交叉异型深基坑支护体系受力分析

冯 涛

(西北电力建设第四工程公司,陕西西安 710038)

交叉异型深基坑支护体系受力分析

冯 涛

(西北电力建设第四工程公司,陕西西安 710038)

以长春某地铁车站深基坑为例,利用MADIS.GTS数值分析软件,按照深基坑不同支护方案,对基坑支护体系受力进行模拟计算,提取支撑内力的计算结果并进行分析,得出支撑轴力随着支撑的预加轴力增大而减小;随着支撑层数的增加,下部支撑的轴力逐渐消散,并对结果进行相互对比分析,结果表明支撑的轴力值随着钢支撑预加应力和支撑纵向道数增加而降低,但降低幅度越来越小。

深基坑支护;预应力;轴力;数值模拟

0 前 言

交叉异型深基坑不同于一般深基坑,它不但具有明显的三维空间尺度,而且其呈现出复杂的应力应变状态,在交叉异型处都会出现一个或多个阳角,这为基坑开挖过程中的支护设置增加了难度,通常这些部位一般都处于裸空状态,致使阳角截面处产生大集中应力和大应变。在深基坑的施工过程中,由于开挖深度较深,侧向土压力较大,导致基坑侧沿土体向基坑内侧位移累积量也较严重[1]。尤其在异型深基坑施工过程中,由于异型截面处的应力应变状态较为复杂,很容易出现围护结构大变形,所以选择合理的支护体系对深基坑进行支护,是非常有必要的。

目前,围护结构常采用地下连续墙或围护桩进行基坑围护,其中围护桩结构一般配合作为止水帷幕的旋喷桩共同对深基坑进行围护[2]。支护结构有两大类:一类为钢管支撑;另一类为混凝土梁支撑。两者各有优缺点,钢管支撑自重轻,易于拆卸;混凝土梁自重大,但是整体刚度强。鉴于各中支护体系的优缺点,如何针对不同施工环境选择合理的支护体系,已成为当前基坑支护的核心问题之一[3]。工程实例采用围护桩作为围护体系,钢支撑作为支护体系,对该交叉异型深基坑进行支护,结合该工程实例分析研究支护体系在不同支护体系下的力学反应,为类似工程的支撑体系设计提供参考。

1 工程概况

该基坑由轻轨基坑和地铁基坑两部分组成,轻轨站基坑长205.8 m,宽20.8 m,基坑最深处的深度为29.1 m;地铁站基坑长143.4 m,宽为20.5 m,基坑最深处的深度为20.5m。两基坑呈62.71°的交角交叉存在。地下水位深度约-10 m。

围护结构采用桩径1 000 mm的围护桩,桩顶设1 100 mm×800 mm的冠梁;高压旋喷桩起止水帷幕的作用,旋喷桩桩径600 mm。

基坑内采用钢管支撑,轻轨基坑内设两道钢支撑,地铁基坑内设三道钢支撑。钢管支撑Φ 609壁厚16 mm。基坑拐角处设置内斜撑,其余部位都为内直撑。基坑平面支撑布置见图1。

图1 基坑平面支撑布置图

土层共分为四层,表1为地质勘察实验得到各土层物理力学指标。

表1 土层主要物理力学性质指标

基坑施工按照纵向分层开挖,各施工工况简图如图2所示。

2 数值模拟分析

MADIS.GTS是包含施工阶段的应力分析和渗透分析等岩土和隧道所需的几乎所有分析功能的通用分析软件,其特点主要为具有强大智能的自动网格划分功能,快速准确的有限元求解,高级映射网格划分和大模型的快速显示及优效化处理等。主要适用领域包括:高层建筑深基坑的应力应变和稳定性分析,复杂地层的稳定流分析,T型/y型隧道结合部、陡坡、竖井-横井-主隧道结合部分析等等。

