內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐內(nèi)力的實(shí)測(cè)與計(jì)算分析

摘 要：通過對(duì)3個(gè)內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)工程原型測(cè)試得出的數(shù)據(jù)，分別與彈性地基梁計(jì)算方法和等值梁計(jì)算方法計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，從而得出彈性地基梁計(jì)算方法的結(jié)果更趨于合理。

關(guān)鍵詞：基坑；支護(hù)內(nèi)撐式；彈性地基桿系；支撐系統(tǒng)

在內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)中，支撐系統(tǒng)是極其重要組成部分，它對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化及周圍環(huán)境（如地面施工超載、地下水位升降等）變化均十分敏感。支撐系統(tǒng)一旦出現(xiàn)損壞，將直接威脅整個(gè)基礎(chǔ)施工安全，帶來不可估量的損失。因此支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工是保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟，必須引起足夠的重視。支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括方案選擇，內(nèi)力計(jì)算、構(gòu)造設(shè)計(jì)等。其中內(nèi)力計(jì)算是重要內(nèi)容，由于國(guó)家尚未正式頒布深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，多種內(nèi)力計(jì)算方法在實(shí)際工程中均有所使用，且使用標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)依據(jù)均有很大差異，造成計(jì)算結(jié)果也有一定出入。本文結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)常用的內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法加以對(duì)比分析，初步探討其在工程中的使用價(jià)值。

1 工程原型觀測(cè)結(jié)果

本文為方便受力分析，選用了3個(gè)對(duì)撐式內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測(cè)。

1.1 觀測(cè)工程

為天津人保公司營(yíng)業(yè)樓，基坑平面尺寸為4413m×2610m，開挖深度為10m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用800@850密排灌注樁作為擋土結(jié)構(gòu)，外加一道700雙排水泥攪拌樁，支撐系統(tǒng)為1層鋼支撐布置，中部設(shè)兩道鋼結(jié)構(gòu)對(duì)撐，四角設(shè)鋼筋混凝土角撐。該場(chǎng)地地下20m范圍內(nèi)主要由粉質(zhì)粘土組成，土質(zhì)水平方向均勻，透水性較差。在觀測(cè)中，分別在2根鋼支撐中的四肢上粘貼8個(gè)電阻應(yīng)變片，利用電阻應(yīng)變儀測(cè)試鋼撐應(yīng)變，繼而計(jì)算出軸力。鋼筋混凝土角撐是采用鋼弦式應(yīng)力計(jì)焊接在受力主筋上，使用頻率計(jì)觀測(cè)應(yīng)力計(jì)變化，最后計(jì)算出角撐軸力。

1.2 觀測(cè)工程

為天津市祥云商廈，基坑平面尺寸為4714m×3416m，開挖深度為615m，擋土結(jié)構(gòu)選用600mm厚地下連續(xù)墻，支撐系統(tǒng)采用1層鋼筋混凝土內(nèi)撐，中部為兩根對(duì)撐，角部為4根角撐。該場(chǎng)地土質(zhì)以粉質(zhì)粘土為主，土質(zhì)較好。觀測(cè)中每根支撐均采用鋼弦式應(yīng)力計(jì)進(jìn)行。

1.3 觀測(cè)工程

為天津市康寧大廈，基坑平面尺寸為6316m×3718m，開挖深度為810m，擋土結(jié)構(gòu)選用800@1060鋼筋混凝土樁，支撐系統(tǒng)采用1層鋼筋混凝土內(nèi)撐，在長(zhǎng)邊跨中設(shè)置兩道鋼筋混凝土對(duì)撐，角部設(shè)4根角撐。該場(chǎng)地在18m范圍內(nèi)主要以粉質(zhì)粘土和粘土組成，土質(zhì)水平方向均勻。觀測(cè)中每根支撐均采用鋼弦式應(yīng)力計(jì)進(jìn)行。為了與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，本文采用常用的等值梁方法及彈性地基桿系理論分別對(duì)3個(gè)工程進(jìn)行了支撐內(nèi)力計(jì)算。

