范 君 宇

(上海強(qiáng)勁地基工程股份有限公司,上海 200233)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

深大基坑中水平支撐的溫度內(nèi)力與變形計(jì)算★

范 君 宇

(上海強(qiáng)勁地基工程股份有限公司,上海 200233)

以深大基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立了深大基坑水平支撐溫度內(nèi)力與變形的計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了所建立的溫度內(nèi)力與變形計(jì)算方法是可靠的，可供深大基坑的內(nèi)支撐設(shè)計(jì)時(shí)參考，從而也證明了深大基坑中內(nèi)支撐的內(nèi)力可調(diào)是控制基坑變形和保證安全的有效方法。

深基坑，多層土，Winkler模型，溫度內(nèi)力

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和城市建設(shè)的迅速發(fā)展，深大基坑工程的數(shù)量越來(lái)越多。在深大基坑工程中,溫度變化會(huì)影響支護(hù)結(jié)構(gòu)中支撐的內(nèi)力和變形,基坑設(shè)計(jì)規(guī)范[1]規(guī)定設(shè)計(jì)基坑內(nèi)支撐體系時(shí)應(yīng)考慮溫度變化的影響,但是并沒(méi)有提供相應(yīng)的計(jì)算方法。深大基坑的水平支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，溫度變化30 ℃時(shí)，其120 m支撐內(nèi)力增量達(dá)600 kN,從而說(shuō)明深大基坑水平支撐的溫度內(nèi)力對(duì)基坑的安全影響是不可忽略的。

目前關(guān)于深基坑水平支撐溫度應(yīng)力的研究還比較少，并且這方面的研究也不是很完善。陸培毅等[2]在采用有限元方法模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)與土的相互作用的基礎(chǔ)上提出將溫度場(chǎng)耦合到應(yīng)力場(chǎng)中來(lái),以分析基坑支護(hù)支撐的溫度效應(yīng)。 鄭剛和顧曉魯[3]基于彈性抗力法,提出單層支撐基坑溫度應(yīng)力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,該法計(jì)算簡(jiǎn)單,概念明確,可以考慮支撐—圍護(hù)樁—土的相互作用。吳明等[4]在鄭剛和顧曉魯方法的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出可以考慮多層支撐溫度應(yīng)力的計(jì)算方法。

上述計(jì)算方法中，均是假設(shè)圍護(hù)墻后的土體的剛度都是相等的，即只考慮單層土的影響，而實(shí)際上基坑圍護(hù)墻體后分布有多層土體，且性能相差較大。本文在結(jié)合實(shí)際工程情況的基礎(chǔ)上，考慮圍護(hù)墻后的土體的剛度隨著不同土層i的變化，進(jìn)一步分析圍護(hù)墻后土體的分布和土層的性能對(duì)支撐溫度內(nèi)力的影響，建立了多道水平支撐下溫度內(nèi)力的計(jì)算方法，并分析了影響其溫度內(nèi)力變化的主要因素。

1 計(jì)算模型

方便計(jì)算，可作以下假設(shè):1)圍護(hù)樁因?yàn)橹螠囟容S力變化產(chǎn)生的水平位移與相應(yīng)圍護(hù)樁后土體的變形協(xié)調(diào),所以整個(gè)系統(tǒng)可以認(rèn)為處于彈性變形狀態(tài)；2)溫度引起的支撐伸長(zhǎng)和縮短與圍護(hù)樁后土體的彈性變形相互協(xié)調(diào),并取決于圍護(hù)樁剛度和土體剛度的共同影響，土體的剛度隨著不同土層變化;3)協(xié)調(diào)基坑支撐變形的樁后土的水平范圍為D；4)支撐溫度變化ΔT瞬間完成,支撐簡(jiǎn)化為一維桿件；5)圍護(hù)樁后土體符合Winkler地基模型；6)假設(shè)協(xié)調(diào)第i層支撐水平位移的樁后土體豎向范圍為Hi,hi為第i層與第i+1層支撐的間距；7)如果圍護(hù)樁樁頂高程比第1層支撐高程高，則模型積分時(shí)可以不考慮。因?yàn)榭紤]該段使得積分結(jié)果比較冗繁,而且經(jīng)過(guò)試算對(duì)精度提高不大,故不予考慮[4]。

n層支撐基坑的模型如圖1所示,按照以上假設(shè),對(duì)于第i層支撐,建立局部坐標(biāo)系,如圖2所示。

假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移方程：

(1)