图2 交叉异型处地铁基坑支撑施工工序图

图3 开挖部分已钝化的有限元网格

2.1 模型参数选取

土体本构关系采用邓肯-张模型,各力学参数如表1所示,因为本文分析的重点为支护结构的内力特征,所以选择土体的卸载模量,根据地质勘察报告,可近似取为弹性模量的1.6倍。预加轴力按照第一层支撑预应力为50kN,第二层钢支撑预应力为70 kN,第三、四层钢支撑预应力均为90 kN进行施加。

2.2 利用“激活-钝化”功能进行仿真模拟开挖

为了仿真模拟基坑开挖过程,本文在模拟开挖中采用了MAIDA.GTS中的“激活-钝化”功能,“钝化”就相当于给选中单元乘以一个足够小的数,使其刚度、质量及约束条件等同时失去效用而不对周围单元产生作用。

在模拟开挖过程中,定义施工阶段时,需要开挖的土体设置在钝化栏,对应支撑设置在激活栏,依次设置每步开挖和对应支撑架设便可模拟基坑开挖全过程。

“激活”便是“钝化”功能的逆过程。建模时,将支撑体系设置为桁架式结构,并对其赋予桁架属性,同时按照桁架结构的网格划分结果对其施加对应预应力,最后定义施工阶段顺序,进行施工阶段分析。通过分步钝化开挖土层,激活围护结构和支护结构,可以方便地模拟实施基坑开挖过程,从而计算、提取出支护结构在不同施工工序下的轴力值。

仿真模拟数值分析流程见图4。

图4 数值分析流程示意图

2.3 支撑预应力模拟分析

在上述工程实例中,各道钢支撑的预应力值不等fi(i=1,2,3)。在分析研究中,以实际预应力为基准,分别取实际预应力的0.5倍、1倍、1.5倍的设计无量纲预应力假定值进行模拟分析在架设最底层支撑后,可得整个基坑产生最大变形附近各层钢支撑内力见表2。

表2 不同预加应力条件下支撑轴力值

对比钢支撑预应力各变为原来1/2和1.5倍时的各层钢支撑轴力值,预应力降低为原来一半,各层支撑轴力将大量增长;当各层支撑预应力增加为原来的1.5倍,相应轴力控制效果有限。当支撑的预加轴力过小时,侧向土压力的积累总量分担给支撑的后期荷载将增加,导致支撑轴力大幅度提高[4]。当支撑预加轴力过大时,过大轴力会提前约束土体的横向变形,使其较早发生塑性变形,同时伴随着土体塑性变形的发生[5],土体弹性模量提高,稳定状态的平衡力也逐渐收敛。

2.4 钢支撑纵向层数的模拟分析

在实际工程中,两部分基坑的钢支撑层数分别为地铁基坑3层,轻轨基坑2层。下面将以实际工况为标准,分别采用地铁基坑设置2、3、4层钢支撑,轻轨基坑分别设置1、2、3层钢支撑进行模拟分析对比。

首先,按照不同基坑的纵向支撑层数组合,得到I～IX共九种预案,罗列于表3所示。

表3 钢支撑纵向层数设计

然后按照上表的不同支撑预案设计,分别针对性地建立数值分析模型,计算在不同支撑组合条件下,每道支撑的轴力值。数值模拟方案V计算结果见图5。

图5 方案V下分层开挖基坑数值分析轴力计算云图

经数值分析计算,得出不同方案下各道支撑的轴力值如表4所示。

由表4可以看出,各基坑区段的钢支撑层数增加,可以有效地分散各层支撑的轴力值。当地铁基坑区段设置3层钢支撑时,轻轨基坑区段钢支撑层数由1层增加到3层,轴力分散效果不明显,最大分散差值为400 kN,主要由于地铁基坑在该交叉异型基坑中较深,对其支护得当,在一定程度上可以控制该基坑整体应力的发展;当轻轨基坑区段设置2道钢支撑时,地铁区段支撑层数由2层增加至4层,轴力分散最大差值发生在设置2层过度到设置3层之间,最大分散差值位于轻轨基坑的最底层支撑,其值为1 070 kN,主要由于轻轨基坑深度较浅,基坑开挖过程中,侧 向土压力在基坑底部附近积累达到最大值。

