地下連續(xù)墻深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼支撐性能研究

吳小濤，周 文，袁麗佳，彭修寧

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004;2.鄭州大學(xué) 綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州450002)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市建設(shè)步伐的加快，城市發(fā)展面臨著用地緊張，交通擁擠，人口密度大等諸多難題。為解決現(xiàn)實(shí)問題，高層與超高層建筑、多層地下室、地下商城、地下停車場(chǎng)、地鐵等高效利用土地的形式便應(yīng)運(yùn)而生，而所有這些最重要的技術(shù)就是基坑支護(hù)技術(shù)。長(zhǎng)久以來，國(guó)內(nèi)外的一些科研人員對(duì)此進(jìn)行了初步的探索，并取得了一些成果［1-6］。根據(jù)現(xiàn)在建筑發(fā)展的狀況，基坑支護(hù)環(huán)境越來越復(fù)雜，難度越來越大。諸多支護(hù)形式由于受到用地紅線、臨近高層與超高層建筑或老式磚混建筑、臨近道路、地下管線等因素的制約，而不能發(fā)揮作用。針對(duì)復(fù)雜的工程形勢(shì)，近年來相關(guān)的科研和工程技術(shù)人員對(duì)基坑支護(hù)課題進(jìn)行了進(jìn)一步的探索［7-16］，對(duì)工程實(shí)踐起到了一定的積極作用。展望未來，如何在惡劣的地質(zhì)條件及周邊復(fù)雜的環(huán)境下合理、經(jīng)濟(jì)、安全、高效地開挖深基坑，保證基坑工程的順利完工，將是今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)研究的科學(xué)課題。

1 工程概況

擬建工程位于南寧市江南區(qū)，由若干建筑物組成，擬采用其中一棟建筑為例進(jìn)行模擬分析。該建筑物為一棟地上13 層，地下2 層 的樓房。上層部分采用框架結(jié)構(gòu)，室外地坪設(shè)計(jì)標(biāo)高與場(chǎng)地南側(cè)的公路路面標(biāo)高基本一致。場(chǎng)地地貌屬于邕江南岸Ⅱ級(jí)階地，地形平緩。建筑南側(cè)與東側(cè)為交通道路，北側(cè)和西側(cè)為耕地。場(chǎng)地之前為耕地水田，場(chǎng)地南側(cè)地段已經(jīng)被回填至道路路面，現(xiàn)周邊分布水田和水塘，地形相對(duì)平坦?？辈槠陂g場(chǎng)地及控制線范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)有地下管線、南北走向的架空線路，以及地下光纜標(biāo)識(shí)。從上而下的土層分別為耕土、粉質(zhì)粘土、角礫、粘土、粉質(zhì)粘土、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥巖及半風(fēng)化泥巖。

2 支護(hù)方案的確定及模型的建立

2.1 支護(hù)方案的確定

支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻鋼支撐支護(hù)，鋼支撐平面布置如圖1 所示，基坑開挖寬度約為21 m，開挖長(zhǎng)度約為61 m，基坑開挖深度為10 m，自上而下設(shè)置三道支撐，分別位于-1、-4 和-7 m 處;沿著寬度方向在中點(diǎn)設(shè)置一排立柱用來支撐橫向支撐，立柱深入圓礫層一定深度，底端位于-19 m 處，立柱采用H 型鋼，尺寸為400 mm×400 mm×13 mm×21 mm;沿著長(zhǎng)度方向在中點(diǎn)設(shè)置一道縱向支撐。支撐采用圓形鋼管，直徑為609 mm，厚度為16 mm?；谥ёo(hù)和止水的考慮，地下連續(xù)墻深入泥巖的深度不小于2 m，連續(xù)墻底部位于-31 m處，厚度采用0.8 m。四邊采用對(duì)撐的方式，四個(gè)角采用角撐，端點(diǎn)距離約3 m，橫向?qū)卧O(shè)計(jì)距離約為6 m，縱向?qū)渭s10.5m。

圖1 鋼支撐平面布置圖Fig.1 Steel support planar arrangement

基坑立面采取36 m 的巖土層厚，包含了擬建建筑物地下土層的所有種類，基坑開挖約為10 m，基坑坑底到達(dá)圓礫層1.6m 厚度處。支撐與地表間、支撐與支撐間、支撐與坑底間的距離分別為2、3、3 和2 m。三道支撐，分別位于-1、-4 和-7 m 處，基坑開挖面要在支撐位置處向下開挖1 m，以方便施工，開挖面分別位于-2、-5 和-8 m 處，立面圖如圖2 所示。

