盛飛國，　程 樺，　張效智

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥　230601)

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鋼支撐代替混凝土支撐對深基坑支護結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析

盛飛國，程 樺，張效智

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥230601)

摘要：深基坑施工時為了控制開挖影響，第一道支撐一般采用鋼筋混凝土支撐，但這往往給施工帶來不便。本文通過采用有限元計算軟件Midas GTS，對合肥地鐵某基坑部分預留混凝土支撐用鋼支撐代替的支撐體系以及圍護結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值分析，得出基坑支護結(jié)構(gòu)的受力及變形特性。研究結(jié)果表明:用鋼支撐代替部分鋼筋混凝土支撐其圍護結(jié)構(gòu)變形為最終彎矩增大2%，最終水平位移減小了3.4%，得出圍護結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在0.5～0.7H(H為基坑深度),從而為施工方案的更改提供理論依據(jù)，加快了施工進度。

關(guān)鍵詞：基坑支護結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土支撐；鋼支撐；數(shù)值分析

0引言

隨著城市人口數(shù)量和土地占用率不斷增加，促使城市地下空間的開發(fā)和利用，基坑工程的規(guī)模也在不斷的擴大，導致基坑的復雜性和技術(shù)難度也隨之增大。由于深基坑的開挖必然引起臨近建筑物發(fā)生沉降變形，為此，1999年國家建設部頒布了《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》?；娱_挖引起周圍建筑(構(gòu)筑物)的不均勻沉降，將使其產(chǎn)生裂縫，嚴重的會引起建筑物傾覆。因此對基坑工程中的圍護結(jié)構(gòu)和支撐體系都必須由設計者按照規(guī)范設計，施工過程的管理必須嚴格按照要求，否則將出現(xiàn)不可預測的后果。

目前，基坑支護形式主要包括地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁以及其它的復合形式。支撐體系主要為鋼筋混凝土支撐、鋼支撐、預應力錨桿以及其復合形式。

由于鋼支撐給施工過程土方超挖留有可能，基坑容易出現(xiàn)變形過大風險甚至坍塌事故。由于地鐵車站的深基坑開挖大多都在城市的人流繁多的中心地帶，周圍存在一些年代久遠的老建筑和地下管線，所以必須控制基坑周邊的土體變形，一些主管部門要求在使用內(nèi)支撐時，其第一道支撐必須用混凝土支撐，其余內(nèi)支撐用鋼支撐。但如果整個基坑的第一道支撐都使用混凝土支撐，由于需要制作模板、搭設腳手架等工序就會使工期受到影響，并且也不利于機械對土方的運輸。因此，有些施工單位會臨時對適當位置的混凝土支撐臨用鋼支撐代替，本文以合肥地鐵某車站基坑中的三根鋼支撐代混凝土支撐為例，利用 Midas GTS數(shù)值軟件建立二維有限元模型，對兩種支撐體系下的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移、彎矩、剪力以及支撐軸力的對比分析。

1深基坑支護結(jié)構(gòu)的計算理論

深基坑的支護一般是由樁、墻以及預應力錨桿、支撐等組成來支護豎直巖土坡的支護結(jié)構(gòu)，如圖1、2所示。

圖1預應力錨桿

圖2預應力支撐

目前對上述支護結(jié)構(gòu)的計算方法基本有：經(jīng)典法、彈性地基梁法、有限元法。

經(jīng)典法常用的有等值梁法、Terzaghi法、靜力平衡法、二分之一分割法(如圖3所示)等。其中的靜力平衡法、等值梁法在實際工程中應用非常廣泛，計算簡單，直接可以手算。但它的缺點是未考慮支護樁(墻)水平位移對土壓力的影響，也不能反映支護結(jié)構(gòu)的變形情況，因此其計算結(jié)果與實際結(jié)果有較大出入，尤其是對于基坑內(nèi)的多支撐體系。