表4 不同设计方案下支撑内力值

同时,在轻轨基坑支撑层数既定的条件上,随着地铁基坑的纵向层数的增加,其下部支撑轴力程渐减趋势发展;在地铁基坑支撑层数既定的条件下,随着轻轨基坑的纵向层数增加,地铁基坑的各层支撑轴力差值也逐渐减小。这表明,增加基坑支撑层数会导致上部支撑轴力逐渐增大,下部支撑轴力逐渐减小的现象产生;同时支撑轴力的消散效应也随基坑层数的增加而逐渐明显[6]。

由此可见,本文工程实例较合理的钢支撑应为地铁基坑设置三层,轻轨基坑设置两层。这样既能保证工程施工安全,又能节约费用,社会经济效益显著。

3 结 论

本文通过对交叉异型深基坑的数值模拟,分析了不同支护方案和不同预加应力条件下的钢支撑的受力情况,得到以下结论:

(1)钢支撑在受力时,对其轴力值起主导作用的不但有基坑外沿的侧向土压力,同时起作用的还包括钢支撑的自身物理指标和支护体系的布设方式等。支撑轴力随侧向土压力增大而增大,随支撑刚度增大而减小。

(2)由于基坑开挖的时间效应,随基坑开挖深度的加大,各层钢支撑轴力增大,但增长速率逐渐降低,最终土体、围护结构和支撑达到受力平衡,轴力值将维持在一定值上下波动。

(3)下部支撑的架设和预加轴力会使上部支撑的轴力发生变化。一般情况下,下部支撑架设可导致上部支撑轴力消散,即下部支撑作用有取代上部一部分支撑作用的趋势,如果对下部支撑预加轴力过大,上部支撑的轴力则会出现明显的回弹现象。

(4)由于交叉异型深基坑异型截面的特性,使得其上部空间无法进行及时有效的支撑,侧向土压力无法得到有效平衡,进而导致位于该区段内各层钢支撑的轴力发展均较快。所以在交叉异型部位改变钢支撑的纵向层数,可以有效地控制支撑轴力的最大值。

[1]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[2]高文华,杨林德,沈蒲生.软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J].土木工程学报,2001,34(5):90-96.

[3]莫承锴.以工程实例谈基坑支护结构设计与检测[J].科技创新导报,2009,(6):33-36.

[4]杨学强,刘祖德,何世秀.深基坑支护杆系有限元分析[J].湖北工学院学报,2000,15(2):17-20.

[5]Andrew J W,SCEA M A,Youssef M A H,et al.Analyses of deep excavation in Boston[J].Journal of Geotechoical Engineering,1993,119(1):69-90.

[6]陶文慧,王国标,杨宏丽,等.深基坑开挖与不同支护方案的优选[J].土工基础,2006,20(5):18-24.

Analysis on Stress of Support System of Cross-heterogeneous Deep Foundation Pit

FENG Tao
(Fourth Engineering Corporation of Northwest Electric Power Construction,Xi'an,Shaanxi710038,China)

Taking the deep foundation pit of a subway station in Changchun for example,the stress of its support system is simulated and calculated under different support schemes by using the numerical analysis software MIDAS.GTS.The calculation results of support inner force are extracted,it isobtained through observing and analyzing that the support axial force would be decreasedwith the increase of pre-axial force,and the support axial force in bottom would be dissipated with the increase of support layers.Then it isobtained through comparing and analyzing that the support axial force would be reduced with the increase pre-stressing and longitudinal support number,but the reducing margin would be getting smaller and smaller.

bracing of deep foundation pit;pre-stressing;axial force;numerical simulation

TV551.4

A

1672—1144(2012)05—0091—05

2012-03-19

2012-05-15

冯 涛(1985—),男(汉族),陕西渭南人,主要从事土木工程施工管理工作。