圖2中對(duì)于hi中微小段dx有dF=kydx，則：

(2)

其中：

k=k1+k2=m(x+Hi)+k2

(3)

其中，k1為土體剛度，kN/m3；m為土體基床水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，kN/m4；對(duì)于圍護(hù)樁，假設(shè)圍護(hù)樁底為固定端，則其剛度為k2。

將式(1)、式(3)代入式(2)得：

(4)

假設(shè)協(xié)調(diào)基坑支撐變形的樁后土的水平范圍為D，則第i層支撐軸力為：

N0=DF

(5)

積分式(5)得：

(6)

對(duì)第n層支撐，通過(guò)式(1)～式(5)的過(guò)程有：

(7)

同樣采用Nn=DF，積分式(7)得:

(8)

變換得到：

(9)

溫度變化引起支撐軸力變化，進(jìn)而軸力變化又影響圍護(hù)樁和圍護(hù)樁后土體的彈性變形。同樣的道理，土體的彈性變形反過(guò)來(lái)影響支撐變形。通過(guò)下面的流程進(jìn)行迭代，反映以上土和支撐協(xié)調(diào)變形的過(guò)程，最終達(dá)到平衡。

(10)

2 工程實(shí)例

2.1 杭州101地塊

杭州101地塊位于杭州市江干區(qū)章家壩，艮山西路南側(cè)，運(yùn)河?xùn)|路東側(cè)?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置兩道鋼支撐，且圍護(hù)墻形式為φ850@600三軸攪拌樁，L=19.1m，水泥摻量22%，壓頂梁1 500×400，梁頂標(biāo)高為-2.20m，內(nèi)插H700×300×13×24型鋼，L=12.1m，現(xiàn)場(chǎng)工程如圖3所示。

由本文建立的模型可知，基坑深度9.1m，h1=2.4m，H1=1.8m，h2=4.9m，H2=4.2m，m1=5 480kN/m4，m2=6 000kN/m4，工法樁剛度K=k2hnD=10MN/m，對(duì)撐分擔(dān)的基坑周邊長(zhǎng)度為D=40m，支撐長(zhǎng)度L=92.3m，支撐橫截面積A=0.017 189m2，α=12×10-6，鋼支撐的彈性模量E=2.06×108kN/m2，N0=α·φ·ΔT·A·E，φ=0.4，N0=17.0kN,計(jì)算結(jié)果如表1,表2所示。

本工程中采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在鋼結(jié)構(gòu)支撐中實(shí)現(xiàn)24h連續(xù)測(cè)量溫度和鋼結(jié)構(gòu)的軸向內(nèi)力，第一、第二道支撐實(shí)測(cè)的內(nèi)力與溫度的變化關(guān)系如圖4，圖5所示。實(shí)測(cè)得在單位溫度下，第一道鋼支撐軸力變化為15.0kN～16.0kN，第二道鋼支撐軸力變化為16.5kN～17.5kN，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的相近，約相差5%，所以建立的計(jì)算方法是基本合適的，能滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)需要。

表1 第二道支撐計(jì)算結(jié)果(一)

表2 第一道支撐計(jì)算結(jié)果(一)

2.2 廣州地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理指揮中心項(xiàng)目基坑工程

廣州地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理指揮中心項(xiàng)目基坑工程位于廣東省廣州市海珠區(qū)，廣州地鐵四號(hào)線與八號(hào)線交匯站萬(wàn)勝?lài)続出口周邊地塊，萬(wàn)勝?lài)罔F站A出口西側(cè)，北臨新港東路，東臨70m寬規(guī)劃路，與大型住宅小區(qū)城市花園鄰近?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000@1 150的灌注樁支護(hù)，樁長(zhǎng)16.8m，設(shè)置兩道鋼支撐，現(xiàn)場(chǎng)工程如圖6所示。

由本文建立的模型可知，基坑深度15.22m，h1=6.500m，H1=2.575m，h2=6.145m，H2=9.075m，m2=2 000kN/m4，m3=3 000kN/m4，灌注樁剛度K′=k2hnD=20MN/m，對(duì)撐分擔(dān)的基坑周邊長(zhǎng)度為D=40m，支撐長(zhǎng)度L=57.0m，支撐橫截面積A=0.017 189m2，α=12×10-6，鋼支撐的彈性模量E=2.06×108kN/m2，N0=α·φ·ΔT·A·E，φ=0.4，N0=17.0kN,計(jì)算結(jié)果如表3，表4所示。本工程中采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在鋼結(jié)構(gòu)支撐中實(shí)現(xiàn)24h連續(xù)測(cè)量溫度和鋼結(jié)構(gòu)的軸向內(nèi)力，第一、二道支撐實(shí)測(cè)的內(nèi)力與溫度的變化關(guān)系如圖7，圖8所示。實(shí)測(cè)得在單位溫度下，第一道鋼支撐軸力變化為15.5kN～16.5kN，第二道鋼支撐軸力變化為16.5kN～17.5kN，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的相近，約相差5%，所以模型建立合理。

