灌注桩上侧移最大点g点

19、的水平位移与 开挖工况illi线如图14o0化3040 &o1-12-疗-14-仔-rio-303040-庁-14-一少- 10- lb-12-x-wrf4-1 一i iwill詹&允 lrlti-4ij i / k-x图14支护桩最大侧移点水平位移与开挖工况图如图14,在地下一层区域基坑开挖工况中， 支护桩向地下一层区域侧移。 地下一层开挖完成 后， 开挖地下二层区域，支护桩侧移不断减小， 并向地下二层区域侧移，最大侧移值达6.3mm,实测值为8.4mm,有限元计算数值约为实测值的75%。同样是基坑工程中的“时空效应”，使得冇 限元计算值小于实测值。7结论本文依托上海绿地闸北

20、高新区商办项h基 坑，通过施匸监测分析和有限元数值分析，总结 了 “先浅后深”基坑分隔带支护桩侧移规律，并 验证了设计屮提出的新型传力系统，为此后类似 基坑提供参考。本文主要结论：(1)对于深浅坑工程，“先浅后深”开挖 方案需耍配合相应的传力系统，新型的传力系 统，可解决传统传力系统在施工时间较长的不 足，且基坑具有开挖灵活度高，可地f层与地 下二层交叉施工，满足基坑施工的多重需求，且 造价经济，可在类似基坑工程中推广。(2)在开挖地下一层区域时，深浅坑分隔 带支护桩向地卜一层区域侧移，且随看地卜一层 区域的开挖，支护桩侧向变形逐渐增人，且侧移 最大值所在位宜不断降低，呈内凸状，两端小、 中间人；侧向变形的最人值0.7倍开挖深度处。(3)在开挖地下二层区域时，在开挖到第 二道支撐之前，随着基坑的开挖，支护桩侧移不 断减小，支护桩侧移最人值减小为最人侧移值的70%,但侧移方向仍为地下一层方向。(4)第二道支撑完成之后，随着基坑进一 步开挖，支护桩的侧移整体呈现出向地卜二层区 域方向变化。随着基坑的开挖，支护桩第二道撐 以上部分