孫海忠

（上海市建工設(shè)計(jì)研究總院有限公司，上海 200235）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑空間日趨擁擠，為了充分利用土地，越來越有必要開發(fā)大型地下空間，基坑工程也因此成為開發(fā)地下空間的一個(gè)重要研究課題[1-2]。其中基坑支護(hù)是基坑工程施工中重要的一環(huán)，常見的支護(hù)方式有拉錨支護(hù)、土釘支護(hù)和內(nèi)支撐支護(hù)等[3-4]。

圓環(huán)形內(nèi)支撐形式充分利用了混凝土抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，具有受力性能合理、土方挖運(yùn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益顯著、施工便捷等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[5]，尤為適用于較大、較深、地質(zhì)條件較差的基坑[6]，目前在軟土地區(qū)的深基坑中運(yùn)用廣泛[7]，但單一的環(huán)形支撐已經(jīng)越來越無法滿足日趨復(fù)雜的基坑環(huán)境，因此環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。國內(nèi)已有較多的學(xué)者作出了相應(yīng)的研究，曾華健等[8]研究了新型半圓拱環(huán)梁桁架結(jié)構(gòu)在中山地區(qū)軟土基坑中的應(yīng)用；劉有才等[9]基于上海市綠洲中環(huán)中心工程在基坑內(nèi)采用兩道圓環(huán)鋼筋混凝土桁架水平支撐；唐虎等[10]以北京西站地下行包庫為例，指出環(huán)梁-桁架支撐體系合理利用了混凝土圓形環(huán)梁結(jié)構(gòu)的受壓性和桁架的整體性，且在經(jīng)濟(jì)造價(jià)與施工便利角度均表現(xiàn)優(yōu)異；張厚斌等[11]結(jié)合基坑支護(hù)工程實(shí)踐，對(duì)大型環(huán)形-桁架支撐體系在深大基坑中的設(shè)計(jì)及施工展開介紹。

就目前而言，環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)的研究及運(yùn)用主要集中在三角形-環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)，而四邊形-環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)卻鮮有報(bào)道及運(yùn)用。本文在前人的基礎(chǔ)上通過算例結(jié)合工程實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)這兩種布置形式就變形能力、經(jīng)濟(jì)性、施工便利性等多方面進(jìn)行了比較，探討了環(huán)形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用四邊形布置的可行性。

1 算例分析

設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行基坑內(nèi)支撐受力分析時(shí)，通常是將支撐體系從整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)中剝離出來，將內(nèi)支撐作為一個(gè)獨(dú)立穩(wěn)定的封閉體系，然后考慮將支護(hù)墻體側(cè)向荷載均布傳遞給支撐邊梁。但是實(shí)際工程中，同一基坑的挖深、周邊環(huán)境及地質(zhì)分布情況不盡相同，勢(shì)必會(huì)造成傳遞到支撐體系的荷載不一致?，F(xiàn)采取了在同一工程、同挖深、同地質(zhì)條件及周邊環(huán)境一致的假定條件得到唯一荷載作用的模式，對(duì)采取三角形桁架及四邊形桁架的多環(huán)形內(nèi)支撐進(jìn)行分析研究。

選取一個(gè)140 m×140 m的正方形深基坑進(jìn)行同心圓雙環(huán)混凝土支撐系統(tǒng)布置，采用有限元軟件分別對(duì)采取三角形桁架與四邊形桁架布置的支撐方案進(jìn)行分析對(duì)比，給出初步評(píng)價(jià)。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 支撐體系計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.1 Calculation sketch of support system

1.1 計(jì)算方法

BSC是同濟(jì)啟明星深基坑軟件JK系列之一，是設(shè)計(jì)單位在上海地區(qū)進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)時(shí)常采用的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件。BSC的工作流程主要包括數(shù)據(jù)建模、模型檢查、結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)輸出這些部分。本研究根據(jù)支撐桿件截面、荷載和支座等信息，運(yùn)用BSC軟件對(duì)內(nèi)支撐框架進(jìn)行變形及內(nèi)力計(jì)算，為支撐方案比選提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2 計(jì)算假定條件