圖2 鋼支撐支撐立面布置Fig.2 Steel support vertical arrangement

2.2 模型的建立

巖土及結(jié)構(gòu)的參數(shù)，見表1 和表2。

表1 巖土參數(shù)Tab.1 Geotechnical parameters

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters

建模過程包括:尺寸的確定，模型寬度取80 m，長(zhǎng)度取150 m，深度取至中風(fēng)化泥巖一定的深度內(nèi)，大概為開挖深度的3 倍多，取36 m;二維幾何確定，平面圖在CAD 基礎(chǔ)上導(dǎo)入模擬軟件中進(jìn)行交叉分割;網(wǎng)格劃分，劃分開挖尺寸平面內(nèi)的網(wǎng)格，選擇此平面內(nèi)線，單元尺寸選為2，確認(rèn)將此平面劃分為若干個(gè)平面網(wǎng)格，依此劃分坑外的土;拓展2D-3D 單元，選擇基坑邊界內(nèi)的2D 單元，以Z 軸為擴(kuò)展方向，不等間距復(fù)制-0.6、-0.4 和-1 m，名稱取為第一步開挖，以此類推，得到下面的第二步開挖、第三步開挖、坑底土以及坑外土8 個(gè)土層的網(wǎng)絡(luò)圖;支護(hù)結(jié)構(gòu)的析取，需要析取的結(jié)構(gòu)有地下連續(xù)墻、鋼管支撐、立柱及圈梁等模型;邊界及荷載定義，選擇地面支承功能，選取所有網(wǎng)格組，確認(rèn)之后便建立起了對(duì)整個(gè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束，對(duì)于荷載來說，利用自重功能，X 與Y 方向系數(shù)均為0，Z 軸方向取為-1，確定后便實(shí)現(xiàn)定義;最后為施工階段的定義，分別為初始應(yīng)力分析、地下連續(xù)墻施工、第一步開挖、第二步開挖階段、第三步開挖以及第四步開挖階段。

3 鋼支撐支護(hù)方案的可行性研究

3.1 鋼支撐極限穩(wěn)定承載力計(jì)算

鋼支撐采用Q235 鋼材，直徑為609 mm，壁厚為16 mm。立柱采用H 型鋼，尺寸為400 mm×400 mm×13 mm×21 mm。根據(jù)極限穩(wěn)定承載力計(jì)算公式，橫向支撐N=φfA=0.915×215×106×0.029 8 N=5 862 kN?？v向N=φfA=0.946×215×106×0.029 8 N=6 061 kN，角撐N=φfA=0.939×215×106×0.029 8 N=6 016 kN，立柱N=φfA=0.845×215×106×0.021 5 N=3 906 kN。

3.2 驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性

目前國(guó)家尚沒有關(guān)于深基坑變形限制范圍的具體標(biāo)準(zhǔn)。上海作為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)中心，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富。盡管上海地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)并不能代表全國(guó)的情況，但是上海地區(qū)的地質(zhì)情況復(fù)雜，基坑深度越來越深，技術(shù)要求高，用其標(biāo)準(zhǔn)可以為南寧地區(qū)的工程實(shí)踐帶來很好的借鑒。本基坑等級(jí)定位為一級(jí)，可以參考《上海地鐵基坑工程施工規(guī)程》(SZ-08-2000)關(guān)于基坑等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，一級(jí)基坑等級(jí)地表沉降最大值不大于0.1%H，圍護(hù)墻最大水平位移不大于0.14%H。根據(jù)模擬結(jié)果，分別得出最大支撐軸力值、地下連續(xù)墻變形值以及地表沉降值，據(jù)此進(jìn)行分析。

3.2.1 最大支撐軸力

筆者提出一個(gè)新的概念，單根鋼管支撐的使用效率，即支護(hù)結(jié)構(gòu)中單根鋼管支撐受到的軸力與其極限穩(wěn)定承載力的比值。從表3 中可知，第二道支撐中間的支撐軸力最大，達(dá)到1 083 kN，其極限穩(wěn)定承載力為5 862 kN，單根鋼管支撐的軸力并沒有超過其極限穩(wěn)定承載力。經(jīng)過計(jì)算，本支護(hù)方案中鋼管支撐的最大使用效率為18.5%，使用效率不到五分之一，可以看出是比較低的。

