深大基坑空間內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)整體受力性能研究

蔣峻峰，姚順忠*，吳永紅

（1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，昆明650224;2.云南省建筑科學(xué)研究院，昆明， 650000）

伴隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市用地日趨緊張，城市高層建筑大量涌現(xiàn)，同時(shí)開發(fā)城市地下空也間成為必然選擇，這也促使基坑工程不斷朝著面積更大和深度更深方向發(fā)展，內(nèi)支撐技術(shù)大量的由平面形式轉(zhuǎn)化成空間立體形狀，因而原有的平面內(nèi)支撐支護(hù)設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)不能真實(shí)反映內(nèi)支撐與擋土結(jié)構(gòu)及與土體間的相互作用關(guān)系［1－3］。實(shí)際中研究深大基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)整體受力性能，有兩個(gè)目的:一是對(duì)支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);二是弄清支擋結(jié)構(gòu)在基坑的各個(gè)部位的受力和變形情況［4－6］。對(duì)前者，由于基坑的深且大的特性，內(nèi)支撐的使用量也較大，為節(jié)約投資，又要使結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，因而對(duì)內(nèi)支撐的內(nèi)力與變形真實(shí)掌握，可以防止過于保守的設(shè)計(jì)，節(jié)省不必要的投資［7－9］。對(duì)于后者，在對(duì)基坑采取合理的空間計(jì)算后，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)擋土結(jié)構(gòu)的受力與變形情況、支撐的尺寸和位置是否合理以及其內(nèi)力是否滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求、冠梁（腰梁）和環(huán)梁的內(nèi)力及變形情況如何、應(yīng)該怎樣對(duì)支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工方案進(jìn)行有效的優(yōu)化等方面，有較深入的認(rèn)識(shí)，因此對(duì)大型深基坑的支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析很有必要［10－12］。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

針對(duì)粉土和粘性土等軟土，在開挖過程中對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的影響進(jìn)行研究。當(dāng)前，昆明等城市中心均處于軟土地帶，土質(zhì)相對(duì)較為均勻，因而在這些地區(qū)采用排樁進(jìn)行支護(hù)時(shí)，可以將排樁當(dāng)成彈性地基梁來進(jìn)行計(jì)算?；谖目死盏鼗Ｐ?，排樁上任意一點(diǎn)的側(cè)向位移與這一點(diǎn)的壓力成正比例關(guān)系，即:

式中:k為基床系數(shù);s為排樁側(cè)向位移。

樁、土和內(nèi)支撐簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖1所示，基坑非開挖一側(cè)作用有水土壓力和地面超載，考慮地下水位較高，土體均為粉土和粘性土，采用水土合算。對(duì)排樁與土的共同作用，將基坑底部?jī)?nèi)側(cè)土體對(duì)擋土結(jié)構(gòu)的作用，近似等效為多個(gè)剛性已知的彈簧（土彈簧）對(duì)擋土結(jié)構(gòu)的作用，而對(duì)坑外土體對(duì)土體的作用，采用單向只壓彈簧模擬。對(duì)排樁外側(cè)土體土壓力計(jì)算采用規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ120—99》推薦的方法計(jì)算。周圍緊鄰多棟高層建筑，地下管線復(fù)雜，擬在基坑外側(cè)施加超載10 kN/m。

圖1 樁土和內(nèi)支撐簡(jiǎn)化計(jì)算模型Fig.1 Simplied model of pile-soil-strut

將排樁視為彈性體采用桿系梁?jiǎn)卧?，排樁端承部?jiǎn)化為固定邊界，頂部邊界條件自由。

基坑內(nèi)支撐采用桁架結(jié)構(gòu)，排樁頂部設(shè)置冠梁，冠梁、腰梁和主要的內(nèi)支撐梁采用梁?jiǎn)卧M，次要內(nèi)支撐只受軸力作用，采用桿單元模擬。

1.2 基本計(jì)算方程

令擋土結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為 ［Kz］，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)剛度矩陣為 ［Kn］，樁側(cè)水土壓力剛度矩陣為［Kt］，則空間整體協(xié)調(diào)有限元的計(jì)算方法為:

式中:{W}為矩陣位移;{F}為荷載矩陣。

2 計(jì)算分析

2.1 工程背景

某深大基坑工程，擬建2棟40層辦公樓、3棟6層商務(wù)樓、2棟3層商業(yè)步行街、2棟10層綜合樓。基坑平均開挖深度為8.3 m，深處為10.4 m，地下穩(wěn)定水位為－1.3 m。基坑場(chǎng)地土層情況見表1。

支撐方案:由于該工程場(chǎng)地土層均為軟土，基坑為圓形，面積大，直徑達(dá)到200 m，整個(gè)施工過程無法采用常規(guī)支撐方案，為保證基坑施工安全和基坑支護(hù)費(fèi)用經(jīng)濟(jì)，最后考慮采取空間桁架，平均每隔10 m設(shè)置一個(gè)大環(huán)梁。排樁頂部設(shè)置冠梁，以增強(qiáng)排樁的整體性，樁后設(shè)置長(zhǎng)13.8 m@1 m樁徑為1 200 mm的攪拌樁止水帷幕。設(shè)置兩道內(nèi)支撐，上面一層采用雙圓桁架，下面一層采用三圓組成的桁架，在各內(nèi)撐節(jié)點(diǎn)處設(shè)置立柱?；又踅Y(jié)構(gòu)布置模型如圖2所示。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表Tab.1 Venue soil information

材料性質(zhì):混凝土材料強(qiáng)度為C30和C40;主撐截面為1 600 mm×1 000 mm和1 200 mm×1 000 mm，混凝土保護(hù)層厚度為35 mm，次撐為800 mm×600 mm，混凝土保護(hù)層厚度30 mm，立柱截面為470 mm×470 mm型鋼立柱，主肢4L140×12，柱底插入立柱樁2 m。

