影響深基坑圍護墻內支撐系統因素的狀況分析

邱明明，姜安龍，程建紅

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，714000，陜西，渭南；2.廈門軌道交通集團有限公司，361001，福建，廈門)

影響深基坑圍護墻內支撐系統因素的狀況分析

邱明明1，姜安龍2，程建紅1

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，714000，陜西，渭南；2.廈門軌道交通集團有限公司，361001，福建，廈門)

在深基坑開挖過程中，內支撐對穩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，借助數值模擬方法建立了基坑開挖力學模型，考慮內支撐截面、支撐作用點位置、支撐作用點形式和支撐剛度四個影響因素，對內支撐對圍護結構內力及變形的影響進行了探討。分析結果表明：鋼支撐截面的選擇應視情況而定，且支撐長度不宜大于25 m；支撐位置的設置對支護結構受力及變形有較大影響，在基坑設計中應當予以重視；改進的內支撐作用點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踐及理論研究提供參考。

深基坑；圍護結構；內支撐；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。標段場區內市政管線相對較多，均分布在既有道路兩側。

1.2工程水文地質概況

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。基坑開挖深度范圍內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給，地下水位位于地表以下4 m處。各土層的力學參數詳見表1。

表1 各土層的物理力學參數

1.3支護結構設計

車站采用明挖順筑法施工主體結構，支護結構采用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止水。基坑內沿豎向共設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 施工過程數值模擬

2.1計算模型的建立

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行計算，建立了60 m×35 m(寬×深)的平面應變幾何模型，有限元網格基于15節點單元，計算網格共970個單元，8 144個節點。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 計算模型

2.2本構模型與計算參數

在模擬計算中，土體材料采用莫爾-庫侖本構模型(Mohr-Coulomb)；圍護樁墻、內支撐等采用彈性本構模型。土體材料參數按表1取值，結構材料參數按表2取值。

2.3施工方案

根據基坑施工的特點，分步開挖與支護過程模擬如下：建立數值計算模型，定義材料參數；施加重力荷載，模擬初應力狀態；施作基坑圍護結構，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，并分步進行計算。

表2 結構材料參數

3 影響分析

深基坑工程中的支護結構一般有2種形式，分別為圍護墻結合內支撐系統的形式和圍護墻結合錨桿的形式[1-2]。作用在圍護墻上的水土壓力可以由內支撐有效的傳遞或平衡，也可以由坑外設置的土層錨桿平衡。內支撐可以直接平衡兩端圍護墻上所受的側壓力，構造簡單，受力明確[3-5]。特別對于軟土地區大深度基坑工程，內支撐系統具有無需占有基坑外側地下空間資源、可提高整個圍護體系的整體強度和剛度以及可有效控制基坑變形的特點而得到了大量的應用[6-9]。

在內支撐設計中，一般要從強度和剛度2個方面考慮，而截面形式、支撐作用點位置、支撐作用點形式及支撐剛度等對基坑圍護結構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。鋼支撐是工廠生產的規格化現成材料，施工時可根據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、強度高、穩定性好、施工速度快，并可以施加預應力以合理控制基坑變形，因此被廣泛采用于支撐構件中[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。支撐結構上主要作受圍護樁墻傳來的水、土壓力和坑外地表荷載所產生的水平側壓力，因此支撐一般按照軸向受壓構件來進行設計計算，見圖3。支撐容許壓力計算式如下[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)進行計算：

△li=NL/EA

(2)

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

圖2 鋼支撐截面形式

圖3 支撐計算簡圖

通常基坑內支撐以選取Φ=609 mm，t=16 mm的鋼管居多，然而選取這種規格的型鋼是否是最經濟、合理的，下面將選取幾種常用的鋼管和H型鋼進行對比分析。鋼材類型為Q235，容許應力[σ]=170 MPa，根據式(2)、式(3)計算支撐桿長分別為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，計算結果見表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，可優先考慮選用H型鋼，穩定因素大、容許壓力大、變形較小；

