圆形深基坑排桩支护结构优化设计研究

增刊施工技术

CONSTＲUCTIONTECHNOLOGY

111

圆形深基坑排桩支护结构优化设计研究121343

刘鹏，易领兵，王喜梅，杜明芳，吕高乐，刘胜欢，1111

郑威锋，路顺，李帅兵，吕兆龙（1.上海城铁建筑科技有限公司，上海3.河南工业大学土木建筑学院，河南

200000；2.中交铁道设计研究总院有限公司，北京450000；4.郑州市轨道交通有限公司，河南

100000；450000）

郑州郑州

［摘要］圆形深基坑在结构受力上具有明显空间效应，常规设计计算方法计算较为保守。本文以某地下钢筋混凝土基于空间弹性地基板算法对腰梁支撑竖向间距进行优化，选出优化方案，并分析了桩直径、桩粮食圆形筒仓为例，

间距对支护结构的影响。得出了如下规律：①随着桩直径的增加，围护桩的弯矩增大，位移值减小；②随着桩间距围护桩的弯矩增大，然而位移值也增加。的增加，

［关键词］圆形深基坑；地下仓；排桩支护；优化分析［TU753中图分类号］

［文献标识码］A

［8498（2019）S1-0111-04文章编号］1002-

StudyonOptimumDesignofPileＲowSupportStructureforCircularDeepFoundationExcavation

LIUPeng1，YILingbing2，WANGXimei1，DUMingfang3，LUGaole4，LIUShenghuan3，ZHENGWeifeng1，LUShun1，LIShuaibing1，LUZhaolong1

（1.ShanghaiCityＲailwayConstructionTechnologyCo.，Ltd.，ShanghaiLtd.，BeijingCo.，

He’nan

200000，China；2.CCCCＲailwayConsultantsGroup

450000，China）

100000，China；3.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，He’nanUniversityofTechnology，Zhengzhou，450000，China；4.ZhengzhouＲailwayTransportationCo.，Ltd.，Zhengzhou，He’nan

····

Abstract：Thecirculardeepfoundationexcavationhasobviousspatialeffectonthestructuralstress，andtheconventional

thisdesigncalculationmethodismoreconservative.Takinganundergroundreinforcedconcretegrainsiloasanexample，paperoptimizestheverticalspacingofthelumbarsupportbasedonthespatialelasticsubstratealgorithm，selectstheoptimi-andanalyzestheinfluenceofpilediameterandpilespacingonthesupportingstructure.thefollowingruleszationscheme，

thebendingmomentoftheretainingpileincreases，andthedisplacementvalueareobtained：Asthepilediameterincreases，

decreases.Asthepilespacingincreases，thebendingmomentoftheretainingpileincreases，butthedisplacementvaluealsoincreases.

Keywords：rounddeepfoundationexcavation；undergroundwarehouse；rowpilesupport；optimizedanalysis

0

引言

圆形深基坑在我国沿海地区出现较多，但随着地下空间的快速发展，圆形深基坑在地下粮仓及城市地下空间开发中将会越来越多。目前，对圆形深基坑的相关研究并取得了大量的成果。针对地下连续墙围护的圆形深基坑工程，以往提出的主要计算方法为二维弹性地基梁或三维弹性板模型等

［4］

［1-3］

采用三维有限元进行支护结构分析；三维弹性地基板，张家国

［10］

［11］［12］

、陆新征、王洪新等将考虑了土与支护

结构的共同作用，建立了三维有限元分析模型，取得了较好的研究成果；王录民、郭明利、丁永刚等

［13］

建立了

地下仓三维计算模型，对基坑支护受力进行了分析。

然而，已有文献并未考虑基坑内支撑腰梁位置、桩直径、桩间距对支护体系的影响，针对上述问题，本文以某地下钢筋混凝土粮食圆形筒仓为例，对腰梁支撑竖向间距进行优化，选出优化方案，分析桩直径、桩间距对支护结构的影响。1

工程概况

某地下钢筋混凝土粮食圆形筒仓，地下仓深基坑外径25.6m，基坑深度22.00m（包括6m的倒锥形），仓体结构采用钢筋混凝土，顶盖采用钢筋混凝土梁板结构，板厚160mm，仓体侧壁厚300mm。结构示意如

；李森林，葛玉祥

对圆形深基坑支撑处弹性支点刚度系数进行了修

［5］

整；张家国，肖世国等推导出了围护桩与圈梁的内力

［6］

及变形计算公式；佘海洋对地下连续墙在不同接头

［7］

刚度、分幅、混凝土强度等级进行了研究；李昀、翟杰［8］［9］群、沈建等将地下连续墙+环形梁内支撑等效为

［作者简介］刘鹏，E-mail：492775754@qq.com助理工程师，［通讯作者］易领兵，E-mail：877800536@qq.com硕士，工程师，［收稿日期］2019-01-09

