邱明明，姜安龍，程建紅

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，714000，陜西，渭南；2.廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，361001，福建，廈門)

影響深基坑圍護(hù)墻內(nèi)支撐系統(tǒng)因素的狀況分析

邱明明1，姜安龍2，程建紅1

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，714000，陜西，渭南；2.廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，361001，福建，廈門)

在深基坑開挖過程中，內(nèi)支撐對穩(wěn)定基坑及控制基坑變形有重要意義。以某深基坑工程為研究背景，借助數(shù)值模擬方法建立了基坑開挖力學(xué)模型，考慮內(nèi)支撐截面、支撐作用點(diǎn)位置、支撐作用點(diǎn)形式和支撐剛度四個影響因素，對內(nèi)支撐對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響進(jìn)行了探討。分析結(jié)果表明：鋼支撐截面的選擇應(yīng)視情況而定，且支撐長度不宜大于25 m；支撐位置的設(shè)置對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形有較大影響，在基坑設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)予以重視；改進(jìn)的內(nèi)支撐作用點(diǎn)形式對改善基坑受力、控制基坑變形有積極作用；通過增加內(nèi)支撐剛度的方式以減小基坑變形不是最有效的方法；研究成果可為工程實(shí)踐及理論研究提供參考。

深基坑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；內(nèi)支撐；比較分析

1 工程背景

1.1工程概況

某城市地鐵車站基坑工程，車站總長467.2 m，總寬18.2～23.1 m，站臺中心處開挖深度約15.51 m，覆土約2.5 m。場地周邊均為菜地和水塘，最近的居民樓在基坑深度3倍距離以外，對施工的干擾較小。標(biāo)段場區(qū)內(nèi)市政管線相對較多，均分布在既有道路兩側(cè)。

1.2工程水文地質(zhì)概況

場地地下水類型可分為上層滯水、松散巖類孔隙水、紅色碎屑巖類裂隙孔隙水?；娱_挖深度范圍內(nèi)地下水主要為賦存于砂礫層中的孔隙潛水，水位變化主要由雨水和江水補(bǔ)給，地下水位位于地表以下4 m處。各土層的力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

1.3支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車站采用明挖順筑法施工主體結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁+Φ850 mm@600 mm的三軸攪拌樁止水帷幕，鉆孔樁與攪拌樁間隙采用壓密注漿加強(qiáng)止水。基坑內(nèi)沿豎向共設(shè)3道支撐，分別位于距樁頂0.50 m、6.00 m、11.00 m，其中第1道為800 mm×1 000 mm的鋼筋混凝土支撐，砼支撐水平間距為9.0 m，砼支撐間采用800 mm×600 mm的砼聯(lián)系梁連接，第2、第3道采用Φ609 mm(t=16 mm)鋼管支撐，支撐水平間距為3.0 m。

2 施工過程數(shù)值模擬

2.1計(jì)算模型的建立

深基坑開挖的影響范圍取決于基坑開挖的平面形狀、開挖深度和土質(zhì)條件等因素。基坑開挖深度16.1 m，樁長23.00 m，基坑寬度17.70 m，考慮模型的對稱性取一半模型進(jìn)行計(jì)算，建立了60 m×35 m(寬×深)的平面應(yīng)變幾何模型，有限元網(wǎng)格基于15節(jié)點(diǎn)單元，計(jì)算網(wǎng)格共970個單元，8 144個節(jié)點(diǎn)。模型的左右邊界采用法向約束，底邊采取固端約束，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.2本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

在模擬計(jì)算中，土體材料采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型(Mohr-Coulomb)；圍護(hù)樁墻、內(nèi)支撐等采用彈性本構(gòu)模型。土體材料參數(shù)按表1取值，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)按表2取值。

2.3施工方案

根據(jù)基坑施工的特點(diǎn)，分步開挖與支護(hù)過程模擬如下：建立數(shù)值計(jì)算模型，定義材料參數(shù)；施加重力荷載，模擬初應(yīng)力狀態(tài)；施作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，開挖至地表以下2.0 m，添加第1道支撐；開挖至地表以下8.0 m，添加第2道支撐；開挖至地表以下13.0 m，添加第3道支撐；開挖至坑底16.1 m，并分步進(jìn)行計(jì)算。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 影響分析

深基坑工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)一般有2種形式，分別為圍護(hù)墻結(jié)合內(nèi)支撐系統(tǒng)的形式和圍護(hù)墻結(jié)合錨桿的形式[1-2]。作用在圍護(hù)墻上的水土壓力可以由內(nèi)支撐有效的傳遞或平衡，也可以由坑外設(shè)置的土層錨桿平衡。內(nèi)支撐可以直接平衡兩端圍護(hù)墻上所受的側(cè)壓力，構(gòu)造簡單，受力明確[3-5]。特別對于軟土地區(qū)大深度基坑工程，內(nèi)支撐系統(tǒng)具有無需占有基坑外側(cè)地下空間資源、可提高整個圍護(hù)體系的整體強(qiáng)度和剛度以及可有效控制基坑變形的特點(diǎn)而得到了大量的應(yīng)用[6-9]。

