影响深基坑围护墙内支撑系统因素的状况分析

邱明明，姜安龙，程建红

(1.陕西铁路工程职业技术学院，714000，陕西，渭南；2.厦门轨道交通集团有限公司，361001，福建，厦门)

影响深基坑围护墙内支撑系统因素的状况分析

邱明明1，姜安龙2，程建红1

(1.陕西铁路工程职业技术学院，714000，陕西，渭南；2.厦门轨道交通集团有限公司，361001，福建，厦门)

在深基坑开挖过程中，内支撑对稳定基坑及控制基坑变形有重要意义。以某深基坑工程为研究背景，借助数值模拟方法建立了基坑开挖力学模型，考虑内支撑截面、支撑作用点位置、支撑作用点形式和支撑刚度四个影响因素，对内支撑对围护结构内力及变形的影响进行了探讨。分析结果表明：钢支撑截面的选择应视情况而定，且支撑长度不宜大于25 m；支撑位置的设置对支护结构受力及变形有较大影响，在基坑设计中应当予以重视；改进的内支撑作用点形式对改善基坑受力、控制基坑变形有积极作用；通过增加内支撑刚度的方式以减小基坑变形不是最有效的方法；研究成果可为工程实践及理论研究提供参考。

深基坑；围护结构；内支撑；比较分析

1 工程背景

1.1工程概况

某城市地铁车站基坑工程，车站总长467.2 m，总宽18.2～23.1 m，站台中心处开挖深度约15.51 m，覆土约2.5 m。场地周边均为菜地和水塘，最近的居民楼在基坑深度3倍距离以外，对施工的干扰较小。标段场区内市政管线相对较多，均分布在既有道路两侧。

1.2工程水文地质概况

场地地下水类型可分为上层滞水、松散岩类孔隙水、红色碎屑岩类裂隙孔隙水。基坑开挖深度范围内地下水主要为赋存于砂砾层中的孔隙潜水，水位变化主要由雨水和江水补给，地下水位位于地表以下4 m处。各土层的力学参数详见表1。

表1 各土层的物理力学参数

1.3支护结构设计

车站采用明挖顺筑法施工主体结构，支护结构采用Φ1 000 mm@1 200 mm钻孔灌注桩+Φ850 mm@600 mm的三轴搅拌桩止水帷幕，钻孔桩与搅拌桩间隙采用压密注浆加强止水。基坑内沿竖向共设3道支撑，分别位于距桩顶0.50 m、6.00 m、11.00 m，其中第1道为800 mm×1 000 mm的钢筋混凝土支撑，砼支撑水平间距为9.0 m，砼支撑间采用800 mm×600 mm的砼联系梁连接，第2、第3道采用Φ609 mm(t=16 mm)钢管支撑，支撑水平间距为3.0 m。

2 施工过程数值模拟

2.1计算模型的建立

深基坑开挖的影响范围取决于基坑开挖的平面形状、开挖深度和土质条件等因素。基坑开挖深度16.1 m，桩长23.00 m，基坑宽度17.70 m，考虑模型的对称性取一半模型进行计算，建立了60 m×35 m(宽×深)的平面应变几何模型，有限元网格基于15节点单元，计算网格共970个单元，8 144个节点。模型的左右边界采用法向约束，底边采取固端约束，如图1所示。

图1 计算模型

2.2本构模型与计算参数

在模拟计算中，土体材料采用莫尔-库仑本构模型(Mohr-Coulomb)；围护桩墙、内支撑等采用弹性本构模型。土体材料参数按表1取值，结构材料参数按表2取值。

2.3施工方案

根据基坑施工的特点，分步开挖与支护过程模拟如下：建立数值计算模型，定义材料参数；施加重力荷载，模拟初应力状态；施作基坑围护结构，开挖至地表以下2.0 m，添加第1道支撑；开挖至地表以下8.0 m，添加第2道支撑；开挖至地表以下13.0 m，添加第3道支撑；开挖至坑底16.1 m，并分步进行计算。

表2 结构材料参数

3 影响分析

深基坑工程中的支护结构一般有2种形式，分别为围护墙结合内支撑系统的形式和围护墙结合锚杆的形式[1-2]。作用在围护墙上的水土压力可以由内支撑有效的传递或平衡，也可以由坑外设置的土层锚杆平衡。内支撑可以直接平衡两端围护墙上所受的侧压力，构造简单，受力明确[3-5]。特别对于软土地区大深度基坑工程，内支撑系统具有无需占有基坑外侧地下空间资源、可提高整个围护体系的整体强度和刚度以及可有效控制基坑变形的特点而得到了大量的应用[6-9]。

