基坑開挖階段支撐軸力時空效應(yīng)分析

沙建新 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

基坑開挖階段支撐軸力時空效應(yīng)分析

沙建新 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

以某基坑工程為研究背景，對基坑開挖階段支撐結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，重點討論基坑不同施工過程和空間位置對支撐軸力分布的影響。并發(fā)現(xiàn)：各道支撐軸力會因施工進(jìn)程和所處位置的不同而發(fā)生變化；在開挖階段，支撐的安裝對其相鄰支撐影響較大，對其他支撐的影響較小。

基坑監(jiān)測；開挖階段；支撐軸力

基坑開挖是一項十分復(fù)雜的巖土工程。在開挖過程中，隨著土體卸載會引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)在兩側(cè)土層壓力差的作用下發(fā)生水平位移和圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體移動，故設(shè)置支撐來抵消圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外的壓力差，以減小施工影響和事故的發(fā)生。因此，在基坑施工中，其軸力的監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑受力情況和施工安排有著重要的指導(dǎo)作用，也是判斷基坑安全的重要參數(shù)。然而，基坑往往處于地質(zhì)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜的地層中。同時地下工程的不確定性和設(shè)計理論中的簡化和假定等的局限性使支撐軸力在設(shè)計和實際工程中的受力情況出現(xiàn)差異，很容易造成資源的浪費(fèi)（設(shè)計軸力大于實際軸力值），或?qū)е率鹿实陌l(fā)生（設(shè)計軸力小于實際軸力值）。為此支撐軸力的有效監(jiān)測和預(yù)警也對整個工程實施具有極其重要的意義。本文以某基坑開挖工程現(xiàn)場支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，對開挖階段各種工況下各支撐軸力的變化情況進(jìn)行分析和討論。

1 工程概況

1.1 基坑主體結(jié)構(gòu)概況

該工程位于市中心，四周分別相鄰交通干道，城市軌道交通樞紐，辦公樓，地下管線錯綜復(fù)雜?；幽媳狈较蜷L84 m，東西方向?qū)?5.5 m，基坑深約18.0 m，采用1.0 m厚地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，支撐采用鋼筋混凝土水平桁架撐，坑底部采用水泥攪拌樁抽條加固。地面設(shè)計標(biāo)高3.7 m（吳淞高程）。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)擬建場地工程地質(zhì)勘察報告，特性如下：所揭露50.30 m深度范圍內(nèi)的地基土屬第四紀(jì)上更新世Q3至全新世Q4沉積物，主要由飽和粘性土、粉性土和砂土組成，具水平層理；有第⑥層暗綠色粘性土硬土層，地層分布穩(wěn)定；成因為濱?！涌?，濕度為濕或飽和，狀態(tài)為可塑、軟塑與流塑，壓縮性為中、高等，密實度為松散或中等。共可劃分成7個主要層次（第①、②、④、⑤、⑥、⑦、⑧層）。其中，第②層可分為2個亞層（第②1層、第②3層），第⑦層可分為2個亞層（第⑦1層、第⑦2層）。

1.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

本基坑圍護(hù)體系采用厚為1 m，標(biāo)準(zhǔn)幅每幅6 m的地下連續(xù)墻；加四道混凝土水平桁架內(nèi)支撐方案。其中首道支撐為十字對稱桁架，考慮作為施工棧橋。地連墻相鄰槽段外側(cè)采用兩根相互咬合的Φ700@500旋噴樁止水帷幕止水?；禹敳糠牌露葹?:1的坡度，坡高為0.9 m?？拥撞坎捎盟鄶嚢铇冻闂l加固。

2 支撐軸力監(jiān)測

2.1 軸力監(jiān)測點布置

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計圖紙，在各道混凝土支撐上分別布設(shè)8個支撐軸力監(jiān)測點。支撐測點點位代碼：ZL1-01～ZL4-08。布置如圖1所示。