表3 第二道支撐計(jì)算結(jié)果(二)

表4 第一道支撐計(jì)算結(jié)果(二)

3 影響溫度內(nèi)力的因素分析及調(diào)整方法

3.1 土層的性能

結(jié)合實(shí)際工程情況,考慮圍護(hù)墻后土體的剛度隨著不同土層的變化，進(jìn)一步分析圍護(hù)墻后土體的分布和土層的性能對(duì)支撐溫度內(nèi)力的影響。本文采用彈性地基梁法，將圍護(hù)墻后土體看作土彈簧，通常采用m法計(jì)算水平抗力系數(shù)，因土層性能的不同，地基基床系數(shù)m隨之變化，水平抗力系數(shù)以及地基土反力也隨之不斷變化，從而影響水平支撐的溫度內(nèi)力。根據(jù)本文計(jì)算模型，分別取地基基床系數(shù)m為2 000kN/m4，4 000kN/m4，6 000kN/m4，8 000kN/m4，10 000kN/m4，溫差ΔT=10 ℃，計(jì)算各道支撐的溫度內(nèi)力變化,計(jì)算結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出,當(dāng)?shù)鼗蚕禂?shù)m越大時(shí)，地基的土反力也越大，導(dǎo)致支撐的溫度內(nèi)力也越大。因此，對(duì)深大基坑來(lái)說(shuō)，土層的性能對(duì)水平支撐的溫度應(yīng)力有很大影響。

3.2 圍護(hù)樁的剛度

實(shí)際工程中的深大基坑往往采用連續(xù)墻和大剛度支撐圍護(hù)樁體系,此時(shí)圍護(hù)樁的剛度對(duì)支撐溫度內(nèi)力的影響不可忽略。圍護(hù)樁的剛度越大，圍護(hù)樁的約束作用就越強(qiáng)，支撐的溫度內(nèi)力就越大。故在支撐溫度內(nèi)力的計(jì)算中，應(yīng)考慮圍護(hù)樁的剛度對(duì)其的影響。根據(jù)本文計(jì)算模型，分別取圍護(hù)墻剛度為10MN/m，15MN/m，20MN/m，25MN/m，30MN/m，35MN/m，40MN/m，溫差ΔT=10 ℃，計(jì)算各道支撐的溫度內(nèi)力變化,計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看到,由于墻體的約束作用,支撐的溫度內(nèi)力變大,并且圍護(hù)墻剛度越大，約束作用越強(qiáng)，支撐溫度應(yīng)力越大。因此，對(duì)深大基坑來(lái)說(shuō)，采用大剛度圍護(hù)樁體系,當(dāng)溫度變化比較大時(shí),水平支撐容易產(chǎn)生較大的溫度內(nèi)力,在設(shè)計(jì)和施工時(shí)不能忽略。

3.3 支撐的長(zhǎng)度

當(dāng)兩端為固定約束時(shí)，支撐的溫度應(yīng)力與支撐長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。但在基坑開(kāi)挖系統(tǒng)中，由于支撐—豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)—周邊土層的相互作用，土體和圍護(hù)提供給支撐的約束并不是理想固定的，支撐的長(zhǎng)度影響著支撐的絕對(duì)變形，而支撐的變形又影響著圍護(hù)的變形以及土壓力的分布變化，所以支撐的長(zhǎng)度也是影響支撐溫度應(yīng)力的一個(gè)重要因素。通過(guò)對(duì)多個(gè)內(nèi)支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果可看出120m長(zhǎng)度內(nèi)支撐的單位溫度內(nèi)力變化量達(dá)21kN以上，所以不可忽略支撐長(zhǎng)度對(duì)支撐溫度內(nèi)力的影響。為了分析支撐長(zhǎng)度對(duì)支撐溫度內(nèi)力的影響，將計(jì)算模型中的支撐長(zhǎng)度L取40m，60m，80m，100m，120m,溫差ΔT=10 ℃， 計(jì)算各道支撐的溫度內(nèi)力變化,計(jì)算結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出,對(duì)于深大基坑來(lái)說(shuō),隨著支撐長(zhǎng)度的增大，支撐內(nèi)力也隨之增加，因此，對(duì)深大基坑來(lái)說(shuō)，土層的性能對(duì)水平支撐的溫度應(yīng)力有較大影響。