圖31/2分割法

彈性地基梁法是用土彈簧(計算土彈簧有m法，c法等)來代替墻體后土的作用，錨桿或支撐也可以用土彈簧來代替。具體的計算方法有日本的山肩幫男法、彈性法和彈塑性法；該方法考慮了土、支撐以及圍護結(jié)構(gòu)間的相互作用，對復雜的施工過程可以結(jié)合增量法，方法簡便，但他的關(guān)鍵在于土體彈簧剛度的確定，目前該方法在工程中得到廣泛應用，已足夠滿足工程設計需要。

彈性桿系有限元法是將圍護結(jié)構(gòu)作為空間二維桿系結(jié)構(gòu)體來計算，土的作用則像彈性地基梁法一樣，近似用土壓力和土彈簧來替代，支撐和錨桿也用土彈簧來替代，其優(yōu)點是可以考慮空間結(jié)構(gòu)的作用。

而連續(xù)介質(zhì)有限元法則是把土體和圍護結(jié)構(gòu)作為一體劃分單元來計算，可以考慮土體的復雜本構(gòu)關(guān)系、時空效應等。因此本文基于有限元數(shù)值模擬軟件對基坑內(nèi)換撐進行分析，其結(jié)果可以為以后類似工程提供理論依據(jù)。

2工程概況

2.1　工程基本情況

車站總長268.91m，標準段總寬23m，站臺計算長度120m，站臺寬12m。車站總建筑面積為16313.3 m2;主體建筑面積12478.4 m2，車站附屬建筑面積為3834.9 m2；其中風道面積1752.1 m2，出入口面積2082.8 m2,附屬地面亭、風亭面積為643.67 m2。

2.2　圍護結(jié)構(gòu)形式

車站標準段基坑深度23.2m,采用1000mm厚地下連續(xù)墻做圍護結(jié)構(gòu)，地連墻嵌固深度為11.0m，沿基坑深度方向設置五道支撐(其中第一道為混凝土支撐)，車站底板位于粉細砂3土層，墻趾位于中風化泥質(zhì)砂巖2土層;其中混凝土支撐截面采用b×h=800mm×1000mm，鋼管內(nèi)支撐截面為φ=609mm，t=16mm，可施加預壓力；第1道鋼筋混凝土支撐的中心標高位于地表下2.3m，第2道至第5道鋼支撐分別位于地表下5.8m， 10.6m， 14.8m， 18.3m?，F(xiàn)場需要用鋼支撐代替混凝土支撐的位置如圖4。

圖4替換支撐位置

表1為兩種支撐方案的對比分析。

表1　計算方案

2.3　工程地質(zhì)情況

根據(jù)勘察單位的鉆探資料以及室內(nèi)土工試驗的結(jié)果，按地層沉積年代、成因類型，將本工程場地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層、第四紀全新世沖洪積層、第四紀晚更新世沖洪積層、第三紀基巖四個大層，按地層巖性及其物理力學性質(zhì)進一步劃分為四個巖土分層。明光路站結(jié)構(gòu)底板埋深約為21～23.7m，基坑側(cè)壁土層自上而下主要為雜填土①1層、粘土②層、粉質(zhì)粘土②1層、粉土②2層、粉細砂②3層、粉細砂④3層，強風化泥質(zhì)砂巖⑤1層。其中雜填土①1層屬于人工填土層，粘土層②層屬于第四紀沉積層，主要地層計算參數(shù)如表2所示，地層圍護結(jié)構(gòu)剖面圖如圖5所示。

表2　土層計算參數(shù)

圖5圍護結(jié)構(gòu)剖面圖

3計算模型

3.1　模型建立的假設

(1)假設各土層和地表面均勻且呈水平層狀分布；

(2)各土層的應力應變影響均在彈塑性范圍內(nèi)變化，內(nèi)支撐和圍護結(jié)構(gòu)均認為在彈性變化范圍之內(nèi)；

(3)不考慮基坑降水對模型計算的影響；

(4)設土體與圍護墻結(jié)構(gòu)邊界面上的摩擦為庫倫摩擦；

3.2　模型建立及網(wǎng)格劃分

本文計算針對出土口預留3道未施工的混凝土支撐建立二維有限元模型?；訕藴识螌捜?3.2m，深取22.4 m，地下連續(xù)墻深取34.8 m，由于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(zhì)條件等因素。根據(jù)圣維南原理，基坑開挖的影響深度為開挖深度的2～4倍，影響寬度為基坑深度的3～4倍。建立165m×70m的Midas-gts平面模型，計算網(wǎng)格共有 12458個單元、12536個節(jié)點。

