鋼支撐預(yù)加力對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析

洪德海

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100055)

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模開展,深基坑工程大量涌現(xiàn),各種支護(hù)形式也在不斷發(fā)展和完善。當(dāng)前,圍護(hù)墻加內(nèi)支撐這一支護(hù)形式應(yīng)用十分廣泛,特別是在地鐵工程中，如無特殊情況一般都采用這種形式。內(nèi)支撐形式一般有混凝土支撐和鋼支撐兩種。鋼支撐由于施工方便，架設(shè)拆除快速，可以反復(fù)使用等而成為內(nèi)支撐優(yōu)先考慮的支撐形式。而在鋼支撐的計(jì)算和施工中,支撐預(yù)加軸力的施加對支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形起著重要作用。

1 施加預(yù)加軸力對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用

支撐預(yù)加力可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移值,這是因?yàn)橄蛑问┘宇A(yù)加力可使支撐緊抵支護(hù)結(jié)構(gòu)從而消除支護(hù)結(jié)構(gòu)的松弛。此外，向支撐施加預(yù)加力還可減少開挖時(shí)在土體內(nèi)積聚起來的剪應(yīng)力,這意味著土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系得到改善,進(jìn)而減少位移量。支撐預(yù)加軸力的大小取決于地質(zhì)和施工條件,日本曾規(guī)定施加預(yù)加軸力應(yīng)相當(dāng)于靜止土壓力值,因?yàn)檫@樣能使墻體變位最小。過大的預(yù)加軸力則效果不明顯,因?yàn)樘蟮念A(yù)加軸力值會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)外向位移,反而損壞鄰近建筑或地下管線。

與鋼支撐相比,混凝土支撐只有當(dāng)混凝土的壓縮變形到一定程度后才能顯示出其截面抗力優(yōu)勢,并且混凝土支撐需要很長的養(yǎng)護(hù)期才能滿足支撐受力要求；在這段時(shí)間內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大變形,對周圍環(huán)境可能已經(jīng)產(chǎn)生不利影響。

2 預(yù)加軸力的合理施加量

由計(jì)算分析可知,鋼支撐達(dá)到極限穩(wěn)定承載力時(shí),理論軸向最大變形只有13～15 mm,但實(shí)際施工過程中觀測到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形比這個(gè)值大許多,往往到18～35 mm。分析產(chǎn)生這么大差異的主要原因是：

①圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間有間隙。鋼圍檁與圍護(hù)墻之間存在縫隙,有的可達(dá)5～10 mm?，F(xiàn)場觀測可知,只有鋼支撐、鋼圍檁、圍護(hù)墻之間無間隙時(shí)，它們之間的力才能很好的傳遞,而這一過程都是以犧牲圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形為代價(jià)的。如果不消除支護(hù)系統(tǒng)的松弛，消除鋼支撐和圍檁之間的間隙,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形很難得到有效控制,而這一要求的實(shí)現(xiàn)依賴于鋼支撐預(yù)加軸力施加的效果。

②鋼圍檁在受力狀態(tài)下會有變形和位移。開挖作用對基坑周圍地層的力學(xué)狀態(tài)及其影響是不可忽略的,雖然不可能在設(shè)計(jì)中完全考慮這種影響,但是對開挖作用所產(chǎn)生的影響做出正確的估計(jì)卻非常必要。

因此，確定預(yù)加軸力值時(shí)需根據(jù)施工中的具體情況合理施加。

《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ 120—99)》4.5.4規(guī)定：支撐預(yù)加力值不宜大于支撐力設(shè)計(jì)值的0.4～0.6倍。

鋼支撐預(yù)加壓力的施工應(yīng)符合下列要求：

①支撐安裝完畢后,應(yīng)及時(shí)檢查各節(jié)點(diǎn)的連接狀況,經(jīng)確認(rèn)符合要求后方可施加預(yù)加力,預(yù)壓力的施加應(yīng)在支撐的兩端同步對稱進(jìn)行。

②預(yù)壓力應(yīng)分級施加,重復(fù)進(jìn)行,加至設(shè)計(jì)值時(shí),應(yīng)再次檢查各連接點(diǎn)的情況,必要時(shí)應(yīng)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固,待額定壓力穩(wěn)定后鎖定。