（1）支護(hù)墻體傳遞到支撐邊梁荷載均布。

（2）忽略支撐豎向支承立柱對(duì)支撐平面體系的作用。

（3）忽略支撐構(gòu)件自重及豎向荷載對(duì)支撐體系的影響。

1.3 建模及計(jì)算結(jié)果

依據(jù)規(guī)范[12-13]，進(jìn)行圓環(huán)支撐體系的計(jì)算分析。計(jì)算過程通常是將環(huán)梁進(jìn)行等分簡(jiǎn)化，本次根據(jù)桁架節(jié)點(diǎn)分布將環(huán)梁劃分為46段近似7.5 m（內(nèi)環(huán)梁）、9.0 m（外環(huán)梁）等值折線段鋼筋混凝土構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)處考慮剛接。支撐構(gòu)件布置除內(nèi)外環(huán)梁間桁架不同外，均采取了相同的布置模式。構(gòu)件輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 支撐構(gòu)件輸入?yún)?shù)Table 1 Input parameters of support components

（1）方案A計(jì)算結(jié)果

進(jìn)行有限元數(shù)值分析后，方案A變形計(jì)算輸出結(jié)果如圖2所示，其他計(jì)算輸出結(jié)果詳見表2。

表2 方案A輸出結(jié)果情況Table 2 Output of scheme A

圖2 方案A位移計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of displacement calculation of scheme A

由計(jì)算結(jié)果顯示，支撐整體向坑內(nèi)發(fā)生變形，邊梁變形符合一般規(guī)律，同時(shí)未有不合理受拉桿件出現(xiàn)。支撐體系最大位移發(fā)生在基坑西北側(cè)邊梁位置，為23.1 mm，可采取調(diào)整邊梁截面及輻射撐位置等方式進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)計(jì)算，方案A的混凝土用量約2 996 m3。

（2）方案B計(jì)算結(jié)果

進(jìn)行有限元數(shù)值分析后，方案B變形計(jì)算輸出結(jié)果如圖3所示，其他計(jì)算輸出結(jié)果見表3。方案B計(jì)算結(jié)果顯示內(nèi)支撐體系布置合理，位移向坑內(nèi)發(fā)展，未有不合理受拉桿件出現(xiàn)。支撐最大位移與方案A同樣發(fā)生在邊梁西北側(cè)，為27.8 mm。其中，方案B在控制變形方面能力略差，環(huán)梁的位移及彎矩均大于方案A。但方案B的混凝土用量?jī)H約2 569 m3，較方案A節(jié)省了427 m3，市場(chǎng)價(jià)值約100萬元，較大的節(jié)約了工程成本。且方案B因環(huán)梁間連桿數(shù)量大幅減少，較方案 A出土口面積理論上增加了近2 500 m2，加快了土方出土效率，節(jié)約了時(shí)間成本。

表3 方案B輸出結(jié)果情況Table 3 Output of scheme B

圖3 方案B位移計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of displacement calculation of scheme B

（3）方案A與方案B環(huán)梁受力對(duì)比分析

方案A與方案B環(huán)梁軸力對(duì)比如圖4和圖5所示。對(duì)比圖4、圖5可知，方案B環(huán)梁軸力峰值小于方案A，數(shù)值的變化更是趨于平緩。所以，單從軸力這一方面看，方案B比方案A更為優(yōu)異。

圖4 方案B與方案A外環(huán)梁軸力對(duì)比圖Fig.4 Axial force comparison of the outer ring beam of scheme B and scheme A

圖5 方案B與方案A內(nèi)環(huán)梁軸力對(duì)比圖Fig.5 Axial force comparison of the inner ring beam of scheme B and scheme A

方案A與方案B環(huán)梁彎矩和位移對(duì)比如圖6～9所示。通過觀察圖6～9發(fā)現(xiàn)，方案B環(huán)梁構(gòu)件桿端位移峰值比方案A略大，而方案B桿端彎矩峰值明顯大于方案 A，均發(fā)生在支撐四邊中部環(huán)梁與邊梁近似相切區(qū)域。實(shí)際工程中較小且分布均勻的彎矩值更有利于混凝土支撐構(gòu)件抗壓性能的發(fā)揮。因此可以在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力控制嚴(yán)苛的情況下，在方案B的基礎(chǔ)上增加小截面斜連桿，改變節(jié)點(diǎn)的連接形式，進(jìn)一步釋放構(gòu)件彎矩。