圖1 基坑支撐軸力測點平面布置圖

2.2 支撐軸力現(xiàn)場測量方法

支撐受到外力作用后產(chǎn)生微應(yīng)變。其應(yīng)變量通過振弦式頻率計來測定，根據(jù)鋼筋計頻率及一些所需的矢量來推算出混凝土支撐所受的力。即采用應(yīng)力計的量測方法。并通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 支撐軸力分析

3.1 同一監(jiān)測平面支撐軸力分析

在基坑開挖階段，通過對各道支撐的軸力變化曲線如圖2所示，可知：

（1）從開挖開始，隨著開挖深度的不斷增加，在各道支撐安裝后，其支撐軸力都在短期內(nèi)發(fā)生較快增長，主要是迎土側(cè)主動土壓力增大，導(dǎo)致圍護(hù)在水平方向有向坑內(nèi)部發(fā)生位移的趨勢，而各道支撐阻止這種位移趨勢，因此其軸力不斷增加，且在增大過程中呈波動狀態(tài)，最終經(jīng)內(nèi)力重分布后趨于穩(wěn)定。

（2）在開挖階段，首道支撐中，ZL1-02和ZL1-04的軸力較大。第三道支撐施加（即工況7）時，ZL1-02達(dá)到其峰值4387 kN，此后其軸力值顯著降低。因隨開挖增加的基坑土壓力主要由三道支撐共同承擔(dān)，而第二道支撐軸力值變小，減小的土壓力值由首、三道支撐共同承擔(dān)。ZL1-04達(dá)到其峰值4 499 kN為澆筑底板（工況11）以后，且各道支撐波動但趨于平衡狀態(tài)時。

圖2 第一道支撐軸力變化曲線圖

（3）在開挖階段，第二道支撐中ZL2-02和ZL2-08的軸力較大，其峰值分別為3 601 kN和3 805 kN。ZL2-02達(dá)到其峰值時為工況7之前，其值一直處于波動上升階段，第三道支撐施加后，其軸力值逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。ZL2-08達(dá)到其峰值為工況11以后；第三道支撐中ZL3-03、ZL3-04和ZL3-08的軸力較大，其峰值分別為4 459 kN、4 284 kN和4649 kN，達(dá)到峰值時均為工況11以后，支撐軸力趨于平衡階段；第四道支撐自安裝以后，各斷面軸力普遍增大，其中ZL4-02和ZL4-04的軸力較大，其峰值分別為2 836 kN和2636 kN，均為工況11后達(dá)到其峰值。

（4）各支撐中軸力較大的斷面主要在Z2、Z4、和Z8斷面，這表明基坑的支撐結(jié)構(gòu)中，直撐相對于角撐的支護(hù)作用較為突出，會分擔(dān)大部分基坑的土壓力。但直撐位置ZL6斷面軸力較其他位置軸力要低，表明支撐軸力的大小不僅與斷面空間位置有關(guān)，還與施工的周邊環(huán)境、工序和進(jìn)程安排等因素有很大關(guān)系，為此不能單從支撐的空間位置對其軸力情況進(jìn)行簡單判斷。

（5）由于總體上首道支撐會承擔(dān)大部分基坑兩側(cè)的荷載，且其所承受的荷載值和自身設(shè)計剛度的高低對基坑工程的安全影響較大。因此，有必要對標(biāo)準(zhǔn)段首道支撐的軸力進(jìn)行進(jìn)一步歸納分析（表1）。從表可知，各支撐最大軸力均在設(shè)計值以內(nèi)，其中ZL1-01、ZL1-03和ZL1-06軸力值不足設(shè)計值得一半，各支撐軸力峰值達(dá)到支撐軸力平均達(dá)到其控制值的59.83%，因此，可對各混凝土支撐設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

表1 基坑第一道混凝土支撐各監(jiān)測斷面軸力匯總

3.2 同一監(jiān)測斷面支撐軸力分析

支撐軸力的大小及變化趨勢與基坑土方開挖的具體過程有很大關(guān)系。在同一監(jiān)測斷面上，由于各支撐所處空間位置的不同，相同監(jiān)測斷面上各道支撐的軸力分布也有所不同。