《上海市基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程(DBJ08—61—97)》規(guī)定：預(yù)加力對支撐結(jié)構(gòu)的影響與設(shè)計(jì)采用的預(yù)壓力控制值大小有較大關(guān)系,而目前支撐結(jié)構(gòu)所施加的預(yù)壓力控制值一般都小于支撐軸力設(shè)計(jì)值的60％,其主要作用是對圍護(hù)墻體產(chǎn)生適量的預(yù)頂力,同時(shí)檢驗(yàn)支撐連接結(jié)點(diǎn)的可靠性,通常不考慮其對支撐內(nèi)力影響。

預(yù)壓力應(yīng)分級施加,重復(fù)進(jìn)行。一般情況下,預(yù)壓力控制值不宜小于支撐設(shè)計(jì)軸力的50％,但也不宜過高。當(dāng)預(yù)壓力控制值取用支撐設(shè)計(jì)軸力的80％以上時(shí),應(yīng)防止圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外傾、損壞和對坑外環(huán)境的影響。

鋼支撐施加預(yù)加軸力的作用機(jī)理是利用鋼材輕質(zhì)、高強(qiáng)、理想彈塑性材料特性,預(yù)先給鋼支撐施加一定軸力,來抵抗基坑側(cè)向土壓力,從而達(dá)到控制基坑變形效果。從對鋼支撐施加預(yù)加軸力的作用機(jī)理可以看出,只有給鋼支撐施加合理的預(yù)加軸力值才能起到良好支護(hù)效果,數(shù)值不合理效果就難以達(dá)到。但科學(xué)合理的鋼支撐預(yù)加軸力究竟怎樣選取尚無科學(xué)的依據(jù)。目前采用鋼管支撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)對撐的地鐵深基坑工程,對于鋼支撐的預(yù)加軸力往往都是由設(shè)計(jì)人預(yù)先規(guī)定的。

本文擬對比分析多種預(yù)加軸力加載方案對擋墻位移、內(nèi)力,支撐軸力的影響,從而合理確定工程中的實(shí)際加載方案。

3 實(shí)例分析

某地鐵車站深基坑工程,總長502.2 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬21.4 m,基坑深為17.5 m。工程場地土層依次為人工填土、粉質(zhì)黏土、中砂、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地下水埋深6.6 m。巖土物理力學(xué)參數(shù)取用值見表1。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用800 mm地下連續(xù)墻,三道支撐,一道鋼筋混凝土撐,兩道鋼支撐,見圖1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型(單位：m)

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 預(yù)加軸力加載方案對擋墻變形受力的影響計(jì)算

由計(jì)算結(jié)果可看出,預(yù)加軸力為設(shè)計(jì)軸力的40％～80％時(shí),墻身最大彎矩和最大剪力處于相對比較小的狀態(tài),最大位移隨著預(yù)加軸力的增大而減??；當(dāng)預(yù)加軸力大于90％設(shè)計(jì)軸力時(shí),墻身出現(xiàn)反向位移,彎矩和剪力也增大。考慮到鋼管的極限穩(wěn)定承載力,預(yù)加軸力可取設(shè)計(jì)軸力的40％～60％。

從上述結(jié)果還可看出,(1)給鋼支撐施加預(yù)加軸力是減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的有效措施。(2)隨著預(yù)加軸力的增大,樁身彎矩和剪力基本上也逐漸增大。(3)施加預(yù)加軸力大小對鋼支撐最終軸力沒有太大影響。

4 結(jié)束語

本文論述了鋼支撐預(yù)加軸力對支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用及機(jī)理,預(yù)加軸力的合理施加,最后通過實(shí)例對比分析了多種預(yù)加軸力加載方案對擋墻位移、內(nèi)力,支撐軸力的影響。得出結(jié)論：(1)給鋼支撐施加預(yù)加軸力是減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的有效措施。(2)隨著預(yù)加軸力的增大,樁身彎矩和剪力基本上也逐漸增大。(3)施加預(yù)加軸力大小對鋼支撐最終軸力沒有太大影響。(4)考慮到鋼管的極限穩(wěn)定承載力,預(yù)加軸力可取設(shè)計(jì)軸力的40％～60％。

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