3.2.2 地下連續(xù)墻的變形

從表4 可知，X 方向最大變形值為6.69 mm。Y 方向最大變形值達(dá)到11.98 mm。圍護(hù)墻最大水平位移不應(yīng)大于0.14%H。針對(duì)本工程實(shí)際情況，H 為10 m，經(jīng)計(jì)算，地下連續(xù)墻的最大位移限制值為14 mm。因?yàn)榈叵逻B續(xù)墻的最大變形為11.98 mm 小于其限制的最大值14 mm，所以從地下連續(xù)墻的變形來看，本支護(hù)方案是合理的。

3.2.3 地表沉降值

從上部分基坑等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中可知，地表沉降最大值不大于0.1%H。針對(duì)本工程，地表沉降最大值限制值為10 mm。從表5 可見，X 方向最大地表沉降為7.85 mm，Y 方向最大地表沉降為8.98 mm。由于地表沉降的最大值8.98 mm 小于其限制值10 mm，故從地表沉降的數(shù)值來看，本支護(hù)方案也是合理的。

由上分析可知，從鋼管支撐極限穩(wěn)定承載力、地下連續(xù)墻的變形以及基坑周邊的地表沉降三方面考慮，基于上海地區(qū)基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各自的最大承載力、變形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，承載力與變形均在允許范圍內(nèi)。故本支護(hù)方案對(duì)本工程實(shí)際是正確且可行的。

表3 最大支撐軸力Tab.3 The maximum axial force of support

表4 地下連續(xù)墻變形Tab.4 Deformation of diaphragm walls

表5 地表沉降最大值Tab.5 The maximum surface subsidence

4 鋼支撐預(yù)加軸力的探討

在過去的十多年里，行業(yè)內(nèi)采用的是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ120-99》，支撐預(yù)加壓力值不宜大于支撐力設(shè)計(jì)值的0.4 ～0.6 倍，相對(duì)來說是比較保守的。新標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ120-2012》，預(yù)加軸向壓力值可以取到其所受到計(jì)算軸壓的0.5 ～0.8 倍。在預(yù)加軸力分別為設(shè)計(jì)軸力的0.5、0.6、0.7 和0.8 倍的情況下，模擬出支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑的支護(hù)效果。一方面通過本工程實(shí)例來驗(yàn)證預(yù)加軸力的效果，另一方面來探討一下本工程預(yù)加軸力的數(shù)值，從而找到最優(yōu)的適合本工程的預(yù)加軸力合理數(shù)值。本文從X、Y 兩個(gè)方向的地表沉降以及地下連續(xù)墻變形來探討預(yù)加軸力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

表6 各道支撐的軸力Tab.6 The axial force on each support

4.1 X 向的地表沉降

如圖3 所示，為地表沉降值隨X 變化的曲線。

從圖3 中可見，距坑邊最近的地方，負(fù)沉降達(dá)到最大為7.9 mm。隨著距離坑邊的遠(yuǎn)離，負(fù)沉降越來越小，這種狀態(tài)影響范圍距離坑邊20 m 左右。過了這個(gè)區(qū)域之后，隨著X 的增加，相應(yīng)的地表沉降逐漸增加，到65 m 左右的地方，沉降值基本穩(wěn)定在1.1 mm。從預(yù)加軸力之間以及預(yù)加軸力與無預(yù)加軸力之間的對(duì)比可以看出，幾種工況的圖形幾乎是擬合在一起的。因此，預(yù)加軸力對(duì)于X 方向的地表沉降的影響并不明顯。

4.2 Y 向的地表沉降

Y 方向的地表沉降隨Y 不同位置的變化曲線，如圖4 所示。

圖3 地表沉降隨X 的變化Fig.3 Surface subsidence with the position of X changes

圖4 地表沉降隨Y 的變化Fig.4 Surface subsidence with the position of Y changes

從圖4 中可見，負(fù)沉降的跨越區(qū)域在距坑邊11 m 左右的范圍內(nèi)，隨著Y 的增大，負(fù)沉降逐漸減小?？邕^此范圍后，地表沉降隨著Y 的增大呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，最終在X 值為38 m 處穩(wěn)定在2.5 mm。從預(yù)加軸力與未預(yù)加軸力的比較中可以看出，預(yù)加軸力比未預(yù)加軸力的沉降值平均要少0.1 ～0.2 mm。從四種預(yù)加軸力的各自的影響來看，預(yù)加軸力越大，對(duì)地表沉降帶來的積極影響越大，其中0.6、0.7 和0.8 N的影響要比0.5 N 的稍大，但它們?nèi)N的擬合曲線很接近。故采取0.6 倍的預(yù)加軸力是最經(jīng)濟(jì)而高效的。