在内支撑设计中，一般要从强度和刚度2个方面考虑，而截面形式、支撑作用点位置、支撑作用点形式及支撑刚度等对基坑围护结构受力及变形有重要影响，下面将予以分别讨论。

3.1支撑截面形式

深基坑内支撑按其材料一般可分为钢筋混凝土支撑和钢支撑两大类。钢支撑是工厂生产的规格化现成材料，施工时可根据基坑受力大小和长度要求可以直接选用，且材料自身重量轻、强度高、稳定性好、施工速度快，并可以施加预应力以合理控制基坑变形，因此被广泛采用于支撑构件中[1]。

钢支撑一般选用钢管和H型钢，或者采用其它型钢的组合形式，见图2。支撑结构上主要作受围护桩墙传来的水、土压力和坑外地表荷载所产生的水平侧压力，因此支撑一般按照轴向受压构件来进行设计计算，见图3。支撑容许压力计算式如下[10]：

N≤φA[σ]

(1)

式中：N为压杆所受的轴向压力；φ为压杆稳定因素；A为横截面面积。

支撑在受压荷载条件下，压缩变形按公式(2)进行计算：

△li=NL/EA

(2)

式中：N为压杆所受的轴向压力；L为压杆计算长度；E为弹性模量；A为横截面面积。

图2 钢支撑截面形式

图3 支撑计算简图

通常基坑内支撑以选取Φ=609 mm，t=16 mm的钢管居多，然而选取这种规格的型钢是否是最经济、合理的，下面将选取几种常用的钢管和H型钢进行对比分析。钢材类型为Q235，容许应力[σ]=170 MPa，根据式(2)、式(3)计算支撑杆长分别为18 m、20 m、25 m情况下的容许压力及在轴力N=2 500 kN条件下的变形，计算结果见表3。

由表3可以得出：

1)在相同条件下，惯性半径i值越大，压杆稳定因素φ越大，对容许压力越有利；

2)对于钢管支撑，g和j、h和k、i和l对比可得，在壁厚相同情况下，采用管径较小的钢管与采用管径较大的钢管抵抗压力和变形的效果相差不大；

3)对于截面面积相差不大情况下，可优先考虑选用H型钢，稳定因素大、容许压力大、变形较小；

4)支撑杆件的长细比应不宜大于75，长度不宜大于25 m；

5)对于高宽比较小的H型钢，建议不要采用；

6)当支撑长度增加时，支撑容许压力减小，变形增加，因此适当减小支撑长度可提高压杆稳定因素φ和容许压力，且可减小杆件压缩变形。建议在横撑节点处加斜撑形成八字撑，以减小支撑长度，能有效增加横撑节点处的刚度，提高横撑承载能力、稳定性及各项力学指标，见图4。

表3 计算结果对比

图4 八字撑计算简图

3.2支撑作用点位置

在基坑内支撑设计中，支撑作用点的合理布置不仅可以改变结构的约束条件，还可以改善结构的受力状况。基于此，对本工程中第2道钢支撑作用点位置下移0.5 m进行对比分析，计算结果见图5、表4。

由图5可看出，改变支撑位置前围护桩最大水平位移为21.4 mm，位置在11.0 m；改变支撑位置后围护桩最大水平位移为21.8 mm，位置在10.5 m。支撑位置改变前后最大水平位移值有所增加，且发生位置也略有上移。由表4可得，支撑位置改变后，支护结构内力均发生不同程度的变化，第1支撑轴力增加了21.78%，第2道支撑轴力减小了8.42%，桩身弯矩增大了1%。

由此说明，支撑位置的改变对支护结构受力及变形是比较敏感的，在基坑支护结构设计时，支撑位置的设置，除了考虑施工空间外，还应当考虑对基坑支护结构内力及变形的影响。

图5 支撑位置对围护桩水平位移的影响

表4 支撑位置对支护结构内力的影响

3.3支撑作用点形式

基于上节的讨论，对本工程中第3道内支撑与围护墙作用点接触形式进行改进处理，改进后的计算简图如图6所示。根据图6建立基坑开挖数值计算模型，进一步对基坑施工过程中支护结构的受力及变形进行对比分析，计算结果见图7、表5。

由图7可得，改变前围护桩最大变形为21.4 mm，位置在11.0 m；采用方式1，围护桩最大变形为9.9 mm，位置在13.0 m；采用方式2，围护桩最大变形为9.8 mm，位置在13.0 m。改变支撑作用形式后的桩身变形减小了1倍，且最大变形位置下移了2 m。由表5可得，改变支撑作用形式后的第3道支撑轴力增加了2倍，而桩身最大剪力及弯矩均相应的减小了20%～40%。

根据上述说明，内支撑作用点形式对基坑支护结构内力及变形影响较大，从受力的角度对图6中的三种形式对比可知，图6(b)和图6(c)相对于图6(a)而言，其实质是不仅改变了内支撑作用点的位置，还改变了内支撑作用点的数量，进而使得支护结构的约束条件及受力状况均发生改变。因此，内支撑作用点形式对改善基坑受力、有效控制基坑变形有积极作用，在基坑支护结构设计中应当受到重视，且需要合理设计。