圖6 方案B與方案A外環(huán)梁桿端位移對(duì)比圖Fig.6 Displacement comparison of the outer ring of scheme B and scheme A

關(guān)于四邊形桁架布置的改進(jìn)方案C計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖10。

圖10 方案C支撐體系計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.10 Calculation sketch of support system of scheme C

經(jīng)計(jì)算，方案C變形計(jì)算輸出結(jié)果如圖11所示，其他計(jì)算輸出結(jié)果詳見表4。

表4 方案C輸出結(jié)果情況Table 4 Output of scheme C

圖7 方案B與方案A內(nèi)環(huán)梁桿端位移對(duì)比圖Fig.7 Displacement comparison of the inner ring of scheme B and scheme A

圖8 方案A與方案B外環(huán)梁桿端彎矩對(duì)比圖Fig.8 Bending moment comparison of the outer ring of scheme B and scheme A

圖9 方案B與方案A內(nèi)環(huán)梁桿端彎矩對(duì)比圖Fig.9 Bending moment comparison of the inner ring of scheme B and scheme A

圖11 方案C位移計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖Fig.11 Diagram of displacement calculation of scheme C

方案C計(jì)算結(jié)果顯示其布置合理，最大位移發(fā)生在邊梁東側(cè)，僅23.1 mm。將其主要計(jì)算結(jié)果與方案A、方案B比較，研究其可行性，具體如下：

將方案C與方案B的環(huán)梁軸力進(jìn)行比較，如圖12～13所示。

通過圖12和圖13的比較發(fā)現(xiàn)，方案C環(huán)梁軸力峰值較方案B上下浮動(dòng)小于1 000 kN，數(shù)值分布也更加均勻，兩者之間相差已不大。

圖12 方案C與方案B外環(huán)梁軸力對(duì)比圖Fig.12 Axial force comparison of the outer ring beam of scheme C and scheme B

圖13 方案C與方案B內(nèi)環(huán)梁軸力對(duì)比圖Fig.13 Axial force comparison of the inner ring beam of scheme C and scheme B

圖14～17為方案C與方案A的環(huán)梁彎矩和位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。

通過對(duì)圖14～17的觀察，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果可知，方案C環(huán)梁構(gòu)件桿端位移與方案A基本持平，兩方案桿端彎矩的峰值差也小于500 kN·m，方案C環(huán)梁彎矩?cái)?shù)值分部也基本均勻，已能滿足環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)苛的實(shí)際工程需要。方案C的混凝土用量約2 792 m3，相較方案A節(jié)省204 m3，市場(chǎng)價(jià)值約48萬元，理論出土口面積增加1 000 m2。

圖14 方案C與方案A外環(huán)梁位移對(duì)比圖Fig.14 Displacement comparison of the outer ring of scheme C and scheme A

圖15 方案C與方案A內(nèi)環(huán)梁桿端位移對(duì)比圖Fig.15 Displacement comparison of the inner ring of scheme C and scheme A

圖16 方案C與方案A外環(huán)梁彎矩對(duì)比圖Fig.16 Bending moment comparison of the outer ring of scheme C and scheme A

圖17 方案C與方案A內(nèi)環(huán)梁彎矩對(duì)比圖Fig.17 Bending moment comparison of the inner ring beam of scheme C and scheme A

綜合以上分析可以看出：在周邊環(huán)境簡(jiǎn)單、對(duì)基坑變形要求不嚴(yán)格的工程中，采用四邊形桁架布置（方案B）明顯優(yōu)于采用三角形桁架布置（方案A）。而在基坑變形要求高、時(shí)間跨度較大的工程中，也可采用四邊形桁架改進(jìn)型式（方案C）替代三角形桁架布置（方案A），既能保障基坑安全，又能在一定程度上節(jié)省工期和造價(jià)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

已建上海市某項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)周浦鎮(zhèn)周鄧公路與康達(dá)路交叉處，周浦公園北側(cè)，具體所在地示意圖如圖18所示。占地面積29 315 m2，擬建建筑物主要有5棟高層商辦和整體2層地下室，采用樁承臺(tái)結(jié)合防水板的基礎(chǔ)形式。本項(xiàng)目基坑工程大面積挖深9.7 m，周長(zhǎng)601 m，面積23 278 m2，基坑工程安全等級(jí)二級(jí)。本工程場(chǎng)地周邊環(huán)境簡(jiǎn)單，環(huán)境保護(hù)等級(jí)為三級(jí)。