在內(nèi)支撐設(shè)計(jì)中，一般要從強(qiáng)度和剛度2個方面考慮，而截面形式、支撐作用點(diǎn)位置、支撐作用點(diǎn)形式及支撐剛度等對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形有重要影響，下面將予以分別討論。

3.1支撐截面形式

深基坑內(nèi)支撐按其材料一般可分為鋼筋混凝土支撐和鋼支撐兩大類。鋼支撐是工廠生產(chǎn)的規(guī)格化現(xiàn)成材料，施工時可根據(jù)基坑受力大小和長度要求可以直接選用，且材料自身重量輕、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、施工速度快，并可以施加預(yù)應(yīng)力以合理控制基坑變形，因此被廣泛采用于支撐構(gòu)件中[1]。

鋼支撐一般選用鋼管和H型鋼，或者采用其它型鋼的組合形式，見圖2。支撐結(jié)構(gòu)上主要作受圍護(hù)樁墻傳來的水、土壓力和坑外地表荷載所產(chǎn)生的水平側(cè)壓力，因此支撐一般按照軸向受壓構(gòu)件來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，見圖3。支撐容許壓力計(jì)算式如下[10]：

N≤φA[σ]

(1)

式中：N為壓桿所受的軸向壓力；φ為壓桿穩(wěn)定因素；A為橫截面面積。

支撐在受壓荷載條件下，壓縮變形按公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

△li=NL/EA

(2)

式中：N為壓桿所受的軸向壓力；L為壓桿計(jì)算長度；E為彈性模量；A為橫截面面積。

圖2 鋼支撐截面形式

圖3 支撐計(jì)算簡圖

通?；觾?nèi)支撐以選取Φ=609 mm，t=16 mm的鋼管居多，然而選取這種規(guī)格的型鋼是否是最經(jīng)濟(jì)、合理的，下面將選取幾種常用的鋼管和H型鋼進(jìn)行對比分析。鋼材類型為Q235，容許應(yīng)力[σ]=170 MPa，根據(jù)式(2)、式(3)計(jì)算支撐桿長分別為18 m、20 m、25 m情況下的容許壓力及在軸力N=2 500 kN條件下的變形，計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可以得出：

1)在相同條件下，慣性半徑i值越大，壓桿穩(wěn)定因素φ越大，對容許壓力越有利；

2)對于鋼管支撐，g和j、h和k、i和l對比可得，在壁厚相同情況下，采用管徑較小的鋼管與采用管徑較大的鋼管抵抗壓力和變形的效果相差不大；

3)對于截面面積相差不大情況下，可優(yōu)先考慮選用H型鋼，穩(wěn)定因素大、容許壓力大、變形較??；

4)支撐桿件的長細(xì)比應(yīng)不宜大于75，長度不宜大于25 m；

5)對于高寬比較小的H型鋼，建議不要采用；

6)當(dāng)支撐長度增加時，支撐容許壓力減小，變形增加，因此適當(dāng)減小支撐長度可提高壓桿穩(wěn)定因素φ和容許壓力，且可減小桿件壓縮變形。建議在橫撐節(jié)點(diǎn)處加斜撐形成八字撐，以減小支撐長度，能有效增加橫撐節(jié)點(diǎn)處的剛度，提高橫撐承載能力、穩(wěn)定性及各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，見圖4。

表3 計(jì)算結(jié)果對比

圖4 八字撐計(jì)算簡圖

3.2支撐作用點(diǎn)位置

在基坑內(nèi)支撐設(shè)計(jì)中，支撐作用點(diǎn)的合理布置不僅可以改變結(jié)構(gòu)的約束條件，還可以改善結(jié)構(gòu)的受力狀況?；诖耍瑢Ρ竟こ讨械?道鋼支撐作用點(diǎn)位置下移0.5 m進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果見圖5、表4。

由圖5可看出，改變支撐位置前圍護(hù)樁最大水平位移為21.4 mm，位置在11.0 m；改變支撐位置后圍護(hù)樁最大水平位移為21.8 mm，位置在10.5 m。支撐位置改變前后最大水平位移值有所增加，且發(fā)生位置也略有上移。由表4可得，支撐位置改變后，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力均發(fā)生不同程度的變化，第1支撐軸力增加了21.78%，第2道支撐軸力減小了8.42%，樁身彎矩增大了1%。

由此說明，支撐位置的改變對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形是比較敏感的，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，支撐位置的設(shè)置，除了考慮施工空間外，還應(yīng)當(dāng)考慮對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響。

圖5 支撐位置對圍護(hù)樁水平位移的影響

表4 支撐位置對支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

3.3支撐作用點(diǎn)形式

基于上節(jié)的討論，對本工程中第3道內(nèi)支撐與圍護(hù)墻作用點(diǎn)接觸形式進(jìn)行改進(jìn)處理，改進(jìn)后的計(jì)算簡圖如圖6所示。根據(jù)圖6建立基坑開挖數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)一步對基坑施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果見圖7、表5。