3.4 支撐內(nèi)力的調(diào)整方法

從監(jiān)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)支撐長(zhǎng)度較大、溫度的變化幅度較大時(shí)，產(chǎn)生的溫度內(nèi)力也較大。通過(guò)支撐溫度應(yīng)力的計(jì)算，掌握支撐軸力的變化規(guī)律并科學(xué)合理地采取措施，使“溫差影響”變?yōu)椤皽夭羁刂啤?，才能保證深基坑的安全。由此可知，現(xiàn)行的鋼筋混凝土支撐因無(wú)法調(diào)節(jié)內(nèi)力將會(huì)導(dǎo)致由溫度變化而產(chǎn)生較高的內(nèi)力，導(dǎo)致支撐破壞，為保證安全必須增大支撐的截面積或材料強(qiáng)度，將會(huì)增加工程造價(jià)。由于大跨度的預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐可以調(diào)節(jié)內(nèi)力，可以有效消除溫度內(nèi)力的影響，具體的調(diào)整方法如下：盡量避免每日氣溫最高或最低時(shí)施加預(yù)應(yīng)力；要牢牢依據(jù)氣象部門(mén)天氣預(yù)報(bào)、正確掌握季節(jié)以及晝夜溫差的變化規(guī)律及時(shí)對(duì)支撐軸力作適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。例如在暴風(fēng)雨前氣溫已有落差時(shí)快速增加軸力而在暴風(fēng)雨后氣溫已有升幅時(shí)快速釋放軸力，內(nèi)力調(diào)整的現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，考慮多層地基土、多道水平支撐及豎向圍護(hù)墻的相互作用，基于Winkler地基模型，考慮圍護(hù)墻后的土體的剛度隨著不同土層的變化，進(jìn)一步分析圍護(hù)墻后土體的分布和土層的性能對(duì)支撐溫度內(nèi)力的影響，建立了多道水平支撐下溫度內(nèi)力的計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了所建立的溫度內(nèi)力與變形計(jì)算方法是可靠的，并分析了影響其溫度內(nèi)力變化的主要因素。本文計(jì)算方法簡(jiǎn)便，并且具有一定的精度，可供深大基坑的內(nèi)支撐設(shè)計(jì)時(shí)參考。

[1]JGJ120-2012,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 陸培毅,韓麗君,于 勇.基坑支護(hù)支撐溫度應(yīng)力的有限元分析[J].巖土力學(xué),2008,29(5):1290.

[3] 鄭 剛,顧曉魯.考慮支撐—圍護(hù)樁—土相互作用的基坑支護(hù)水平支撐溫度應(yīng)力的簡(jiǎn)化分析法[J].土木工程學(xué)報(bào),2002,35(3):87.

[4] 吳 明,孫鳴宇,夏唐代,等.多層支撐深基坑中考慮支撐—圍護(hù)樁—土相互作用的水平支撐溫度應(yīng)力簡(jiǎn)化計(jì)算方法[J].土木工程學(xué)報(bào),2009,42(1):91.

Indeepbigholeexcavatedforbuildingfoundationlevelsupporttemperatureendogenicforceanddistortioncomputationalmethod★

FANJun-yu

(ShanghaiQiangjinFoundationEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200233,China)

Take the deep big hole excavated for building foundation supports and protections structure as the object, has established the deep big hole excavated for building foundation level support temperature endogenic force and the distortion computational method. Through the computed result and the scene actual result comparison, has confirmed the temperature endogenic force and the distortion computational method which establishes is reliable, may supply the deep big hole excavated for building foundation in supports designs when to refer, thus also in the certificate deep big hole excavated for building foundation in supports the endogenic force adjustable is controls the hole excavated for building foundation distortion and the guarantee security effective method.

deep hole excavated for building foundation, multi-layered earth, Winkler model, temperature endogenic force

1009-6825(2014)18-0059-04

2014-04-13★：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2013年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào)：2013-K3-9)

范君宇(1979- )，男，碩士

TU463

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