112

表1

地层编号①①1②③③1④④1⑤

岩土名称粉砂粉质黏土粉土粉砂粉土粉砂粉土粉砂

平均厚度/m

1.23

1.761.855.561.306.581.2918.80

施工技术土层参数

重度γ/（kN·m－3）

20.0

20.420.818.521.318.520.620.0

内摩擦角/（°）

18

12201826182522

2019增刊

含水率w/%14.0019.6019.6017.7019.9018.50——

平均黏聚力c/kPa

3

30163123153

表2

结构参数

桩冠梁腰梁

弹性模量/kPa3.25×1073.25×10

7

结构属性

截面形式及尺寸桩径0.6m矩形0.6m×0.5m第1道腰梁0.8m×0.5m第2道腰梁1.0m×0.5m第3道腰梁1.2m×0.6m第4道腰梁1.2mx0.6m

单元类别3D梁单元梁单元梁单元

泊松比0.20.20.2

线膨胀系数1.0×10－51.0×10

－5

3.25×1071.0×10－5

表3

腰梁支撑竖向布置方案

第1道腰梁/m－4.0－7.0－6.3－6.5－6.0－6.0－6.0－6.5

第2道腰梁/m－8.0－12.0－11.3－11.5－11.0－11.0－11.0－11.5

第3道腰梁/m－12.0－16.0－14.3－15.5－15.0－14.7－14.5－14.5

第4道腰梁/m－16.0－18.0－16.8－17.5－17.0－17.0－17.0－17.0

优化方案结果对比分析

围护桩

最大正弯矩/（kN·m）317.66253.07246.10238.68235.15234.31234.80233.10

最大负弯矩/（kN·m）271.71252.56230.36238.85225.05219.46219.00219.50

最大水平位移/mm10.735.478.336.507.737.767.777.78

优选优选方案原方案

图1所示。

基坑选用水泥搅拌桩止水帷幕+钻孔灌注桩+钢筋混凝土腰梁相结合的支护方案形式，原设计方案为每4m一道腰梁。工程场地为黄河冲积平原，地貌为风积砂丘，场地原为耕地，地形较为平整。地层参数如表1所示。

圆形基坑计算模型直径为25m，深度为20m，围护桩长为30m，即嵌入深度为基坑的0.5倍。土层参数如表1所示，结构属性如表2，基坑模型示意如图2所示。

图1地下仓结构示意

图2

理正深基坑模型

22.1

理正深基坑建模分析参数设置

运用理正深基坑软件进行分析，基于空间弹性地

2.2

施工阶段定义

共设置5个工况：工况①基坑采用分层开挖，

开

施工第1道腰梁及开挖至

考虑了围护结构、水平支撑、竖向支基板法进行计算，

撑的三维计算模型，假定挡土结构为平面应变问题，灌注桩采用梁单元模拟，内支撑简化为弹簧支座，基坑开挖面以下采用弹簧模拟，土弹簧刚度系数采用“m”法进行计算，土压力采用Ｒankine土压力理论进行计算，混凝土采用C40。

挖至第1道腰梁；工况②第2道腰梁；工况③道腰梁；工况④⑤2.3

施工第2道腰梁及开挖至第3

施工第3道腰梁，开挖至坑底；工况

施工第4道腰梁及开挖至坑底。腰梁竖向间距方案选择

设计优化方案时，根据正负弯矩的最大值，结合桩

2019增刊刘鹏等：圆形深基坑排桩支护结构优化设计研究113

的最大水平位移，进行邻近支撑间距的调整，经过多次试算，选出弯矩峰值最小的一组为优化方案，部分计算取值及计算结果如下表3。围护桩计算结果对比如表4所示。

结果表明，采用优化方案后围护桩的最大正弯矩从－317.66kN·m，减小至－233.10kN·m，降低了26.64%，最大负弯矩从271.67kN·m，减小至219.49kN·m，降低了19.20%，最大水平位移从10.73mm将至7.73mm，且当腰梁竖向间距接近于优化方案时，围护桩最大弯矩具有随着最大水平位移值的增加而减小的规律。由此可见，优化腰梁竖向间距能够很大程度上减小围护桩的受力。

