交叉異型深基坑支護體系受力分析

馮 濤

(西北電力建設第四工程公司,陜西西安 710038)

交叉異型深基坑支護體系受力分析

馮 濤

(西北電力建設第四工程公司,陜西西安 710038)

以長春某地鐵車站深基坑為例,利用MADIS.GTS數值分析軟件,按照深基坑不同支護方案,對基坑支護體系受力進行模擬計算,提取支撐內力的計算結果并進行分析,得出支撐軸力隨著支撐的預加軸力增大而減小;隨著支撐層數的增加,下部支撐的軸力逐漸消散,并對結果進行相互對比分析,結果表明支撐的軸力值隨著鋼支撐預加應力和支撐縱向道數增加而降低,但降低幅度越來越小。

深基坑支護;預應力;軸力;數值模擬

0 前 言

交叉異型深基坑不同于一般深基坑,它不但具有明顯的三維空間尺度,而且其呈現出復雜的應力應變狀態,在交叉異型處都會出現一個或多個陽角,這為基坑開挖過程中的支護設置增加了難度,通常這些部位一般都處于裸空狀態,致使陽角截面處產生大集中應力和大應變。在深基坑的施工過程中,由于開挖深度較深,側向土壓力較大,導致基坑側沿土體向基坑內側位移累積量也較嚴重[1]。尤其在異型深基坑施工過程中,由于異型截面處的應力應變狀態較為復雜,很容易出現圍護結構大變形,所以選擇合理的支護體系對深基坑進行支護,是非常有必要的。

目前,圍護結構常采用地下連續墻或圍護樁進行基坑圍護,其中圍護樁結構一般配合作為止水帷幕的旋噴樁共同對深基坑進行圍護[2]。支護結構有兩大類:一類為鋼管支撐;另一類為混凝土梁支撐。兩者各有優缺點,鋼管支撐自重輕,易于拆卸;混凝土梁自重大,但是整體剛度強。鑒于各中支護體系的優缺點,如何針對不同施工環境選擇合理的支護體系,已成為當前基坑支護的核心問題之一[3]。工程實例采用圍護樁作為圍護體系,鋼支撐作為支護體系,對該交叉異型深基坑進行支護,結合該工程實例分析研究支護體系在不同支護體系下的力學反應,為類似工程的支撐體系設計提供參考。

1 工程概況

該基坑由輕軌基坑和地鐵基坑兩部分組成,輕軌站基坑長205.8 m,寬20.8 m,基坑最深處的深度為29.1 m;地鐵站基坑長143.4 m,寬為20.5 m,基坑最深處的深度為20.5m。兩基坑呈62.71°的交角交叉存在。地下水位深度約-10 m。

圍護結構采用樁徑1 000 mm的圍護樁,樁頂設1 100 mm×800 mm的冠梁;高壓旋噴樁起止水帷幕的作用,旋噴樁樁徑600 mm。

基坑內采用鋼管支撐,輕軌基坑內設兩道鋼支撐,地鐵基坑內設三道鋼支撐。鋼管支撐Φ 609壁厚16 mm。基坑拐角處設置內斜撐,其余部位都為內直撐。基坑平面支撐布置見圖1。

圖1 基坑平面支撐布置圖

土層共分為四層,表1為地質勘察實驗得到各土層物理力學指標。

表1 土層主要物理力學性質指標

基坑施工按照縱向分層開挖,各施工工況簡圖如圖2所示。

2 數值模擬分析

MADIS.GTS是包含施工階段的應力分析和滲透分析等巖土和隧道所需的幾乎所有分析功能的通用分析軟件,其特點主要為具有強大智能的自動網格劃分功能,快速準確的有限元求解,高級映射網格劃分和大模型的快速顯示及優效化處理等。主要適用領域包括:高層建筑深基坑的應力應變和穩定性分析,復雜地層的穩定流分析,T型/y型隧道結合部、陡坡、豎井-橫井-主隧道結合部分析等等。