（1）在開挖階段，各監(jiān)測斷面支撐軸力總體隨開挖深度增加而增大。在工況5條件以前，首道軸力增加較快，雖監(jiān)測數(shù)據(jù)存在波動，但總體其軸力值逐漸增大。在工況5以后，第二道支撐自安裝開始其軸力在短期內(nèi)迅速升高，首道支撐與其共同承擔(dān)兩側(cè)的土壓力；至工況7時，首道支撐軸力值仍逐漸增大，第二道支撐軸力值有明顯降低，此后其值不斷增大，第三道支撐的軸力顯著增大；至架設(shè)第四道支撐（工況9）時，首、二道支撐軸力變化較小，而第三道支撐軸力明顯降低，此后逐漸增大；至工況11，即澆筑底板時，各道支撐軸力逐漸穩(wěn)定，趨于穩(wěn)定值。以ZL-04各道支撐的軸力變化曲線為例如圖3，在工況5時間附近，ZL1-04軸力值由2 326 kN降低到1986 kN；在工況7附近，ZL2-04軸力值由3 243 kN降低到2005 kN，此時ZL1-04軸力值仍繼續(xù)增大；在工況9附近，ZL3-04軸力值由4085kN降低到3 764 kN，此時ZL1-04和ZL2-04軸力值變化較小。

圖3 ZL4監(jiān)測斷面軸力變化曲線圖

（2）從施工進(jìn)程來分析，各道支撐軸力的變化趨勢都是先逐漸增加，在其相鄰位置架設(shè)新的支撐時，其值會發(fā)生波動，并會顯著降低，這是由于新的支撐會承擔(dān)一部分基坑兩側(cè)的土壓力，而影響其相鄰支撐的軸力變化，但對其他支撐的軸力變化影響較小。之后隨著開挖深度的增加，支撐軸力會逐漸增大，至基坑開挖完畢，各支撐完成內(nèi)力重新分布后逐漸趨于穩(wěn)定。并在工況11以后，各道軸力趨于穩(wěn)定時，但其軸力分布有所差別，通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)斷面開挖結(jié)束后ZL1、ZL2、ZL4、ZL5和ZL7首、第四道支撐的軸力較大；ZL6和ZL8第二、第三道支撐的軸力較大；而ZL03第二、三、四道支撐軸力較大，首道支撐軸力最小。因此，在對軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，應(yīng)綜合考慮開挖現(xiàn)場情況、進(jìn)度等因素。同理在支撐拆除時，應(yīng)根據(jù)支撐的空間位置和實際軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以免基坑因支撐缺失而發(fā)生事故。

4 結(jié)論

（1）在各道支撐筑建初期，支撐內(nèi)的軸力一般都較小，隨著開挖深度的增加，各道支撐的軸力一般會逐漸增大，至澆筑底板以后，逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）在基坑開挖過程中，構(gòu)筑同一豎向位置支撐時一般使其相鄰支撐軸力降低，而對其他支撐的軸力影響較小。此時應(yīng)加強(qiáng)對新增支撐相鄰支撐的軸力和變形的監(jiān)測，以防對其相鄰支撐及基坑的整體穩(wěn)定帶來不利影響。

（3）在基坑開挖初期，斜撐會因基坑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，其軸力值變化速率較快，因此應(yīng)注意監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，并判斷是否達(dá)到其控制值，必要時采取措施保證安全。

（4）在實際監(jiān)測過程中，不應(yīng)只以單個支撐軸力的平均累計值作為報警依據(jù)，應(yīng)關(guān)注實際工況及其相鄰支撐的應(yīng)力情況，結(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的其他監(jiān)測數(shù)據(jù)對支撐軸力進(jìn)行分析。

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責(zé)任編輯：宋飛 張建強(qiáng)

來稿時間：2015-12-01