土的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb，支撐結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻為彈性；混凝土支撐和地下連續(xù)墻按梁單元模擬，鋼支撐按桁架模擬；并且建模過程中考慮了土與圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的接觸，采用Goodman接觸單元；模型的左右邊界采用法向約束，底邊采用固端約束，上端為自由面，計算模型分別如圖6所示。

圖6計算網(wǎng)格

3.3　計算參數(shù)

土層參數(shù)見表2；地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)和混凝土支撐采用強度等級為C30，彈性模量E為30GPa，泊松比為0.2；鋼管支撐彈性模量E為200GPa，泊松比為0.26。

4計算結(jié)果分析

根據(jù)Midas GTS數(shù)值軟件，對基坑開挖的土體利用“單元生死法”進行開挖，分別對方案一、方案二進行數(shù)值分析，分別計算2種方案下地連墻的水平位移、剪力、彎矩以及內(nèi)支撐的軸力變化規(guī)律。

4.1　地連墻水平位移分析

圖7～12為各方案在不同開挖工況下，圍護結(jié)構(gòu)沿深度下的水平位移變化曲線。圖7為開挖至2.3m處時，并施作第一道支撐圍護結(jié)構(gòu)的變形曲線，從圖中可以看出方案一和方案二的水平位移曲線呈“拋物線”形式，最大水平位移均發(fā)生在約1/2深度處，方案一為5.2mm，方案一為4.9mm。

圖7第一層開挖，圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖8第二層開挖，圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖9第三層開挖，圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖10第四層開挖，圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖11第五層開挖，圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖12開挖至坑底，圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖8為開挖至5.8m處，并加第二道支撐下的圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線，呈中間大，兩邊小，最大位移發(fā)生在1/2深度附近處，方案一為6.1mm，方案二為5.9mm。

圖9為開挖至10.6m處，并加第三道支撐下的圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線，圖中可以看出伴隨著開挖的繼續(xù)，最大位移明顯下移，發(fā)生在2/3深度處，方案一為5.5mm，方案二為5.4mm。

圖10為開挖至14.8m，并加第四道支撐下的圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線，最大位移發(fā)生在2/3深度處，在達到最大水平位移之前，方案一和方案二的水平位移圖是不相重合的，在達到了最大位移后圖形基本重合，方案一為5.7mm，方案二為5.2mm。

圖11為開挖至18.3m處，并加第五道支撐下的圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線，兩種方案最大位移的深度基本沒變，拋物線變的對稱，方案一的最大位移為5.9mm，方案二最大位移為5.7mm。

圖12為開挖至坑底處圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線，曲線基本呈對稱，最大位移處的深度仍在2/3深度，方案一的最大位移為5.9mm，方案二最大位移為5.7mm，沒有變化。

4.2　彎矩分析

圖13～18為兩種方案在不同開挖階段時的彎矩變化曲線圖，從圖中可以看出兩種方案開挖后的彎矩變化圖類似，第一層開挖，最大彎矩位于1/2深度處，之后的最大彎矩位置均位于2/3深度處。

圖13為開挖至2.3m處，圍護結(jié)構(gòu)彎矩的變化曲線，方案一第1道支撐采用鋼筋混凝土支撐，方案二第1道支撐用鋼支撐，從圖中可以看出圍護結(jié)構(gòu)最大彎矩為方案一341.9kN·m，方案二為358.59kN·m。

