鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)深基坑內(nèi)支撐軸力的影響

胡之鋒，盧雪松，陳 健，邱岳峰，李 科

(1.黃岡師范學(xué)院建筑工程學(xué)院,黃岡 438000；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

中國(guó)東南沿海地區(qū)分布著大量花崗巖,廣東、福建兩省花崗巖出露面積達(dá)到總面積的30%～40%[1]。出露花崗巖體隨著時(shí)間的推移會(huì)從薄弱的節(jié)理部位開始風(fēng)化,閩、粵沿海地區(qū)風(fēng)化花崗巖殘積層厚度一般在20～35 m[2]。在花崗巖風(fēng)化過(guò)程中,由于部分巖塊存在利于提高其力學(xué)性能的顯微結(jié)構(gòu),使得其風(fēng)化程度會(huì)明顯低于周圍其他巖土體,從而呈現(xiàn)為“孤石”狀態(tài)[3]。中國(guó)東南沿?；◢弾r地區(qū)深基坑開挖施工過(guò)程中極易遇到這種孤石,如圖1工程實(shí)例所示,部分孤石位于鋼支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高附近,不利于鋼支撐及時(shí)架設(shè)；另外,為了確定其形態(tài)大小,便于清除操作,一般會(huì)挖除其周圍土體；二者綜合作用會(huì)使鋼支撐出現(xiàn)滯后架設(shè),基坑處于超挖狀態(tài)。

圖1 孤石與鋼支撐滯后架設(shè)Fig.1 Solitary stone and lag erection of steel bracing

鋼支撐滯后架設(shè),基坑超挖會(huì)對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐體系及周邊環(huán)境帶來(lái)不利影響,危及基坑自身及周邊環(huán)境安全[4-8]。黃珠微[9]建立有限元模型,分析了局部不同超挖厚度對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的影響。黃天明等[10]采用顯式有限差分法,綜合研究了基坑超挖深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形及彎矩的影響。羅陽(yáng)洋[11]建立有限元模型,系統(tǒng)研究了基坑超挖深度、超挖范圍及超挖位置對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的影響。張廣達(dá)[12]采用顯式有限差分法,建立數(shù)值模型,探討了不同超挖深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形和地表沉降的影響規(guī)律。謝秀棟等[13]建立有限元模型,研究了考慮土體蠕變特性情況下,不同超挖深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的影響。此外,胡力繩[14]亦建立基坑有限元分析模型,探討了支撐架設(shè)與否對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最終水平變形的影響。

總體而言,目前關(guān)于鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形影響的研究較多,而對(duì)內(nèi)支撐軸力影響的研究較少。鑒于此,本文以某內(nèi)撐式地鐵深基坑工程為研究對(duì)象,運(yùn)用Plaxis 有限元軟件,建立有限元模型,以土體超挖厚度大小反映鋼支撐滯后架設(shè)程度,系統(tǒng)地開展了基坑不同位置鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)對(duì)內(nèi)支撐軸力影響的研究。

1 工程概況

某地鐵車站總長(zhǎng)約392 m,為地下兩層島式站臺(tái)車站,采用明挖法施工,主體圍護(hù)采用800 mm地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)體系。標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約17 m,開挖寬度約24 m,盾構(gòu)端頭井處開挖深度約19 m,開挖寬度約27 m。內(nèi)支撐體系采用一道鋼筋混凝土支撐與兩道鋼支撐布置形式,第1道支撐采用800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐,其余為Φ609 mm、壁厚16 mm鋼管支撐。標(biāo)準(zhǔn)段連續(xù)墻深26 m,盾構(gòu)井段連續(xù)墻深27.5 m,墻底落入全風(fēng)化花崗巖及殘積土中,嵌固深約9 m。第1道鋼筋混凝土橫撐水平間距約8 m,第2、3道鋼管支撐水平間距為3.5～4 m,預(yù)加軸力均為600 kN。地下連續(xù)墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,第1道混凝土橫撐強(qiáng)度等級(jí)為C30。本文以標(biāo)準(zhǔn)段基坑為研究對(duì)象,橫斷面如圖2所示。