圖2 SQL查詢Fig.2 The structure arrangement diagram of excavation retaining structure

2.2 支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形計(jì)算結(jié)果

整個(gè)開挖過程分為5個(gè)工況:①開挖第一道土層至1.7 m;②在1.2 m處加第一道內(nèi)支撐;③開挖第二道土層至6 m;④在5.5 m處加第二道內(nèi)支撐;⑤開挖第三道土層至8.3 m。

（1）排樁計(jì)算結(jié)果分析

排樁平面有限元計(jì)算結(jié)果顯示，基坑在工況5時(shí)，排樁向基坑內(nèi)側(cè)的出現(xiàn)最大計(jì)算位移15.57 mm。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖中排樁最大位移出現(xiàn)在第二道支撐的下方靠近基坑底部位置，這主要是基坑下部土壓力較大，第二道內(nèi)支撐布置略靠上和其沒達(dá)到完全的受力狀態(tài)所致。樁頂部位移較小，是第一道內(nèi)支撐支護(hù)較早和上部土壓力不大造成的。樁底部位移較小，滿足工程精度要求，說明采用彈性抗力法分析基坑支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，將樁底部簡(jiǎn)化為固定端是正確的。從彎矩圖、剪力圖和位移圖可知，位移最大的地方，排樁內(nèi)力也明顯比較大。在工況3，當(dāng)基坑開挖到6 m時(shí)，基坑最大位移出現(xiàn)在開挖標(biāo)高底部，為3.83 mm，當(dāng)加撐后樁位移沒變化，說明樁的變形是在支撐加上具備支護(hù)能力之后就已經(jīng)完成了，說明基坑的開挖具有很強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)，因此為保證基坑的順利施工，應(yīng)該確?；邮┕r(shí)間在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。

圖3 位移和內(nèi)力包絡(luò)圖Fig.3 Placement and internal force envelope diagram

圖4 排樁最不利工況下的沿土層厚度的位移與內(nèi)力變化圖Fig.4 The placement and internal force change of rowed pile along the soil thickness under the most unfavorable conditions

排樁空間有限元計(jì)算分析結(jié)果顯示，排樁向基坑內(nèi)側(cè)的最大位移為21.977 mm，排樁在最不利工況5下沿土層高度的位移和內(nèi)力變化如圖4所示。最大位移出現(xiàn)在排樁頂部，這主要是是由于頂部所經(jīng)歷的施工時(shí)間最長(zhǎng)，樁的位移變化沿樁深逐漸減小，表現(xiàn)出很強(qiáng)的時(shí)效性。此時(shí)樁頂彎矩較小但朝向基坑內(nèi)側(cè)的剪力達(dá)到峰值，因而此時(shí)樁頂位移主要受剪力控制。

對(duì)比排樁平面和空間的有限元計(jì)算結(jié)果，可以看到在最不利工況下，空間有限元的位移計(jì)算結(jié)果比平面計(jì)算結(jié)果明顯大許多，這是由于在平面計(jì)算模型中需要選取一個(gè)內(nèi)支撐的剛度參數(shù)，當(dāng)內(nèi)撐剛度參數(shù)選取較大時(shí)，平面模型計(jì)算出的樁位移就會(huì)明顯比空間模型計(jì)算的要小，但兩種計(jì)算模型均采用彈性地基梁地基模型，因而兩種模型出現(xiàn)的樁位移的沿樁深變化趨勢(shì)基本一致。

（2）內(nèi)支撐系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果分析

空間有限元計(jì)算結(jié)果顯示，內(nèi)支撐的平面最大位移為7.60 mm，腰梁的最大位移為9.38 mm，立柱的最大位移出現(xiàn)在立柱的中段，為7.48 mm。內(nèi)撐系統(tǒng)出現(xiàn)較小位移，說明整個(gè)內(nèi)撐系統(tǒng)的剛度較大，此種拱形的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑支護(hù)產(chǎn)生了良好的作用效果。對(duì)于立柱，其產(chǎn)生的水平位移說明，其對(duì)排樁和內(nèi)支撐也起到了部分約束作用，同時(shí)內(nèi)支撐對(duì)排樁和立柱的整體位移協(xié)調(diào)起到了關(guān)鍵作用。

3 結(jié)論

（1）支擋系統(tǒng)的變形隨著開挖深度逐漸增大，這是由于施加在朝向基坑內(nèi)側(cè)的土壓力隨著深度不斷增加，土壓力通過排樁傳遞給了內(nèi)支撐和立柱。排樁峰值變形點(diǎn)向基坑開挖底部靠近，說明采用彈性地基桿系理論計(jì)算擋土結(jié)構(gòu)位移，不僅計(jì)算模型簡(jiǎn)單，而且計(jì)算結(jié)果滿足工程精度要求。

（2）采用彈性地基桿系有限元分析基坑支擋結(jié)構(gòu)的空間問題時(shí)，忽略了樁土接觸面的相互作用，在往后的簡(jiǎn)化模型中需要適當(dāng)考慮。

（3）通過在排樁外圍設(shè)置彈簧模擬坑外位移，可以較好地解決了支撐體系、圍檁、擋土結(jié)構(gòu)及坑外土體的相互作用問題。

（4）上面的結(jié)構(gòu)分析表明，深大基坑空間內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)具有明顯的結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)，所以對(duì)于一些重要的建筑物基坑，應(yīng)該對(duì)內(nèi)支撐系統(tǒng)進(jìn)行空間的整體穩(wěn)定性計(jì)算，以確保支護(hù)體系具有足夠的安全度。

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