圖18 工程所在地示意圖Fig.18 Project location

2.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地基土自上而下可分為雜填土層、粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、砂質(zhì)粉土層、淤泥質(zhì)黏土層、黏土層、粉質(zhì)黏土層等。根據(jù)地勘報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等單位實(shí)測(cè)：本工程無承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)；地下潛水位-0.5 m位置，隨季節(jié)更替略有變化。各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表5。

表5 各土層計(jì)算指標(biāo)Table 5 Parameter of soil layers

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程采用鉆孔灌注樁結(jié)合兩道混凝土支撐的支護(hù)形式。本工程隨地層和基坑局部落深的變化支護(hù)設(shè)計(jì)差異微小，所以只選取了普遍挖深 9.7 m區(qū)域剖面及第二道支撐體系進(jìn)行分析：圍護(hù)墻體采用了23.0 m長(zhǎng)、直徑0.8 m、間距1.0 m的鉆孔灌注樁結(jié)合15.4 m長(zhǎng)、直徑0.85 m、間距1.2 m三軸水泥土攪拌樁止水帷幕的形式；混凝土支撐采用了四邊形桁架雙圓環(huán)布置的形式?；又ёo(hù)剖面圖及第二道支撐平面布置見圖19、圖20。支撐構(gòu)件參數(shù)見表6。

圖19 工程實(shí)例支護(hù)剖面圖Fig.19 Support section of the project

圖20 工程實(shí)例支撐布置圖Fig.20 Supporting layout of the project

表6 支撐構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 6 Design parameters of support components

2.4 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況對(duì)比分析

在基坑工程設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)計(jì)算在最不利荷載作用下產(chǎn)生的最不利內(nèi)力組合和最大水平位移。現(xiàn)取本工程在基坑開挖到底（最不利工況），第二道支撐受最大均布荷載 526 kN/m情況下，比較支護(hù)結(jié)構(gòu)主要計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單位在基坑開挖到底期間實(shí)測(cè)值的差異，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，具體如下。

選取沿基坑長(zhǎng)邊方向樁身最大水平位移點(diǎn)及內(nèi)外環(huán)梁最大軸力點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如表7、表8所示。

表7 主要支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較一覽表Table 7 Comparison of calculated and measured values of main supporting structures mm

表8 支撐構(gòu)件受力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較一覽表Table 8 Comparison of calculated and measured values of support member stress kN

通過以上數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，本基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)選型合理，設(shè)計(jì)與實(shí)際相符，能滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)程的要求。

3 結(jié) 論

通過對(duì)幾種桁架式多環(huán)形內(nèi)支撐布置方案的計(jì)算分析對(duì)比，并結(jié)合工程實(shí)例，可得到以下結(jié)論：

基坑工程內(nèi)支撐布置不僅要考慮支撐構(gòu)件受力合理，變形可控，還要綜合考慮工程造價(jià)、施工便捷性等多方面因素。從控制變形的能力來看，三角形-桁架結(jié)構(gòu)要優(yōu)于四邊形-桁架，但其僅考慮受力和變形，而沒有根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化。

從經(jīng)濟(jì)性、施工便利性方面來看，四邊形桁架式多環(huán)形內(nèi)支撐較傳統(tǒng)三角形桁架布置有較大優(yōu)勢(shì)。一方面，鋼筋混凝土用量小、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保；另一方面，增加了出土口面積、節(jié)省工期。

在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)單位在兼顧安全性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性時(shí)，支撐布置可以選擇采用四邊形桁架結(jié)構(gòu)。同時(shí)為滿足不同環(huán)境條件下基坑工程的受力和變形要求，在設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)具體情況在四邊形桁架的基礎(chǔ)上局部增加斜連桿來進(jìn)一步加強(qiáng)支撐體系。

本文只進(jìn)行了平面支撐體系研究，帶有一定的局限性。后續(xù)可采用三維有限元軟件，建立考慮支護(hù)墻體、既有建（構(gòu)）筑物及土方分區(qū)開挖等因素的三維模型，對(duì)整個(gè)圓環(huán)支撐體系進(jìn)行更深層次的分析研究。