某基坑支護(hù)中圓撐與角撐的應(yīng)用對比分析

成守澤

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建福州 350025)

0 引言

隨著城市建設(shè)的進(jìn)行，地下空間的利用得到更大的重視。基坑開挖深度越來越深，周邊環(huán)境也越來越復(fù)雜，對基坑變形的控制要求也越來越高，對支護(hù)體系的選擇提出了更高的要求。內(nèi)支撐體系不需占用基坑外側(cè)空間資源，可減小對周邊環(huán)境的影響[1]。內(nèi)支撐可提高整個(gè)圍護(hù)體系的整體強(qiáng)度和剛度，對基坑變形可以有效控制[2-3]，在城市支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了大量的應(yīng)用。

由于基坑形狀的不同，支撐體系的布置形式也會有所差異。所以，實(shí)際工程實(shí)踐中，圓撐和角撐均得到了大量的運(yùn)用。圓撐結(jié)構(gòu)受力合理、便于土方開挖，適用于不規(guī)則形狀基坑。角撐結(jié)構(gòu)型式簡單，可根據(jù)施工進(jìn)度安排優(yōu)先進(jìn)行局部區(qū)域施工，節(jié)省工期。李松[4]采用有限元分析軟件，對特大圓撐體系的變形特性進(jìn)行了系統(tǒng)的三維模擬，研究了不同土體開挖次序下、不同工程地質(zhì)條件下，特大圓撐深基坑地下連續(xù)墻的水平側(cè)向變形特性。劉志方[5]采用灌注樁與角撐相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，保證了基坑及周邊環(huán)境的安全及工程的順利實(shí)施。但對于圓撐與角撐的對比分析研究，相對還比較少。本文通過對某基坑的支護(hù)形式對比，得出了圓撐支護(hù)的合理性，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 工程概況

某工程擬建2層地下室，基坑周長約320m，面積約6400m2，開挖深度約9.5m。受周邊環(huán)境限制，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)不能超用地紅線，因此考慮采用內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)?；有螤畋容^規(guī)則，結(jié)合場地條件，采取了圓撐和角撐兩種支撐方案進(jìn)行對比分析，支撐布置形式如圖1～圖2所示。

圖1 圓撐平面布置圖

圖2 角撐平面布置圖

根據(jù)地勘資料，支護(hù)結(jié)構(gòu)系范圍內(nèi)的主要土層為①素填土、②粉質(zhì)粘土、③殘積粘性土及④全風(fēng)化花崗巖。巖土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)表

注：*為經(jīng)驗(yàn)值。

結(jié)合周邊環(huán)境和土質(zhì)條件，基坑支護(hù)采用灌注樁加一道混凝土內(nèi)支撐。典型支護(hù)剖面如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)剖面圖

2 有限元模擬

該基坑采用有限元分析軟件Midas GTS NX，對圓撐和角撐兩種支撐體系進(jìn)行模擬。模型單元選擇：土體采用硬化土模型；支撐和立柱采用梁單元；圍護(hù)樁簡化墻體采用板單元模擬。有限元網(wǎng)格劃分如圖4～圖5所示。

圖4 有限元計(jì)算模型

圖5 結(jié)構(gòu)體系有限元模型

為充分考慮結(jié)構(gòu)體系中鋼筋的作用，對比分析采用等效替換的方法，將鋼筋的彈性模量折算為混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量：

E折算后的混凝土彈性模量；

E0原混凝土的彈性模量；

Eg鋼筋的彈性模量；

Sg鋼筋的截面積；

Sc混凝土結(jié)構(gòu)的截面積。

Midas GTS NX的析取功能對支撐結(jié)構(gòu)體系，可以很方便地完成建模，但對于立柱樁，無法通過析取功能得到立柱樁與周圍土體之間存在耦合問題?；诖耍琈idas GTS NX引入了植入式梁單元，可不需要共節(jié)點(diǎn)，方便建模。植入式梁單元嵌入母單元中，母單元可以是平面應(yīng)變單元或?qū)嶓w單元。母單元被認(rèn)為其本身包含了每個(gè)植入式梁的單元節(jié)點(diǎn)，多點(diǎn)約束、自動約束植入式梁的節(jié)點(diǎn)位移，以保證其與母單元的內(nèi)部位移一致。