圖2 基坑標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖Fig.2 Cross sectional of the deep excavation

2 有限元計(jì)算模型

圖3 模型幾何尺寸示意圖Fig.3 The geometric dimension of model

依托上述工程,基于Plaxis2D有限元軟件,建立二維數(shù)值計(jì)算模型,如圖3所示。其中,模型基坑開挖深度取17 m,基坑開挖寬度取24 m。模型坑外取85 m,為5倍開挖深度,坑底以下深度取51 m,為3倍開挖深度。圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)26 m,嵌固深度9 m,為0.53倍基坑開挖深度,第1道鋼筋混凝土橫撐距離地表1 m,第2、3道鋼管支撐與其相鄰上一道支撐之間的距離分別為6、4.5 m。巖土層從上到下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、殘積礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖,厚度分別為2、4、22、8、4、4、24 m?？紤]模型對(duì)稱性,取1/2基坑尺寸建立模型。

計(jì)算模型中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元來(lái)模擬,鋼管支撐采用錨定桿模擬,土體采用小應(yīng)變硬化模型模擬,基巖采用摩爾庫(kù)倫模型模擬,各結(jié)構(gòu)與巖土體物理力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)[8]。其中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)每延米的軸向抗壓剛度為2.52×107kN,水平抗彎剛度為1.34×106kN·m2；鋼筋混凝土支撐的軸向抗壓剛度為1.92×107kN,水平間距為8 m,鋼管支撐軸向抗壓剛度為6.26×106kN,水平間距為4 m；各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 基巖莫爾-庫(kù)倫模型物理力學(xué)參數(shù)

以超挖厚度大小反映鋼支撐滯后架設(shè)程度(超挖厚度越大,鋼支架設(shè)越滯后),擬就第2、3道鋼支撐分別出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)和第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)對(duì)基坑內(nèi)支撐軸力的影響進(jìn)行分析,其中,單道鋼支撐最大滯后架設(shè)程度假設(shè)為5 m。以第2道鋼支撐滯后1 m架設(shè)為例,模型主要計(jì)算分析過(guò)程如下:①將初始位移清零,激活板單元,模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；②開挖至地表以下1.5 m,施工第1道鋼筋混凝土橫撐；③開挖至地表以下8.5 m,施工第2道鋼支撐(第2道鋼支撐應(yīng)在開挖至地表以下7.5 m時(shí)安裝,此時(shí)滯后1 m架設(shè))；④開挖至地表以下12 m,施工第3道鋼支撐；⑤開挖至坑底。

3 鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)支撐軸力的影響分析

基于上述有限元模型,開展了第2、3道鋼支撐分別出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)和第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)對(duì)深基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)軸力影響的有限元計(jì)算,下文將詳細(xì)分析鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)內(nèi)支撐軸力的影響。

3.1 第2道支撐滯后架設(shè)對(duì)支撐軸力的影響

圖4給出了第2道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí),各內(nèi)支撐在基坑開挖完成時(shí)的軸力變化趨勢(shì)圖,圖5給出了第2道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí),第1道支撐與第2道支撐軸力之和在基坑開挖完成時(shí)的變化趨勢(shì)圖。可以看出,隨著第2道支撐滯后架設(shè)程度的增加,第2道支撐軸力逐漸減小,第1道支撐軸力逐漸增加,這與文獻(xiàn)[6-7]的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致,第3道支撐軸力有小幅增加,但增加量不大,總體較為穩(wěn)定。從圖5可以看出,第1道支撐與第2道支撐軸力之和較為穩(wěn)定,幾乎不隨第2道支撐滯后架設(shè)程度的變化而變化,這說(shuō)明第2道支撐減少的軸力與第1道支撐增加的軸力基本相等。綜上所述,第2道支撐會(huì)由于其滯后架設(shè)而少承擔(dān)坑后主動(dòng)土壓力；第2道支撐滯后架設(shè)對(duì)先于其架設(shè)的第1道支撐軸力影響較大,對(duì)其后架設(shè)的第3道支撐軸力影響較??；第1道支撐主要承擔(dān)了第2道支撐由于滯后架設(shè)而轉(zhuǎn)移的坑后主動(dòng)土壓力。