圖2 交叉異型處地鐵基坑支撐施工工序圖

圖3 開挖部分已鈍化的有限元網格

2.1 模型參數選取

土體本構關系采用鄧肯-張模型,各力學參數如表1所示,因為本文分析的重點為支護結構的內力特征,所以選擇土體的卸載模量,根據地質勘察報告,可近似取為彈性模量的1.6倍。預加軸力按照第一層支撐預應力為50kN,第二層鋼支撐預應力為70 kN,第三、四層鋼支撐預應力均為90 kN進行施加。

2.2 利用“激活-鈍化”功能進行仿真模擬開挖

為了仿真模擬基坑開挖過程,本文在模擬開挖中采用了MAIDA.GTS中的“激活-鈍化”功能,“鈍化”就相當于給選中單元乘以一個足夠小的數,使其剛度、質量及約束條件等同時失去效用而不對周圍單元產生作用。

在模擬開挖過程中,定義施工階段時,需要開挖的土體設置在鈍化欄,對應支撐設置在激活欄,依次設置每步開挖和對應支撐架設便可模擬基坑開挖全過程。

“激活”便是“鈍化”功能的逆過程。建模時,將支撐體系設置為桁架式結構,并對其賦予桁架屬性,同時按照桁架結構的網格劃分結果對其施加對應預應力,最后定義施工階段順序,進行施工階段分析。通過分步鈍化開挖土層,激活圍護結構和支護結構,可以方便地模擬實施基坑開挖過程,從而計算、提取出支護結構在不同施工工序下的軸力值。

仿真模擬數值分析流程見圖4。

圖4 數值分析流程示意圖

2.3 支撐預應力模擬分析

在上述工程實例中,各道鋼支撐的預應力值不等fi(i=1,2,3)。在分析研究中,以實際預應力為基準,分別取實際預應力的0.5倍、1倍、1.5倍的設計無量綱預應力假定值進行模擬分析在架設最底層支撐后,可得整個基坑產生最大變形附近各層鋼支撐內力見表2。

表2 不同預加應力條件下支撐軸力值

對比鋼支撐預應力各變為原來1/2和1.5倍時的各層鋼支撐軸力值,預應力降低為原來一半,各層支撐軸力將大量增長;當各層支撐預應力增加為原來的1.5倍,相應軸力控制效果有限。當支撐的預加軸力過小時,側向土壓力的積累總量分擔給支撐的后期荷載將增加,導致支撐軸力大幅度提高[4]。當支撐預加軸力過大時,過大軸力會提前約束土體的橫向變形,使其較早發生塑性變形,同時伴隨著土體塑性變形的發生[5],土體彈性模量提高,穩定狀態的平衡力也逐漸收斂。

2.4 鋼支撐縱向層數的模擬分析

在實際工程中,兩部分基坑的鋼支撐層數分別為地鐵基坑3層,輕軌基坑2層。下面將以實際工況為標準,分別采用地鐵基坑設置2、3、4層鋼支撐,輕軌基坑分別設置1、2、3層鋼支撐進行模擬分析對比。

首先,按照不同基坑的縱向支撐層數組合,得到I～IX共九種預案,羅列于表3所示。

表3 鋼支撐縱向層數設計

然后按照上表的不同支撐預案設計,分別針對性地建立數值分析模型,計算在不同支撐組合條件下,每道支撐的軸力值。數值模擬方案V計算結果見圖5。

圖5 方案V下分層開挖基坑數值分析軸力計算云圖

經數值分析計算,得出不同方案下各道支撐的軸力值如表4所示。

由表4可以看出,各基坑區段的鋼支撐層數增加,可以有效地分散各層支撐的軸力值。當地鐵基坑區段設置3層鋼支撐時,輕軌基坑區段鋼支撐層數由1層增加到3層,軸力分散效果不明顯,最大分散差值為400 kN,主要由于地鐵基坑在該交叉異型基坑中較深,對其支護得當,在一定程度上可以控制該基坑整體應力的發展;當輕軌基坑區段設置2道鋼支撐時,地鐵區段支撐層數由2層增加至4層,軸力分散最大差值發生在設置2層過度到設置3層之間,最大分散差值位于輕軌基坑的最底層支撐,其值為1 070 kN,主要由于輕軌基坑深度較淺,基坑開挖過程中,側 向土壓力在基坑底部附近積累達到最大值。

