臨時鋼管柱內土體凍脹引起混凝土支撐變形的受力分析

□文 /童剛強

軟土地區的深基坑工程多采用內支撐圍護結構，基坑的圍護體系由圍護墻、支撐和立柱樁組成[1]。基坑開挖變形主要包括3部分：支護墻體變形、基坑底部隆起和基坑周圍土體變形。研究表明這3方面互相聯系而不是獨立的[2]。在基坑開挖過程中，結合施工工況對墻體測斜、立柱隆起和土體沉降監測數據進行綜合分析，盡快找到監測數據異常的原因并及時響應，對保證基坑的安全有非常重要的指導意義。

立柱樁的形式包括鋼管柱和格構柱，當支撐跨度較大時，立柱樁能夠給支撐體系提供很好地穩定性。影響立柱發生豎向位移的因素主要有基坑隆起、豎向荷載、溫度變化、混凝土收縮徐變、施工誤差等，其中基坑隆起與豎向荷載是最主要影響因素[3]。這些因素在設計施工過程都會提前考慮并引起重視，對于一些不常見的因素更應引起注意。

1 工程概況

天津地鐵5號線張興莊站位于既有鐵路北環線和規劃均富路交口，為地下3層島式站臺車站，與既有地鐵3號線T型換乘，周邊無建筑物和地下管線。車站主體結構長148.05 m，標準段凈寬19.8 m，站臺寬12.50 m。主體基坑標準段基坑深23.05 m，大里程盾構井段基坑深24.6 m，小里程盾構井深24.9 m，采用明挖順做法施工。

主體基坑圍護結構采用1 000mm厚地下連續墻+5道混凝土支撐的形式，地下連續墻深度為45.65 m（含3.9 m素混凝土段），地下連續墻和混凝土支撐均為C30混凝土，混凝土支撐縱向配筋上下各10φ28mm，左右各3φ25mm，箍筋配筋φ10mm@100mm，混凝土支撐各項參數見表1，所有混凝土支撐均用系梁連接，臨時立柱采用直徑300mm的鋼管柱。

表1 混凝土支撐計算參數

2 立柱豎向隆起原因分析

2.1 監測說明

車站主體基坑由兩端向中間同時進行開挖，由右往左共分為6個施工段，每段24～25 m。根據規范要求以及結合本工程特點，重點對周邊地表沉降、地下連續墻頂部沉降、地下連續墻測斜、地下連續墻頂部水平位移、混凝土支撐軸力、臨時立柱沉降（監測點布置在第1道混凝土支撐上）、坑外水位、既有北環鐵路沉降及軌道高差、既有運營3號線進行監測，見圖1，在基坑開挖過程中對重點部位進行巡視檢查。

圖1 基坑平面及部分監測點布置

2.2 監測數據分析

基坑1施工段開挖至基坑底，2～3施工段已施工墊層，4～6施工段底板已澆筑完成，經監測數據發現，立柱Z1、Z6發生了較大的隆起，見圖2，變化量達到了14～15mm/d，組織人員對現場進行巡視發現Z8對應的混凝土支撐表面已開裂，見圖3。對監測數據進行分析發現，連續20 d內地下連續墻測斜數據穩定，在可控范圍以內，沒有突變的現象發生，見圖4；地表沉降個別點在2mm/d左右，也處于穩定狀態，見圖5，同時Z6、Z8對應底板已施工完成，說明坑底隆起引起立柱上浮的可能性極小。

圖2 立柱豎向位移時程曲線

圖3 混凝土支撐開裂

圖5 地表沉降時程曲線

經過進一步的觀察發現，由于是在冬季施工且連續幾天氣溫持續下降，最低氣溫達到了-14℃。根據已有的研究表明[4～5]，土體在低溫下發生凍脹且產生較大的凍脹力，從而推測立柱Z6、Z8的隆起是由于鋼管柱內土體凍脹引起的。為驗證這一推論，在鋼管柱上開一口子，發現有大量泥土擠出，同時立柱豎向位移逐步恢復正常，后期監測也沒有再出現異常情況。因此，可以判定立柱Z1、Z6、Z8的豎向位移是由于鋼管柱內土體凍脹引起的。

3 鋼管柱內土體凍脹對混凝土支撐變形影響分析

根據臨時鋼管柱施工工藝可知，鋼管柱內的土體主要為殘留的泥漿和攪拌土，其性能指標無法判定。在Z1、Z6、Z8發生較大凍脹時，Z2、Z4、Z7并沒有變化，說明在凍脹之前Z2、Z4、Z7鋼管柱沒有被土體填滿，鋼管柱內土體的密實程度無法確定。因此，無法通過土的凍脹屬性來計算鋼管柱內土體的凍脹量以及產生的凍脹力。在已知混凝土支撐變形量（鋼管柱豎向位移）的情況下，可以借助結構力學模型對土體的凍脹力進行反算。

根據同濟大學史世雍[3]的研究，在忽略支撐桿左右兩側墻體豎向差異浮沉引起的支撐桿扭曲變形影響時，對撐桿可視為豎平面有彎矩作用的壓彎構件，對混凝土支撐，上浮變形的附加彎矩可用圖6的計算模型。

圖6 混凝土支撐受力分析模型

根據結構力學計算求得

式中：Q為立柱對混凝土支撐的豎向力；δ為立柱與地下連續墻的差異沉降；E為C30混凝土的彈性模量；q為混凝土支撐自重載荷。

立柱隆起產生的最大附加彎矩在支撐的中部，最大附加彎矩為

根據以上理論，將計算結果匯總于表2。結合表2的計算結果和圖2可以看出，在發生凍脹之前，鋼管柱的豎向位移基本穩定，與地下連續墻的差異沉降較小，由此產生的上浮力和附加彎矩也很小。凍脹發生后，鋼管柱與地下連續墻的差異沉降迅速增大，Z1、Z6上浮力分別增加了711、903.8 kN，附加彎矩分別增加了2 275.3、2711.4 kN·m，分別達到了設計極限彎矩的66.87%和 79.7%。

表2 立柱隆起對混凝土支撐的附加彎矩

4 結論與建議

1）根據計算結果，土體凍脹使鋼管柱對混凝土支撐的上浮力和附加彎矩迅速增加，附加彎矩的增加量分別達到了設計極限彎矩的66.87%和79.7%。在設計沒有考慮凍脹影響的情況下，這種工況的發生對混凝土支撐的穩定性以及基坑支護的安全帶來了極大危害。

2）需要在冬季施工，特別是北方地區，為避免類似工況發生，可以將鋼管柱伸出混凝土支撐上表面，使鋼管柱內土體凍脹能得到盡快釋放或者用格構柱代替鋼管柱。

[1]江 娟，亓 賓，劉國彬.軟土深基坑中立柱樁變形影響因素和變形預測研究[J].巖土工程學報，2008,30，（S1）：363-368.

[2]鄭 剛，焦 瑩，李 竹.軟土地區深基坑工程存在的變形與穩定問題及其控制——軟土地區深基坑坑底隆起變形問題[J].施工技術，2011，40（341）：10-15.

[3]史世雍.軟土地區深基坑支護體系安全性狀動態分析[D].上海：同濟大學,2007.

[4]秦愛芳，林金錢，蒲毅彬，等.上海人工凍土凍脹特性和水分遷移的試驗研究[J].上海大學學報（自然科學版），2009，15（1）：93-98.

[5]孫迪輝.凍脹土對混凝土模板支撐體系的影響[J].低溫建筑技術，2008，（2）：117-118.