3.2 第3道支撐滯后架設(shè)對(duì)支撐軸力的影響

圖6給出了第3道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí),各內(nèi)支撐在基坑開挖完成時(shí)的軸力變化趨勢(shì)圖。圖7給出了第3道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí),第2道支撐與第3道支撐軸力之和在基坑開挖完成時(shí)的變化趨勢(shì)圖。從圖6可以看出,隨著第3道支撐滯后架設(shè)程度的增加,第3道支撐軸力快速減小,第2道支撐軸力迅速增大,第1道支撐軸力逐漸減小。從圖7可以看出,第2道支撐與第3道支撐軸力之和較為穩(wěn)定,幾乎不隨第3道支撐滯后架設(shè)程度的變化而變化,這說(shuō)明第3道支撐減少的軸力與第2道支撐增加的軸力相等。綜上所述,第3道支撐會(huì)由于其滯后架設(shè)而少承擔(dān)坑后主動(dòng)土壓力；第3道支撐滯后架設(shè)對(duì)先于其架設(shè)的第2道支撐軸力影響較大；第2道支撐主要承擔(dān)了第3道支撐由于滯后架設(shè)而轉(zhuǎn)移的坑后主動(dòng)土壓力。

表2 土層小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型物理力學(xué)參數(shù)

圖4 第2道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí)各內(nèi)支撐軸力變化趨勢(shì)圖Fig.4 The trend of axial forces of each support varies with different degrees of lag erection of the second support

圖5 第2道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí)第1、2道支撐軸力之和變化趨勢(shì)圖Fig.5 The sum of axial forces of first and second support varies with different degrees of lag erection of the second support

圖6 第3道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí)各內(nèi)支撐軸力變化趨勢(shì)圖Fig.6 The trend of axial forces of each support varies with different degrees of lag erection of the third support

圖7 第3道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí)第2、3道支撐軸力之和變化趨勢(shì)圖Fig.7 The sum of axial forces of second and third support varies with different degrees of lag erection of the third support

當(dāng)?shù)?道支撐出現(xiàn)滯后架設(shè)時(shí),第1道支撐軸力會(huì)隨著第3道支撐滯后架設(shè)程度的增加而逐漸減小并最終變?yōu)樨?fù)值(拉力)。這是因?yàn)榕c正常施工相比,當(dāng)?shù)?道支撐出現(xiàn)滯后架設(shè)時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)下部由于缺乏第3道支撐的側(cè)向約束,其在兩側(cè)較大壓力差的作用下會(huì)發(fā)生過(guò)大踢腳變形,圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體存在以第2道支撐為支點(diǎn)發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的變形趨勢(shì)(圖8),從而使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部在原來(lái)變形的基礎(chǔ)上發(fā)生轉(zhuǎn)向坑外的水平變形，如圖9左上角圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形局部放大示意圖所示；當(dāng)?shù)?道支撐滯后架設(shè)程度較小時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部轉(zhuǎn)向坑外的變形較小,能部分減少對(duì)第1道鋼筋混凝土支撐的橫向壓迫,使得第1道鋼筋混凝土支撐軸力有所減??；當(dāng)?shù)?道支撐滯后架設(shè)程度較大時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體以第2道支撐為支點(diǎn)發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的變形趨勢(shì)逐漸顯著,將進(jìn)一步減少對(duì)第1道鋼筋混凝土支撐的橫向壓迫,第1道鋼筋混凝土支撐軸力會(huì)進(jìn)一步減小,但當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部轉(zhuǎn)向坑外的變形大到一定程度時(shí),由于第1道鋼筋混凝土支撐在施工時(shí)一般與圍護(hù)結(jié)構(gòu)澆筑在一起,它們之間的連接屬于剛性連接,鋼筋混凝土支撐會(huì)阻止圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部轉(zhuǎn)向坑外的過(guò)大變形以防止基坑發(fā)生失穩(wěn)破壞,從而使得其內(nèi)部產(chǎn)生反向拉力,第3道支撐滯后架設(shè)程度越大,第1道鋼筋混凝土支撐內(nèi)部產(chǎn)生的反向拉力越大。