4.3 X 向的地連續(xù)墻變形

X 向的地下連續(xù)墻變形隨深度的變化曲線如圖5 所示。

當(dāng)不施加預(yù)加軸力時(shí)，墻頂部變形量為1.8 mm，隨著地下連續(xù)墻的入土深度逐漸增大，其X 方向的變形逐漸遞增，8 m 處達(dá)到最大值，隨后逐漸減小。

施加預(yù)加軸力后，10 m 處變形量最大，幾種預(yù)加軸力的效果中，效果最差的變形為5.7 mm，比同深度的變形小0.8 mm。當(dāng)入土深度達(dá)到20 m 之后，五種擬合曲線擬合成了一條直線。得出:在兩倍的開挖深度內(nèi)，預(yù)加軸力對(duì)地下連續(xù)墻的變形有積極影響，而大于兩倍開挖深度后，對(duì)墻體的變形不產(chǎn)生影響。

最后從四種施加預(yù)加軸力的對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響來看，10 m 處的變形量最大，五種工況下的變形量分別減小了0.8 mm、1.0 mm、1.1 mm 和1.3 mm，隨著預(yù)加軸力的增大，減小的變形量是不斷增大的，但從減小的幅度并不明顯。考慮到經(jīng)濟(jì)因素及變形與預(yù)加軸力的關(guān)系，選擇0.6 N 作為預(yù)加軸力的合理數(shù)值。

4.4 Y 向的地下連續(xù)墻變形

Y 向的地下連續(xù)墻變形隨深度的變化曲線，如圖6 所示。

圖5 地下連續(xù)墻變形隨深度的變化(X)Fig.5 Underground continuous wall deformation Changes with depth(X)

圖6 地下連續(xù)墻變形隨深度的變化(Y)Fig.6 Underground continuous wall deformation Changes with depth(Y)

不施加預(yù)加軸力時(shí)，從墻頂?shù)?8 m 處，隨著Z 的絕對(duì)值的增大，Y 向的變形逐漸增大，最大變形量為11.9 mm，最終的地下連續(xù)墻的變形量為8.5 mm。

施加預(yù)加軸力后使得墻頂位移量減小，并隨著預(yù)加軸力的增大，其減小量也在增大。四種預(yù)加軸力狀態(tài)下的墻體變形規(guī)律是類似的。在開挖范圍內(nèi)，墻體變形與開挖深度近似成正比，到開挖底面，其值達(dá)到最大值。效果較差的預(yù)加軸力的變形的最大值10.9 mm，比與同一位置處的0 N 相比降低了0.9 mm。當(dāng)入土深度達(dá)到開挖深度的兩倍范圍內(nèi)，五種工況的墻體變形曲線圖擬合成了一條線。

預(yù)加軸力每增加0.1 倍的設(shè)計(jì)軸力值，其控制變形的幅度并不是很大。從經(jīng)濟(jì)因素以及控制變形量的效果考慮，采取0.6 N 作為預(yù)加軸力的數(shù)值。

5 基坑支護(hù)中鋼支撐的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 鋼支撐支護(hù)方案優(yōu)化

水平布置優(yōu)化。鋼支撐的間距取為6 m;適當(dāng)加大角撐的間距，由之前的間距3 m 改為4 m;縱撐所受的最大軸力只占到極限穩(wěn)定承載力的6.5%，角撐來代替。角撐短邊方向的間距分別為4、4、5、4 和4 m，分布均勻。優(yōu)化支撐的水平布置如圖7 所示。

圖7 優(yōu)化鋼支撐平面布置Fig.7 Steel support planar arrangement

縱向布置優(yōu)化。兩層支撐，基坑立面仍然采取36 m 的巖土層厚，支撐與地表間、支撐與支撐間、支撐與坑底間的距離分別是:2、4 和4 m?；娱_挖面要在支撐位置處向下開挖1 m，以方便施工，開挖面分別位于-3、-7 和-10 m 處，如圖8 所示。

圖8 鋼支撐支撐立面布置Fig.8 Steel support vertical arrangement

鋼支撐尺寸的優(yōu)化。鋼管支撐直徑為609 mm，厚度為12 mm。進(jìn)而計(jì)算優(yōu)化后鋼管支撐的極限穩(wěn)定承載力:N=φfA=0.638×215×106×0.022 5 N=3 086 kN。