圍護(hù)樁的建模相對比較復(fù)雜，可通過剛度等效的原則，將其轉(zhuǎn)化為等厚的墻體，便于計(jì)算。等剛度轉(zhuǎn)化公式為：

D圍護(hù)樁的樁徑；

t相鄰圍護(hù)樁間的凈間距；

h墻體的厚度。

支撐梁截面尺寸：HL(1200×900)，ZL1(700×900)，ZL2(600×800)，CL(500×600)；圍護(hù)樁：800@1400，樁長12.7m；冠梁：1000×900；混凝土彈性模量3.0×104N/mm2，泊松比0.2，重度24kN/m3。道路荷載按20kPa考慮，一般區(qū)域荷載按10kPa考慮。

3 計(jì)算分析

根據(jù)現(xiàn)場情況，對基坑坡頂水平位移、豎向位移，深層水平位移和地下水位進(jìn)行了監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖1所示。該基坑施工工期歷時(shí)約10個(gè)月，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，選取長邊中點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，土體深層水平位移如圖6所示。圓撐的深層水平位移和實(shí)測值較為一致，說明了有限元參數(shù)選取的合理性。圓撐最大水平位移10.64mm，角撐最大水平位移6.94mm，角撐能更好地控制變形?；娱L邊中部，圓撐剛度比較薄弱，變形會更大；要控制變形，可對支撐梁剛度進(jìn)行加強(qiáng)。

圖6 深層水平位移圖

圖7為圓撐與角撐的圍護(hù)樁彎矩對比圖，圓撐的最大彎矩157.4kN·m，角撐的最大彎矩133.8kN·m，相差較小。支撐的布置型式雖然不同，但均只設(shè)置了一道支撐，樁承受的荷載是相同的，兩種情況下的樁身彎矩較為一致，符合實(shí)際情況。

圖7 圍護(hù)樁彎矩圖

角撐最大軸力2342.2kN；圓撐最大軸力3580.9kN，位于圓環(huán)支撐上。圓撐情況下，基坑開挖卸荷產(chǎn)生的作用力均由圓環(huán)支撐承擔(dān)，而角撐只承擔(dān)兩側(cè)的土壓力作用。因此，圓撐受荷比角撐更大，與實(shí)際情況吻合。

表3為圓撐和角撐體系下的工程量差異對比。角撐的支撐梁長度比圓撐多39.8%，立柱樁數(shù)量比圓撐多20.0%，說明圓撐比角撐的工程造價(jià)省，有更好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，圓撐能提供的挖土空間比角撐大16.1%，有利于土方和主體結(jié)構(gòu)的施工。圓撐需要在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳力體系全部施工完成后，才能進(jìn)行支撐拆除；角撐可根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度，拆除局部支撐，施工靈活性更強(qiáng)。從整體的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性來講，圓撐具有更大的優(yōu)勢。

表3 圓撐與角撐工程量對比

注：開挖空間占比為圓撐或角撐圍成的鏤空區(qū)域占基坑總體面積的比列。增加率為角撐相對于圓撐的工程量增加比值。

4 結(jié)論

(1)通過建立有限元計(jì)算模型，對圓撐和角撐兩種支撐體系下的基坑開挖過程進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況吻合，說明模型參數(shù)選取合理。

(2)圓撐的圍護(hù)樁變形比角撐大，但能滿足基坑的變形要求。如果基坑變形控制要求嚴(yán)格，可通過加強(qiáng)圓撐支撐剛度，減少變形。

(3)圓撐的工程量比角撐省，具有更好的經(jīng)濟(jì)性，且能提供更大施工空間。該基坑優(yōu)先選用圓撐支護(hù)，為類似基坑工程設(shè)計(jì)提供參考。