圖8 基坑正常開挖與第3道支撐滯后架設(shè)時(shí)的施工簡(jiǎn)圖Fig.8 Diagram for construction of normal excavation and lag erection of the third steel support

圖9 第3道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最終水平變形曲線Fig.9 The final horizontal displacement curve of retaining structure for third support with different degrees of lag erection

鋼支撐只能承受壓力,不能承受拉力,當(dāng)?shù)?道支撐采用鋼支撐時(shí),其在第3道支撐滯后架設(shè)程度較大時(shí),會(huì)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)脫開,無(wú)力阻止圍護(hù)結(jié)構(gòu)以第2道支撐為支點(diǎn)發(fā)生的旋轉(zhuǎn)變形,基坑存在失穩(wěn)破壞的可能；鋼筋混凝土支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接成為一個(gè)整體,既能承受拉力又能承受壓力,二者組成的支護(hù)體系整體性強(qiáng)。上述分析從側(cè)面說(shuō)明了深基坑第1道支撐普遍選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

3.3 第2、3道支撐均出現(xiàn)滯后架設(shè)對(duì)支撐軸力的影響

圖10給出了第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí),各內(nèi)支撐在基坑開挖完成時(shí)的軸力變化趨勢(shì)圖。從圖10可以看出,當(dāng)?shù)?、3道支撐均出現(xiàn)滯后架設(shè)時(shí),隨著滯后程度的增加,第3道支撐軸力逐漸減小,第2道支撐軸力逐漸增加,這是因?yàn)榈?道支撐安裝時(shí),即使第2道支撐曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)滯后架設(shè),但其在第3道支撐安裝時(shí)已經(jīng)架設(shè)完成,因此,仍然會(huì)承擔(dān)第3道支撐由于滯后架設(shè)而轉(zhuǎn)移的主動(dòng)土壓力,從而使得其軸力增加,這與上文僅第3道支撐滯后架設(shè)會(huì)導(dǎo)致第2道支撐軸力顯著增加的結(jié)論一致。

圖10 第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí)各內(nèi)支撐軸力變化趨勢(shì)圖Fig.10 The trend of axial forces of each support varies with different degrees of lag erection of the second and third support

第2道支撐滯后架設(shè)會(huì)導(dǎo)致第1道支撐軸力增加,第3道支撐滯后架設(shè)會(huì)導(dǎo)致第1道支撐軸力減小,從圖10可以看出,第1道支撐軸力隨著第2、3道支撐滯后架設(shè)程度的增大而有小幅度增加,這說(shuō)明第2道支撐滯后架設(shè)引起第1道支撐軸力增大的效果大于第3道支撐滯后架設(shè)引起第1道支撐軸力減小的效果,即第2道支撐滯后架設(shè)對(duì)第1道支撐的影響更顯著,這說(shuō)明支撐滯后架設(shè)對(duì)與其相鄰的上一道支撐軸力影響較大,而對(duì)與其相隔的上一道支撐軸力影響較小,這與文獻(xiàn)[15]的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

圖11給出了僅第3道鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)和第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí),第3道鋼支撐在基坑開挖完成時(shí)的軸力變化趨勢(shì)圖。從圖11可以看出,無(wú)論是第3道支撐出現(xiàn)滯后架設(shè),還是第2、3道支撐均出現(xiàn)滯后架設(shè),第3道支撐軸力隨滯后程度的變化基本一致,再次說(shuō)明第2道支撐滯后架設(shè)對(duì)其后架設(shè)的第3道支撐軸力影響較小。

圖11 第3道支撐與第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)滯后架設(shè)時(shí)第3道支撐軸力變化趨勢(shì)圖Fig.11 The trend of axial forces of the third support varies with different degrees of lag erection of the third support as well as the second and third support