4)支撐桿件的長細比應不宜大于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)當支撐長度增加時，支撐容許壓力減小，變形增加，因此適當減小支撐長度可提高壓桿穩定因素φ和容許壓力，且可減小桿件壓縮變形。建議在橫撐節點處加斜撐形成八字撐，以減小支撐長度，能有效增加橫撐節點處的剛度，提高橫撐承載能力、穩定性及各項力學指標，見圖4。

表3 計算結果對比

圖4 八字撐計算簡圖

3.2支撐作用點位置

在基坑內支撐設計中，支撐作用點的合理布置不僅可以改變結構的約束條件，還可以改善結構的受力狀況。基于此，對本工程中第2道鋼支撐作用點位置下移0.5 m進行對比分析，計算結果見圖5、表4。

由圖5可看出，改變支撐位置前圍護樁最大水平位移為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，且發生位置也略有上移。由表4可得，支撐位置改變后，支護結構內力均發生不同程度的變化，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結構受力及變形是比較敏感的，在基坑支護結構設計時，支撐位置的設置，除了考慮施工空間外，還應當考慮對基坑支護結構內力及變形的影響。

圖5 支撐位置對圍護樁水平位移的影響

表4 支撐位置對支護結構內力的影響

3.3支撐作用點形式

基于上節的討論，對本工程中第3道內支撐與圍護墻作用點接觸形式進行改進處理，改進后的計算簡圖如圖6所示。根據圖6建立基坑開挖數值計算模型，進一步對基坑施工過程中支護結構的受力及變形進行對比分析，計算結果見圖7、表5。

由圖7可得，改變前圍護樁最大變形為21.4 mm，位置在11.0 m；采用方式1，圍護樁最大變形為9.9 mm，位置在13.0 m；采用方式2，圍護樁最大變形為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的減小了20%～40%。

根據上述說明，內支撐作用點形式對基坑支護結構內力及變形影響較大，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，其實質是不僅改變了內支撐作用點的位置，還改變了內支撐作用點的數量，進而使得支護結構的約束條件及受力狀況均發生改變。因此，內支撐作用點形式對改善基坑受力、有效控制基坑變形有積極作用，在基坑支護結構設計中應當受到重視，且需要合理設計。

圖6 改進的支撐點作用形式

圖7 支撐作用點形式對圍護樁水平位移的影響

3.4支撐剛度

對本工程中第3道鋼支撐的剛度改變為0.5EA、2EA、4EA進行對比分析，計算結果見圖8、表6。

由圖8可得，各支撐剛度對應的圍護樁最大變形依次為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力均變化不大。因此，通過增加內支撐剛度來保證基坑穩定和控制基坑變形并不是最有效的方法。

表5 支撐作用點形式對支護結構內力的影響

圖8 支撐剛度對圍護樁水平位移的影響

4 結論及建議

文章以某深基坑工程為研究背景，借助數值模擬方法建立了基坑開挖力學模型，對內支撐對圍護結構內力及變形的影響進行了分析，主要得出以下幾點結論及建議。

1)通常選用Φ=609mm，t=16mm的鋼管作為基坑內支撐并不一定是最優的，在具體工程中，應當綜合考慮安全、經濟、施工的因素，合理選取內支撐截面形式和支撐長度，必要情況下需做優化分析，以充分發揮內支撐的作用，確保基坑穩定。

2)支撐位置的改變對支護結構受力及變形是比較敏感的，應綜合考慮各影響因素，合理進行設計。

表6 支撐剛度對支護結構內力的影響

3)內支撐作用點形式對改善基坑受力、控制基坑變形有積極作用，在基坑支護結構設計中應當受到重視。

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形式還需在后期的工程實踐中進一步探索、完善。

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[10]孫訓方.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2007:294-310.

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。

陜西鐵路工程職業技術學院科研基金項目(編號：2013-33)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.022

TU432

A

1001-3679(2014)05-0679-06