圖13第一層開挖，圍護結(jié)構(gòu)彎矩

圖14為開挖至5.8m處時，最大彎矩均在2/3深度處，方案一的最大彎矩515.52kN·m，方案二為530.6kN·m，彎矩值變大。

圖14第二層開挖，圍護結(jié)構(gòu)彎矩

圖15為開挖至10.6m處，從圖中可以看出曲線近似重合，且最大彎矩均在2/3深度處，方案一為396.35kN·m，方案二為412.74kN·m。

圖15第三層開挖，圍護結(jié)構(gòu)彎矩

圖16為開挖至14.8m處，圍護結(jié)構(gòu)彎矩變化曲線圖，從圖中可以看出兩曲線已重合，最大彎矩在2/3深度處，方案一為512.78kN·m，方案二為519.63kN·m。

圖16第四層開挖，圍護結(jié)構(gòu)彎矩

圖17為開挖至18.3m處時，圍護結(jié)構(gòu)彎矩變化曲線，曲線是重合的，最大彎矩在2/3深度處，方案一為649.39kN·m，方案二為651.02kN·m。

圖17第五層開挖，圍護結(jié)構(gòu)彎矩

圖18為開挖至坑底時，圍護結(jié)構(gòu)彎矩變化曲線，曲線是重合的，最大彎矩均在2/3深度處，其中方案一為624.87kN·m，方案二為636.7kN·m。

圖18開挖至坑底，圍護結(jié)構(gòu)彎矩

4.3　支撐軸力分析

圖19為基坑開挖至坑底時，不同方案在相同工況下的各支撐的軸力對比曲線。支撐軸力呈增長趨勢，到坑底時趨于穩(wěn)定。其中方案一中支撐1的軸力為-64.56kN(受壓)，方案二中支撐1的軸力為-60.23kN(受壓)，并未出現(xiàn)受拉情況，且方案二在第三道支撐時的軸力減小了1.4%，其他支撐軸力基本不變。

圖19開挖至坑底，各支撐軸力

5結(jié)論

本文以合肥地鐵一號線某基坑為例，對預留的三道鋼筋混凝土支撐用鋼支撐代替，并對兩種方案進行對比。通過數(shù)值模擬計算得出：

(1)對于部分位置用鋼支撐代替鋼筋混凝土支撐，圍護結(jié)構(gòu)的最終彎矩增大了約2%，最終水平位移減小了約3.4%；均在可接

受范圍之內(nèi)。

(2)圍護結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在0.5～0.7H(H為基坑深度)；

(3)鋼支撐的預加軸力主要是起支撐與圍護體密貼作用，第1道支撐用預加軸力的鋼支撐，可以減小圍護結(jié)構(gòu)的變形。

(4)為了施工過程的方便，可以在適當位置預留空間，用鋼支撐代替鋼筋混凝土支撐，減少了模板制作、腳手架搭設等工序，加快了施工進程。影響基坑變形的因素重多，如支撐設置的位置以及基坑開挖的順序等都可能對其變形產(chǎn)生影響。

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Steel Supportinstead of Concrete Reinforced Support numerical analysis

of the impact for deep foundation pit supporting structure

SHENG Feiguo，CHENG Hua，ZHANG Xiaozhi

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601 China)

Abstract:In order to control the impact of deep excavation，the first support must use concrete support，but it often brings inconvenience to the construction. In this paper, by using steel support replace the part reserved concrete support，supporting system and retaining structure deformation were analyzed by using Midas-GTS numerical simulation software. The results show that the first support using concrete reinforced support replace steel support is feasible，and the building envelope maximum displacement occurs at 0.5 ～ 0.7H. The results will provide a theoretical basis for the change of construction scheme and make the construction progress become fast.

Key words:supporting structure of foundation pit; concrete reinforced support; steel support; numerical analysis

中圖分類號：TN911.8

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8382(2015)02-043-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150209

作者簡介：盛飛國(1990-),男,碩士研究生，主要研究方向為巖土工程數(shù)值分析、地下結(jié)構(gòu)。

收稿日期：2014-10-15