图6 改进的支撑点作用形式

图7 支撑作用点形式对围护桩水平位移的影响

3.4支撑刚度

对本工程中第3道钢支撑的刚度改变为0.5EA、2EA、4EA进行对比分析，计算结果见图8、表6。

由图8可得，各支撑刚度对应的围护桩最大变形依次为22.1 mm 、21.4 mm 、20.9 mm 、20.6 mm，由此可以看出，随着支撑刚度的增加，围护桩水平位移最大值有所减小，但位移变化量不大。由表6可得，第3道支撑刚度改变后，除第3道支撑轴力有较明显的变化外，其它各支撑轴力及桩身内力均变化不大。因此，通过增加内支撑刚度来保证基坑稳定和控制基坑变形并不是最有效的方法。

表5 支撑作用点形式对支护结构内力的影响

图8 支撑刚度对围护桩水平位移的影响

4 结论及建议

文章以某深基坑工程为研究背景，借助数值模拟方法建立了基坑开挖力学模型，对内支撑对围护结构内力及变形的影响进行了分析，主要得出以下几点结论及建议。

1)通常选用Φ=609mm，t=16mm的钢管作为基坑内支撑并不一定是最优的，在具体工程中，应当综合考虑安全、经济、施工的因素，合理选取内支撑截面形式和支撑长度，必要情况下需做优化分析，以充分发挥内支撑的作用，确保基坑稳定。

2)支撑位置的改变对支护结构受力及变形是比较敏感的，应综合考虑各影响因素，合理进行设计。

表6 支撑刚度对支护结构内力的影响

3)内支撑作用点形式对改善基坑受力、控制基坑变形有积极作用，在基坑支护结构设计中应当受到重视。

4)支撑刚度对改善基坑受力及变形影响不大，通过增加内支撑的刚度以求减小基坑变形不是最有效的方法。

但也可以看出，对钢支撑截面类型的选用及支撑作用点形式还需在后期的工程实践中进一步探索、完善。

[1] 刘国彬,王卫东.基坑工程手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2009:147-182.

[2]JGJ120-2012.建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[3]许海勇,陈龙珠,刘全林.桩锚支护结构水平位移的简化算法[J].岩土力学,2013,34(8):2324-2328.

[4]邱明明,姜安龙,李波.单支点排桩围护结构土压力零点位置的分析[J].南昌航空大学学报,2012,26(2):101-105.

[5]芦友明,姜安龙,邱明明.考虑施工过程的等值梁法在基坑设计中的应用[J].江西理工大学学报,2012,33(5): 39-43.

[6]秦景,路威,高霈生,等.滨海软土区深基坑支护结构设计及变形分析[J].地下空间与工程学报,2013,9(5):1115-1120.

[7]侯玉杰,冯晓腊,莫云,等.天津高银中央商务区基坑工程内支撑体系受力及变形特征分析[J].工程勘察,2013(11):15-20.

[8]姜安龙,邱明明,吴彬,等.深基坑开挖支护变形规律及控制措施研究[J].施工技术,2013,42(1):59-64.

[9]杨金华,夏元友,刘毅,等.狭长土岩基坑支护桩受力特点分析[J].武汉理工大学学报,2013,35(10):96-100.

[10]孙训方.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2007:294-310.

AnalysisonInfluenceFactorsConditionofInternalBracingSystemofRetainingWallofDeepFoundation

QIU Mingming1,JIANG Anlong2,CHENG Jianhong1

(1.Shanxi Railway Vocational Institute,714000,Weinan,Shanxi,PRC;2.Xiamen Rail Transit Group Limited Corporation,361001,Xiamen,Fujian,PRC)

In the process of deep foundation pit excavation,the internal bracing for stable foundation pit and control deformation of foundation pit had significance influence.On the basis of the case study of the foundation pit,adopting the numerical simulation method to establish mechanical model of foundation pit excavation.The retaining structure internal force and deformation were discussed consideration support section,support position,support point form and support stiffness.The analysis results indicate that we should be selected reasonable steel support section,and the supporting length should not be greater than 25 m.Setting reasonable support position for the force and deformation of retaining structure had significance influence,and we should attach importance to it in foundation pit design.The improved internal bracing for improve force and control deformation had positive effect.By increasing the support stiffness in order to reduce the deformation of foundation pit wasn′t the most effective method.The conclusion could be referenced for engineering practice and theory research.

deep foundation pit;retaining structure;internal bracing;comparative analysis

2014-07-14;

2014-09-05

邱明明(1985-)，男，陕西丹凤人，硕士，助教，研究方向：岩土工程、隧道及地下工程。

陕西铁路工程职业技术学院科研基金项目(编号：2013-33)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.022

TU432

A

1001-3679(2014)05-0679-06