表4 不同設計方案下支撐內力值

同時,在輕軌基坑支撐層數既定的條件上,隨著地鐵基坑的縱向層數的增加,其下部支撐軸力程漸減趨勢發展;在地鐵基坑支撐層數既定的條件下,隨著輕軌基坑的縱向層數增加,地鐵基坑的各層支撐軸力差值也逐漸減小。這表明,增加基坑支撐層數會導致上部支撐軸力逐漸增大,下部支撐軸力逐漸減小的現象產生;同時支撐軸力的消散效應也隨基坑層數的增加而逐漸明顯[6]。

由此可見,本文工程實例較合理的鋼支撐應為地鐵基坑設置三層,輕軌基坑設置兩層。這樣既能保證工程施工安全,又能節約費用,社會經濟效益顯著。

3 結 論

本文通過對交叉異型深基坑的數值模擬,分析了不同支護方案和不同預加應力條件下的鋼支撐的受力情況,得到以下結論:

(1)鋼支撐在受力時,對其軸力值起主導作用的不但有基坑外沿的側向土壓力,同時起作用的還包括鋼支撐的自身物理指標和支護體系的布設方式等。支撐軸力隨側向土壓力增大而增大,隨支撐剛度增大而減小。

(2)由于基坑開挖的時間效應,隨基坑開挖深度的加大,各層鋼支撐軸力增大,但增長速率逐漸降低,最終土體、圍護結構和支撐達到受力平衡,軸力值將維持在一定值上下波動。

(3)下部支撐的架設和預加軸力會使上部支撐的軸力發生變化。一般情況下,下部支撐架設可導致上部支撐軸力消散,即下部支撐作用有取代上部一部分支撐作用的趨勢,如果對下部支撐預加軸力過大,上部支撐的軸力則會出現明顯的回彈現象。

(4)由于交叉異型深基坑異型截面的特性,使得其上部空間無法進行及時有效的支撐,側向土壓力無法得到有效平衡,進而導致位于該區段內各層鋼支撐的軸力發展均較快。所以在交叉異型部位改變鋼支撐的縱向層數,可以有效地控制支撐軸力的最大值。

[1]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[2]高文華,楊林德,沈蒲生.軟土深基坑支護結構內力與變形時空效應的影響因素分析[J].土木工程學報,2001,34(5):90-96.

[3]莫承鍇.以工程實例談基坑支護結構設計與檢測[J].科技創新導報,2009,(6):33-36.

[4]楊學強,劉祖德,何世秀.深基坑支護桿系有限元分析[J].湖北工學院學報,2000,15(2):17-20.

[5]Andrew J W,SCEA M A,Youssef M A H,et al.Analyses of deep excavation in Boston[J].Journal of Geotechoical Engineering,1993,119(1):69-90.

[6]陶文慧,王國標,楊宏麗,等.深基坑開挖與不同支護方案的優選[J].土工基礎,2006,20(5):18-24.

Analysis on Stress of Support System of Cross-heterogeneous Deep Foundation Pit

FENG Tao
(Fourth Engineering Corporation of Northwest Electric Power Construction,Xi'an,Shaanxi710038,China)

Taking the deep foundation pit of a subway station in Changchun for example,the stress of its support system is simulated and calculated under different support schemes by using the numerical analysis software MIDAS.GTS.The calculation results of support inner force are extracted,it isobtained through observing and analyzing that the support axial force would be decreasedwith the increase of pre-axial force,and the support axial force in bottom would be dissipated with the increase of support layers.Then it isobtained through comparing and analyzing that the support axial force would be reduced with the increase pre-stressing and longitudinal support number,but the reducing margin would be getting smaller and smaller.

bracing of deep foundation pit;pre-stressing;axial force;numerical simulation

TV551.4

A

1672—1144(2012)05—0091—05

2012-03-19

2012-05-15

馮 濤(1985—),男(漢族),陜西渭南人,主要從事土木工程施工管理工作。