基于施工步序的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度分析

      1、工程概況
　　在20世紀(jì)40年代，工程結(jié)構(gòu)可靠度理論開(kāi)始進(jìn)行研究。此后，世界上開(kāi)始了對(duì)工程結(jié)構(gòu)可靠度的研究。地下結(jié)構(gòu)可靠度是可靠度理論的一個(gè)重要范疇，可靠度的研究工作已被世界接受并認(rèn)可，而且其對(duì)工程實(shí)踐產(chǎn)生重大影響。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》還規(guī)定了根據(jù)概率極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮兩種極限狀態(tài)，分別是承載力和正常使用階段，同時(shí)采用分項(xiàng)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值的實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式。這些都是地下結(jié)構(gòu)可靠度走向?qū)嵱玫牧己瞄_(kāi)端[1]。
　　本文以沈陽(yáng)地鐵9號(hào)線工程某換乘站為例，車站主體基坑深約25m，采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐圍護(hù)體系，基坑圍護(hù)樁采用φ1200@1000（1200）鉆孔灌注樁。圍護(hù)樁嵌固深度8m，該基坑共設(shè)置一道混凝土撐、三道鋼支撐及一道換撐，混凝土支撐水平間距3m，鋼支撐水平間距2.5m。基坑范圍內(nèi)設(shè)置一排臨時(shí)立柱，采用坑外降水施工。基坑支護(hù)等級(jí)為一級(jí)，保護(hù)等級(jí)及基坑變形控制為特級(jí)。基坑大致呈方形，開(kāi)挖時(shí)充分考慮時(shí)空效應(yīng)，待圍護(hù)結(jié)構(gòu)封閉，基坑內(nèi)水位降低至基坑底面以下1m后，以“先中間后四角、對(duì)稱開(kāi)挖、不超挖、及時(shí)支撐、噴錨迅速”為原則開(kāi)始后及時(shí)架設(shè)腰梁及鋼支撐并進(jìn)行噴混封閉。
　　隨著基坑的開(kāi)挖設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)過(guò)程中，在外側(cè)土壓力的作用下，樁的內(nèi)力可能發(fā)生不同程度的變化，在某一個(gè)位置達(dá)到彎矩最大值，該最大值要小于等于該位置截面上鋼筋混凝土樁的受彎承載力。因此建立支撐結(jié)構(gòu)不同施工程序下鋼筋混凝土樁的受彎承載力與外力彎矩最大值之間的函數(shù)關(guān)系，求出其可靠度指標(biāo)，判斷鋼筋混凝土樁的穩(wěn)定性。
　　2、可靠度理論分析
　　在進(jìn)行可靠度功能函數(shù)的建立時(shí)，要考慮兩部分的內(nèi)容：1.土壓力作用下和支撐的共同作用下，樁的最大彎矩函數(shù);2.鋼筋混凝土樁自身的抗彎承載力。在進(jìn)行可靠度計(jì)算時(shí)，由于工程所處地層多為砂性土，因此本節(jié)計(jì)算中不考慮粘聚力c的作用，將其設(shè)為零。
　　第一步施工程序指第一道鋼筋混凝土支撐施工，本道支撐設(shè)立在樁的頂端，因此第一施工程序可以看成是單支撐模式，計(jì)算其力學(xué)性質(zhì)。
　　第一步頂層土壓力零點(diǎn)高度Z0，地面超載取10kPa。求得Z0=-0.502<1。說(shuō)明土壓力零點(diǎn)位于地表面處。
　　第二步求解土壓力零點(diǎn)位置，設(shè)土壓力零點(diǎn)位置距坑底。
　　求得，說(shuō)明土壓力零點(diǎn)位于基坑開(kāi)挖面以下1.702m處。
　　第二步求支撐的支反力T1
　　根據(jù)等值梁法，為求得支點(diǎn)力T1，應(yīng)建立土壓力零點(diǎn)對(duì)其上部全部力取距的平衡條件。
　　第三步求最大彎矩作用位置
　　由材料力學(xué)知識(shí)可知，最大彎矩作用點(diǎn)應(yīng)滿足剪力為零。本工程實(shí)例求得的土壓力零點(diǎn)位于基坑開(kāi)挖面，因此假設(shè)剪力零點(diǎn)作用在基坑開(kāi)挖面以上，并設(shè)位置為h1，求得h1=4.448m
　　第四步求最大彎矩值
　　求得：
　　利用JC法計(jì)算其可靠度指標(biāo)，根據(jù)已建功能函數(shù)可以看出為隨機(jī)變量，且假設(shè)其服從正態(tài)分布。根據(jù)JC法進(jìn)行迭代計(jì)算，說(shuō)明第一施工程序即第一道鋼筋混凝土支撐的施工滿足可靠性要求，不影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
　　利用本方法進(jìn)行其余支撐分析得出：說(shuō)明隨著基坑的開(kāi)挖，增加鋼支撐滿足基坑的整體穩(wěn)定性要求。從而得出結(jié)論：（1）五道支撐不同隨機(jī)變量組合的可靠度指標(biāo)值均大于5，說(shuō)明樁結(jié)構(gòu)的有效概率接近于100%，基坑不可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。（2）隨著基坑的開(kāi)挖，計(jì)算所得的各支撐的不同組合的可靠度指標(biāo)的有所降低，說(shuō)明基坑開(kāi)挖越深，對(duì)樁結(jié)構(gòu)的影響越大。（3）中間3道支撐各組合間的可靠度指標(biāo)相差無(wú)幾，說(shuō)明基坑中間位置設(shè)置多道支撐可以保證基坑的穩(wěn)定。
　　與施工時(shí)實(shí)際監(jiān)測(cè)成果比對(duì)，（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值出現(xiàn)在基坑臨近既有站的兩個(gè)角點(diǎn)位置處，說(shuō)明基坑角點(diǎn)處是危險(xiǎn)處，必須在基坑角點(diǎn)處設(shè)置足夠的支撐。（2）隨著基坑的施工，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移在不斷的增大，說(shuō)明在基坑施工的過(guò)程中要合理設(shè)置坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。（3）在基坑剛開(kāi)始施工時(shí)，地表的變形幅度最大，然后隨著基坑的開(kāi)挖，地表位移逐漸趨于平緩，說(shuō)明基坑剛開(kāi)挖時(shí)對(duì)地面的影響最大。
　　3、與實(shí)際數(shù)據(jù)比對(duì)分析
　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究基坑施工過(guò)程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及對(duì)既有地鐵車站的影響。結(jié)論如下：
　　（1）五道支撐不同隨機(jī)變量組合的可靠度指標(biāo)值均大于5，說(shuō)明樁結(jié)構(gòu)的有效概率接近于100%，基坑不可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。
　　（2）隨著基坑的開(kāi)挖，計(jì)算所得的各支撐的不同組合的可靠度指標(biāo)的有所降低，說(shuō)明基坑開(kāi)挖越深，對(duì)樁結(jié)構(gòu)的影響越大。
　　（3）中間3道支撐各組合間的可靠度指標(biāo)相差無(wú)幾，說(shuō)明基坑中間位置設(shè)置多道支撐可以保證基坑的穩(wěn)定。