由圖7可得，改變前圍護(hù)樁最大變形為21.4 mm，位置在11.0 m；采用方式1，圍護(hù)樁最大變形為9.9 mm，位置在13.0 m；采用方式2，圍護(hù)樁最大變形為9.8 mm，位置在13.0 m。改變支撐作用形式后的樁身變形減小了1倍，且最大變形位置下移了2 m。由表5可得，改變支撐作用形式后的第3道支撐軸力增加了2倍，而樁身最大剪力及彎矩均相應(yīng)的減小了20%～40%。

根據(jù)上述說明，內(nèi)支撐作用點(diǎn)形式對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形影響較大，從受力的角度對圖6中的三種形式對比可知，圖6(b)和圖6(c)相對于圖6(a)而言，其實(shí)質(zhì)是不僅改變了內(nèi)支撐作用點(diǎn)的位置，還改變了內(nèi)支撐作用點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)而使得支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束條件及受力狀況均發(fā)生改變。因此，內(nèi)支撐作用點(diǎn)形式對改善基坑受力、有效控制基坑變形有積極作用，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)受到重視，且需要合理設(shè)計(jì)。

圖6 改進(jìn)的支撐點(diǎn)作用形式

圖7 支撐作用點(diǎn)形式對圍護(hù)樁水平位移的影響

3.4支撐剛度

對本工程中第3道鋼支撐的剛度改變?yōu)?.5EA、2EA、4EA進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果見圖8、表6。

由圖8可得，各支撐剛度對應(yīng)的圍護(hù)樁最大變形依次為22.1 mm 、21.4 mm 、20.9 mm 、20.6 mm，由此可以看出，隨著支撐剛度的增加，圍護(hù)樁水平位移最大值有所減小，但位移變化量不大。由表6可得，第3道支撐剛度改變后，除第3道支撐軸力有較明顯的變化外，其它各支撐軸力及樁身內(nèi)力均變化不大。因此，通過增加內(nèi)支撐剛度來保證基坑穩(wěn)定和控制基坑變形并不是最有效的方法。

表5 支撐作用點(diǎn)形式對支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

圖8 支撐剛度對圍護(hù)樁水平位移的影響

4 結(jié)論及建議

文章以某深基坑工程為研究背景，借助數(shù)值模擬方法建立了基坑開挖力學(xué)模型，對內(nèi)支撐對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響進(jìn)行了分析，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論及建議。

1)通常選用Φ=609mm，t=16mm的鋼管作為基坑內(nèi)支撐并不一定是最優(yōu)的，在具體工程中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、施工的因素，合理選取內(nèi)支撐截面形式和支撐長度，必要情況下需做優(yōu)化分析，以充分發(fā)揮內(nèi)支撐的作用，確保基坑穩(wěn)定。

2)支撐位置的改變對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形是比較敏感的，應(yīng)綜合考慮各影響因素，合理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表6 支撐剛度對支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

3)內(nèi)支撐作用點(diǎn)形式對改善基坑受力、控制基坑變形有積極作用，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)受到重視。

4)支撐剛度對改善基坑受力及變形影響不大，通過增加內(nèi)支撐的剛度以求減小基坑變形不是最有效的方法。

但也可以看出，對鋼支撐截面類型的選用及支撐作用點(diǎn)形式還需在后期的工程實(shí)踐中進(jìn)一步探索、完善。

[1] 劉國彬,王衛(wèi)東.基坑工程手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009:147-182.

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AnalysisonInfluenceFactorsConditionofInternalBracingSystemofRetainingWallofDeepFoundation

QIU Mingming1,JIANG Anlong2,CHENG Jianhong1

(1.Shanxi Railway Vocational Institute,714000,Weinan,Shanxi,PRC;2.Xiamen Rail Transit Group Limited Corporation,361001,Xiamen,Fujian,PRC)

In the process of deep foundation pit excavation,the internal bracing for stable foundation pit and control deformation of foundation pit had significance influence.On the basis of the case study of the foundation pit,adopting the numerical simulation method to establish mechanical model of foundation pit excavation.The retaining structure internal force and deformation were discussed consideration support section,support position,support point form and support stiffness.The analysis results indicate that we should be selected reasonable steel support section,and the supporting length should not be greater than 25 m.Setting reasonable support position for the force and deformation of retaining structure had significance influence,and we should attach importance to it in foundation pit design.The improved internal bracing for improve force and control deformation had positive effect.By increasing the support stiffness in order to reduce the deformation of foundation pit wasn′t the most effective method.The conclusion could be referenced for engineering practice and theory research.

deep foundation pit;retaining structure;internal bracing;comparative analysis

2014-07-14;

2014-09-05

邱明明(1985-)，男，陜西丹鳳人，碩士，助教，研究方向：巖土工程、隧道及地下工程。

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目(編號：2013-33)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.022

TU432

A

1001-3679(2014)05-0679-06