基于施工步序的基坑支护结构可靠度分析

      1、工程概况
　　在20世纪40年代，工程结构可靠度理论开始进行研究。此后，世界上开始了对工程结构可靠度的研究。地下结构可靠度是可靠度理论的一个重要范畴，可靠度的研究工作已被世界接受并认可，而且其对工程实践产生重大影响。现在，国内《建筑地基基础设计规范》还规定了根据概率极限状态进行设计，考虑两种极限状态，分别是承载力和正常使用阶段，同时采用分项系数和标准值的实用设计表达式。这些都是地下结构可靠度走向实用的良好开端[1]。
　　本文以沈阳地铁9号线工程某换乘站为例，车站主体基坑深约25m，采用围护桩+内支撑围护体系，基坑围护桩采用φ1200@1000（1200）钻孔灌注桩。围护桩嵌固深度8m，该基坑共设置一道混凝土撑、三道钢支撑及一道换撑，混凝土支撑水平间距3m，钢支撑水平间距2.5m。基坑范围内设置一排临时立柱，采用坑外降水施工。基坑支护等级为一级，保护等级及基坑变形控制为特级。基坑大致呈方形，开挖时充分考虑时空效应，待围护结构封闭，基坑内水位降低至基坑底面以下1m后，以“先中间后四角、对称开挖、不超挖、及时支撑、喷锚迅速”为原则开始后及时架设腰梁及钢支撑并进行喷混封闭。
　　随着基坑的开挖设置支撑结构过程中，在外侧土压力的作用下，桩的内力可能发生不同程度的变化，在某一个位置达到弯矩最大值，该最大值要小于等于该位置截面上钢筋混凝土桩的受弯承载力。因此建立支撑结构不同施工程序下钢筋混凝土桩的受弯承载力与外力弯矩最大值之间的函数关系，求出其可靠度指标，判断钢筋混凝土桩的稳定性。
　　2、可靠度理論分析
　　在进行可靠度功能函数的建立时，要考虑两部分的内容：1.土压力作用下和支撑的共同作用下，桩的最大弯矩函数;2.钢筋混凝土桩自身的抗弯承载力。在进行可靠度计算时，由于工程所处地层多为砂性土，因此本节计算中不考虑粘聚力c的作用，将其设为零。
　　第一步施工程序指第一道钢筋混凝土支撑施工，本道支撑设立在桩的顶端，因此第一施工程序可以看成是单支撑模式，计算其力学性质。
　　第一步顶层土压力零点高度Z0，地面超载取10kPa。求得Z0=-0.502<1。说明土压力零点位于地表面处。
　　第二步求解土压力零点位置，设土压力零点位置距坑底。
　　求得，说明土压力零点位于基坑开挖面以下1.702m处。
　　第二步求支撑的支反力T1
　　根据等值梁法，为求得支点力T1，应建立土压力零点对其上部全部力取距的平衡条件。
　　第三步求最大弯矩作用位置
　　由材料力学知识可知，最大弯矩作用点应满足剪力为零。本工程实例求得的土压力零点位于基坑开挖面，因此假设剪力零点作用在基坑开挖面以上，并设位置为h1，求得h1=4.448m
　　第四步求最大弯矩值
　　求得：
　　利用JC法计算其可靠度指标，根据已建功能函数可以看出为随机变量，且假设其服从正态分布。根据JC法进行迭代计算，说明第一施工程序即第一道钢筋混凝土支撑的施工满足可靠性要求，不影响结构的稳定性。
　　利用本方法进行其余支撑分析得出：说明随着基坑的开挖，增加钢支撑满足基坑的整体稳定性要求。从而得出结论：（1）五道支撑不同随机变量组合的可靠度指标值均大于5，说明桩结构的有效概率接近于100%，基坑不可能发生失稳现象。（2）随着基坑的开挖，计算所得的各支撑的不同组合的可靠度指标的有所降低，说明基坑开挖越深，对桩结构的影响越大。（3）中间3道支撑各组合间的可靠度指标相差无几，说明基坑中间位置设置多道支撑可以保证基坑的稳定。
　　与施工时实际监测成果比对，（1）支护结构水平位移最大值出现在基坑临近既有站的两个角点位置处，说明基坑角点处是危险处，必须在基坑角点处设置足够的支撑。（2）随着基坑的施工，各监测点的位移在不断的增大，说明在基坑施工的过程中要合理设置坑支护结构。（3）在基坑刚开始施工时，地表的变形幅度最大，然后随着基坑的开挖，地表位移逐渐趋于平缓，说明基坑刚开挖时对地面的影响最大。
　　3、与实际数据比对分析
　　根据现场监测数据研究基坑施工过程中的支护结构变形及对既有地铁车站的影响。结论如下：
　　（1）五道支撑不同随机变量组合的可靠度指标值均大于5，说明桩结构的有效概率接近于100%，基坑不可能发生失稳现象。
　　（2）随着基坑的开挖，计算所得的各支撑的不同组合的可靠度指标的有所降低，说明基坑开挖越深，对桩结构的影响越大。
　　（3）中间3道支撑各组合间的可靠度指标相差无几，说明基坑中间位置设置多道支撑可以保证基坑的稳定。