5.2 優(yōu)化鋼支撐支護(hù)方案的合理性探討

5.2.1 最大支撐軸力

從表7 及圖9 可知，優(yōu)化前最大軸力值達(dá)到1 209 kN，優(yōu)化后最大軸力值達(dá)到1 219 kN，優(yōu)化后的鋼管支撐最大軸力比優(yōu)化前略有增加;優(yōu)化前三層支撐的軸力分布差異性很大，較不均勻的，優(yōu)化后的鋼管支撐軸力，總體表現(xiàn)出的狀態(tài)是第一層支撐軸力小于第二層支撐軸力，但兩層支撐軸力的差異性并不大;優(yōu)化前三層鋼管支撐軸力的最大使用效率分別為3.4%、20.6%和12.3%，優(yōu)化后兩層鋼管最大軸力使用效率分別為26.6%和39.5%，優(yōu)化后的鋼管支撐軸力的總體使用率得到極大提高，最大使用率由原來20.6%提高到39.5%，提高幅度將近一倍。

表7 優(yōu)化前后鋼支撐軸力Tab.7 Steel support axial force before and after optimization

圖9 優(yōu)化前后鋼支撐軸力圖Fig.9 Steel support axial force before and after optimization

5.2.2 地下連續(xù)墻的變形

地下連續(xù)墻變形情況如表8 所示。

表8 優(yōu)化前后地下連續(xù)墻變形Tab.8 Deformation of diaphragm wall before and after optimization

從表8 可見，X 方向地下連續(xù)墻的變形，優(yōu)化前最大變形值為5.5 mm，優(yōu)化后最大變形值為6.2 mm。Y 向的地下連續(xù)墻的變形，優(yōu)化前最大變形量為11.8 mm，優(yōu)化后墻體最大變形值為13.2 mm。從基坑等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中可知，圍護(hù)墻最大水平位移不大于0.14%H。本工程地下連續(xù)墻的最大位移限制值為14 mm。優(yōu)化后的方案中，地下連續(xù)墻的最大變形值為13.2 mm 小于限制的最大值14 mm，故從地下連續(xù)墻的變形來看，本優(yōu)化方案是可行的。

5.2.3 地表沉降

優(yōu)化前后地表沉降變形的對(duì)比見表9。

表9 優(yōu)化前后地表沉降變形Tab.9 Surface Settlement before and after optimization

從表9 可見，優(yōu)化前后，X 方向的沉降從7.9 mm 減小到了7.0 mm，Y 方向的沉降從9.0 mm 減小到了7.9 mm。從基坑等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中可知，地表沉降最大值限制值為10 mm，X、Y 方向優(yōu)化后最大地表沉降為7.9 mm 小于其限制值，故從這點(diǎn)來看本方案也是合理的。

6 結(jié) 語

本文以南寧市某工程實(shí)例為背景，利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行精細(xì)分析，從鋼管支撐的性能出發(fā)，得出了幾個(gè)比較重要的結(jié)論:

①利用三層鋼管支撐加地下連續(xù)墻的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明:鋼管支撐最大軸力、地下連續(xù)墻最大變形值以及地表沉降值，都滿足了《上海地鐵基坑工程施工規(guī)程》(SZ-08-2000)關(guān)于最大限值的要求。

②鋼管支撐施加預(yù)加軸力可以更好地實(shí)現(xiàn)支護(hù)效果，選用0.6 倍的設(shè)計(jì)軸力作為最佳預(yù)加軸力值;預(yù)加軸力對(duì)控制地下連續(xù)墻的變形非常有利，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻入土深度逐漸接近開挖深度的兩倍時(shí)，這種有利作用趨于消失;且隨著預(yù)加軸力的增加，支護(hù)效果成遞增趨勢(shì)，增長(zhǎng)的幅度不大。

③優(yōu)化后的方案是更加合理的。鋼管支撐的最大軸力、地下連續(xù)墻變形值以及地表沉降值都控制在了允許范圍內(nèi);支撐材料減少了將近一半，很大程度上節(jié)約了材料成本，也節(jié)省了施工時(shí)間;優(yōu)化后各層鋼管支撐的軸力分布更加均勻，更加合理。

④鋼管支撐軸力最大的使用效率由之前的18.5%提高到39.5%，大于目前工程實(shí)踐中25%左右的使用效率。提高鋼管支撐軸力使用效率的途徑:一是在有可靠理論與實(shí)踐依據(jù)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減小鋼管支撐的截面積;二是增大鋼管支撐的實(shí)際承受的軸力，可通過增大鋼管支撐每一層的豎向間距來實(shí)現(xiàn);三是給予鋼管支撐合適的預(yù)加軸力。

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