表4

围护桩计算结果对比

项目

理正深基坑计算结果原方案优化方案最大水平位移/mm

10.737.78最大正弯矩/（kN·m）317.65233.10最大负弯矩/（kN·m）271.71219.50最大正剪力/（kN·m）216.05164.53最大负剪力/（kN·m）

338.50

303.69

2.4围护桩直径及间距对支护结构的影响分析按照优化后的腰梁间距，进行桩直径和桩间距对

基坑支护受力分析。图3～8只改变单一因素计算出的内力及变形数值，结果表明：

1）只改变围护桩直径随着围护桩直径增大，围护桩正负最大弯矩值都增大；围护桩最大水平位移值随着围护桩直径的增加而减小；腰梁最大轴力值先增加后减小。

2）只改变围护桩间距随着围护桩间距的增大，围护桩正负最大弯矩逐渐增加；围护桩水平位移值也随着桩间距的增大而增加；腰梁最大轴力整体上随着围护桩间距的增大而增加，但变化较小。

综上可知，随着桩直径的增加，围护桩的弯矩增大，位移值减小；然而随着桩间距的增加，桩承受的弯矩增大，桩的位移值也增加。从设计角度来看，在围护桩直径和间距之中选取适当的值，而腰梁由于只受轴力，故根据轴力变化，合理选取截面，能够节约材料并减少其他建设成本。

图3

不同桩直径时桩弯矩

图4不同桩直径时内支撑轴力

图5不同桩直径时桩水平位移

图6

不同桩间距时桩弯矩

图7

不同桩间距时内支撑轴力图8

不同桩间距时桩水平位移

114施工技术2019增刊

3结语

圆形深基坑在地下仓建设及城市用地场地中逐渐

出现，而相关的数值模拟研究和工程实例相对较少。本文通过理正深基坑设计软件对基坑支护腰梁间距进行了优化设计，选出优化方案，对原方案和优化方案进行了对比分析，得出如下结论。

1）目前基坑支护结构设计大多采用荷载结构法进行计算，虽然部分考虑了三维空间效应，基于空间弹性地基梁法进行计算，但没有考虑支护结构与土体相互作用，结果相比三维有限元分析整体受力偏小。

2）基于理正深基坑软件分析，优化方案在－6.5，－11.5，－14.5，－17.5m时，弯矩峰值从317.66kN·m，减小至233.10kN·m，减小幅度达26.64%。随着桩直径的增加，围护桩的弯矩增大，位移值减小；随着桩间距的增加，围护桩的弯矩增大，然而位移值也增加。

3）从有限元分析可知，腰梁竖向间距方案的选择，随围护桩弯矩的增大，围护桩水平位移值减小的关系，因此允许桩有一定的位移能够减少桩的弯矩，使整体结构受力更好。

参考文献：

［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］．2版．北京：中国建筑工业

出版社，

2009．［2］周健，罗筱波．圆形支护结构的圆拱效应等效支撑计算方法

［J］．岩土力学，2003，24（2）：169-172．

［3］VAZIＲIHH．Theoryandapplicationofanefficientcomputerpro-gramforanalysisofflexibleearthretainingstructures［J］．Inter-na-tionaljournalofcomputersandstructure，1995，56（l）：177-187．［4］李森林，葛玉祥.圆形基坑排桩环梁内撑弹性支点刚度系数

算法［J］

.地下空间与工程学报，2017，13（S1）：129-134.［5］张家国，肖世国.圆形深基坑排桩框架支护结构算法［J］.冰

川冻土，

2016，38（4）：915-921.［6］佘海洋.圆形深基坑围护结构优化设计研究［J］.隧道建设，

2015，35（7）：665-673.

［7］李昀，李华梅，吴昊，等．大型圆形深基坑设计分析研究［J］．地

下空间与工程学报，

2011，7（5）：937-944．［8］翟杰群，谢小林，贾坚．“上海中心”深大圆形基坑的设计计算

方法研究［J］．岩土工程学报，

2010，32（S1）：392-396．［9］沈健，王建华，高绍武．基于“m”法的深基坑围护结构三维分析

方法［J］．地下空间与工程学报，

2005，1（4）：530-533．［10］岳强．隧道工程［M］．北京：机械工业出版社，2012．

［11］吴祖松．公路隧道围岩压力计算方法与监测研究［D］．重庆：

重庆交通大学，

2008．［12］杨志法，熊顺成，王存玉，等．关于位移反分析的某些考虑［J］．

岩石力学与工程学报，

1995，14（1）：11-16．［13］王录民，郭明利，丁永刚，等.桩围复合式地下仓结构受力性

能分析［J］

.特种结构，2014，31（6）：21-24.