2 支撐內(nèi)力理論計(jì)算分析

從等值梁計(jì)算方法可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)被假定為1根在側(cè)壓力作用下的梁，以彎矩為零處作為假想鉸支點(diǎn)，計(jì)算假想鉸支點(diǎn)以上部分內(nèi)力，同時(shí)求得支座反力，支撐系統(tǒng)只是假想為一個(gè)沒有變形的豎向鏈桿，而支撐體系采用的材料、截面尺寸、布置形式等均不能以參照數(shù)的形式在計(jì)算中體現(xiàn)出來，例如觀測(cè)工程1是采用的鋼結(jié)構(gòu)對(duì)撐、工程2和工程3采用的是鋼筋混凝土對(duì)撐，兩者材料的彈性模量相差達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)，在等值梁計(jì)算方法中則不考慮。此外，等值梁方法計(jì)算中下端的鉸支座位置是按半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算的。無論是支座的形式還是支座的位置都不能準(zhǔn)確反映此處支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。以工程2為例，按等值梁方法求得下部鉸點(diǎn)位置處的實(shí)際變形在1316～2019mm范圍內(nèi)變化，在基坑開挖面附近達(dá)到最大變形值2212mm，由此說明該處土抗力實(shí)際上形不成一個(gè)沒有側(cè)移的鉸支點(diǎn)，因而造成上部支撐計(jì)算中分擔(dān)的軸力要比實(shí)際的軸力小，統(tǒng)計(jì)也表明，采用該方法相對(duì)誤差最大可達(dá)4917%，最小也將近20%，且計(jì)算結(jié)果均比實(shí)測(cè)結(jié)果小，偏于不安全。

此外，從嚴(yán)格意義上說等值梁方法更適合于水土合算方法進(jìn)行內(nèi)力求解，這也勢(shì)必影響其在高水位地區(qū)使用的準(zhǔn)確性。彈性地基桿系統(tǒng)理論是將支護(hù)結(jié)構(gòu)假設(shè)為豎放彈性地基桿系，結(jié)構(gòu)外側(cè)作用的側(cè)壓力按照朗肯理論或庫(kù)倫理論進(jìn)行計(jì)算，支撐系統(tǒng)和坑底以下的土抗力假設(shè)為彈簧支座，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)需要?jiǎng)澐譃橛邢迒卧w，用數(shù)值分析方法求解。通過公式（1）進(jìn)一步形成梁、鏈桿系統(tǒng)的整體剛度矩陣求解。從計(jì)算原理上，支撐處及土抗力假設(shè)成彈簧支座，一方面可將支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式轉(zhuǎn)化為計(jì)算參數(shù)進(jìn)行受力分析，另一方面可較好的模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)比等值梁方法可逐個(gè)單元計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)的各點(diǎn)變形，合理地確定支撐系統(tǒng)與土抗力相互間對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壓力的分擔(dān)比例，提高支撐系統(tǒng)的計(jì)算準(zhǔn)確性。通過3個(gè)工程原型觀測(cè)也反映出使用彈性地基桿系理論的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較接近。在工程1中，從實(shí)測(cè)支護(hù)樁測(cè)斜曲線上看，無論是支撐處還是坑內(nèi)被動(dòng)土壓力處均出現(xiàn)變形，這與彈性地基桿系理論的彈性支座是相吻合的。其次支撐計(jì)算結(jié)果與內(nèi)力實(shí)測(cè)對(duì)比看：計(jì)算結(jié)果較對(duì)撐1小70116kN，較對(duì)撐2大34110kN，在工程2中，計(jì)算結(jié)果分別比對(duì)撐1、2大9716kN、7710kN；在工程3中分別比對(duì)撐1、2大78811kN和5016kN，計(jì)算誤差在14%以內(nèi)。在角撐計(jì)算中也比等值梁方法接近實(shí)測(cè)結(jié)果。對(duì)3個(gè)工程，使用彈性地基桿系理論計(jì)算的結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果偏差均在16%以內(nèi)，比等值梁方法計(jì)算精度提高27%左右。這樣在實(shí)際工程中采用可大大提高支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。通過工程原型觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)，即使是采用彈性地基桿系理論也不能完全精確地與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，特別是隨著基坑開挖深度加大，支撐受力增加。最后通過計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析反映出各種理論都有一定缺陷，一方面表現(xiàn)在計(jì)算模型對(duì)實(shí)際支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬誤差；另一方面各個(gè)計(jì)算參數(shù)的選取還有待深入研究，借助工程原型觀測(cè)的信息返饋進(jìn)一步調(diào)整。

3 結(jié)論

根據(jù)工程原型觀測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，等值梁方法作為一種簡(jiǎn)捷的手算計(jì)算方法，對(duì)于一層支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐內(nèi)力估算有一定的使用意義，使用彈性地基桿系理論時(shí)可進(jìn)一步對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面內(nèi)力分析，其計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，支撐內(nèi)力計(jì)算結(jié)果作為工程計(jì)依據(jù)，具有很大的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳仲頤，葉書麟主編.基礎(chǔ)工程學(xué)（M）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990.

[2]趙志縉.高層建筑基礎(chǔ)施工（第二版）（M）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.

作者簡(jiǎn)介：

周丹丹，身份證號(hào)碼：410802198305092022