圖12 第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí)第2、3道支撐軸力之和變化趨勢(shì)Fig.12 The sum of axial forces of second and third support varies with different degrees of lag erection of the second and third support

圖12給出了第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)時(shí),第2道鋼支撐與第3道鋼支撐軸力之和在基坑開挖完成時(shí)的變化趨勢(shì)圖。從圖12可以看出,隨著第2、3道鋼支撐滯后架設(shè)程度的逐漸增加,第2、3道支撐軸力之和逐漸減小,這說(shuō)明第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)滯后架設(shè)時(shí),其共同承擔(dān)的主動(dòng)土壓力有所減少。圖10中,第1道支撐軸力隨著第2、3道支撐均出現(xiàn)滯后架設(shè)程度的增大而有小幅度增加,因此第2、3道支撐少承擔(dān)的土壓力一部分會(huì)由第1道支撐承擔(dān)；另外,在第2、3道支撐均出現(xiàn)滯后架設(shè)情況下,當(dāng)3道支撐滯后架設(shè)時(shí),如圖8、圖9所示,會(huì)使得圍護(hù)結(jié)以已經(jīng)架設(shè)的第2道支撐為支點(diǎn)發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn),圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部支撐軸力減小,下部坑底被動(dòng)區(qū)土體承擔(dān)的側(cè)向擠壓力必將增大,因此第2、3道支撐少承擔(dān)的土壓力一部分也會(huì)由坑底被動(dòng)區(qū)土體承擔(dān)。

4 結(jié)論

以某內(nèi)撐式地鐵車站深基坑工程為研究對(duì)象,建立數(shù)值模型,基于有限元計(jì)算結(jié)果,以基坑超挖厚度表征鋼支撐滯后架設(shè)程度,系統(tǒng)深入地分析了鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)基坑內(nèi)支撐軸力的影響,得出以下主要結(jié)論。

(1)鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)與其相鄰的上一道支撐軸力影響較大,對(duì)與其相隔的上一道支撐軸力影響較小,對(duì)其后架設(shè)的支撐軸力影響很小。因此,當(dāng)清除坑基坑內(nèi)孤石,出現(xiàn)鋼支撐滯后架設(shè)情況時(shí),要加強(qiáng)與滯后架設(shè)支撐相鄰的上一道支撐軸力的監(jiān)測(cè),重點(diǎn)關(guān)注其支撐軸力變化情況。

(2)支撐滯后架設(shè)會(huì)使其自身少承擔(dān)坑后主動(dòng)土壓力。第2道支撐滯后架設(shè)少承擔(dān)的主動(dòng)土壓力主要由第1道支撐承擔(dān),第3道支撐滯后架設(shè)少承擔(dān)的主動(dòng)土壓力主要由第2道支撐承擔(dān),第2、3道支撐均出現(xiàn)滯后架設(shè)而少承擔(dān)的主動(dòng)土壓力則轉(zhuǎn)移給了第1道鋼筋混凝土支撐和坑底被動(dòng)區(qū)土體。因此,要視情況對(duì)多承擔(dān)坑后主動(dòng)土壓力的支撐和坑底被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

(3)第3道支撐出現(xiàn)滯后架設(shè),會(huì)使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)以第2道支撐為支點(diǎn),出現(xiàn)其下部轉(zhuǎn)向坑內(nèi),上部轉(zhuǎn)向坑外的整體旋轉(zhuǎn)變形,當(dāng)?shù)?道支撐滯后架設(shè)程度較大時(shí),第1道鋼筋混凝土支撐會(huì)產(chǎn)生拉力以阻止圍護(hù)結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)生過(guò)大旋轉(zhuǎn)變形而失穩(wěn)破壞,而鋼支撐僅能承受壓力而不能承受拉力,其作為基坑第1道支撐時(shí)則無(wú)力阻止這種情況發(fā)生,這說(shuō)明了目前深基坑第1道支撐普遍采用鋼筋混凝土支撐的優(yōu)越性。