基于位移控制的装配式预应力鱼腹梁深基坑应用研究*

郭 亮 胡卸文 钱德良 巫锡勇

GUO Liang① HU Xiewen① QIAN Deliang② WU Xiyong①



基于位移控制的装配式预应力鱼腹梁深基坑应用研究*

郭 亮①胡卸文①钱德良②巫锡勇①

基于基坑实测数据，从预应力控制、变形控制和刚度控制3个方面研究装配式预应力鱼腹梁支撑体系(IPS)的工作机理及环境影响程度。结果表明：相比于传统内支撑，IPS作用时施加于围护结构上的预应力在基坑开挖前充分激发被动土压力，使围护结构向坑外变形从而大幅制约向内位移，实测数据显示围护结构整体深层位移小于10mm； 同时，IPS以施加预应力提高体系表观刚度的方式限制基坑周边变形，实测地表沉降量均未超过18mm，降低基坑开挖对环境的影响程度； 另外，针对传统内支撑应力集中缺陷，IPS通过支撑体系全跨度反作用力予以克服，显示出IPS在深基坑工程中较为广阔的应用前景。

预应力鱼腹梁 深基坑 环境影响 位移控制 刚度控制

GUO Liang①HU Xiewen①QIAN Deliang②WU Xiyong①

0 引 言

深基坑施工引发的环境效应一直为岩土工程专家学者们关注与研究的热点课题。近年来，城市地下工程施工对周边环境影响的控制标准日趋严格，尤其对基坑位移控制的要求越来越高(Darcy， 1966； Kishnani et al.，1993; 赵锡宏等， 1999)。

装配式预应力鱼腹梁支撑系统(简称IPS)通过于基坑开挖前施加预应力，并以预应力充分激发被动土压力，顺利实现大幅限制围护结构位移、降低基坑工程环境影响的目标。近年来在我国基坑工程中被推广应用并取得一系列显著成效(潘平等， 2011； 刘发前等， 2013； 戴忠华， 2014; 李建清， 2014； 周善荣， 2014； 张会新， 2015)。本文从预应力控制、变形控制和刚度控制3方面出发解析基坑施工全程装配式预应力鱼腹梁支撑体系的工作机理，基于实测数据分析围护结构整体深层位移及地表沉降量，对比研究了装配式预应力鱼腹梁支护体系与传统支护体系对基坑开挖的环境影响程度，研究结果以期为类似工程施工提供相应参考。

1 预应力鱼腹梁体系结构与机理

1.1 体系结构

装配式预应力鱼腹梁支撑系统(简称IPS)，是应用预应力原理开发出的一种深基坑内支撑系统(刘全林等， 2014; 周冠男， 2014)，通过对鱼腹梁弦上的钢绞线施加预应力，形成了大跨度的围檩结构，经与角撑、对撑和三角形连接点组合，形成可回收的大空间平面预应力支撑系统(图1)。

图1 装配式预应力鱼腹梁支撑系统

1.2 工作机理

1.2.1 预应力控制机理

传统混凝土支撑控制基坑变形本质上是通过增加内支撑刚度来控制基坑变形，而IPS主要是对鱼腹梁下弦钢绞线施加较大预应力进行调节，使鱼腹梁整个跨度均匀地向坑外变形，作用方式与传统内支撑对比(图2)。

图2 传统支撑与IPS作用方式对比

1.2.2 变形控制机理

基坑在安装IPS钢支撑之后，施加支撑预应力F，围护桩产生向基坑外的变形S1(图3a)，同时激发被动土压力P0，随土体开挖，围护桩向坑内变形，其外侧的被动土压力P0逐渐减小，主动土压力Ea逐渐增大，待基坑开挖至坑底时，基坑位移为S2(图3b)，则围护桩的最终位移ΔS=S1-S2，即围护桩IPS钢支撑在围护桩开挖前施加预应力使其发生向坑外位移，确保基坑位移能够得到有效控制。

图3 不同施工阶段基坑围护桩变形图

1.2.3 刚度控制机理

刚度(k)：弹性体抵抗变形的能力(刘鸿文， 2011)，即引起单位位移所需要的力。

Q345钢结构刚度：

(1)

C30砼结构刚度：

(2)

则：

(3)

传统钢支撑一般依靠大刚度控制基坑变形，在同等条件下Q345钢结构刚度仅为C30砼结构刚度的1/3，抵抗变形的能力远远低于砼支撑。但是，结合若干IPS工程实例可知，通过施加预应力的IPS钢支撑抵抗变形的能力优于砼支撑，受力形式如图4 所示。由定义公式(刘鸿文， 2011)：

(4)

当P一定时，δ越小，k越大，即kips>>k钢，由此可知同样压力作用下，通过对钢绞线施加预应力，使IPS钢支撑的变形小于砼支撑，从而提高IPS钢支撑的表观刚度。

图4 IPS支撑与传统支撑位移随土压力变化示意图

2 工程实例

2.1 工程概况

某深基坑工程位于江苏省泰州市高新区会展路西侧、曙光路北侧地块。本工程由主楼、裙楼及地库组成，其中主楼高97.1m(23层)，裙楼高25.0m(6层)，采用框架结构，主、裙楼均有2层地下室，采用桩基础。基坑开挖总面积为11700m2，开挖深度为9.0～9.6m。

2.2 水文地质条件

基坑开挖深度范围内主要由①表土、②粉砂夹粉土、③粉细砂及④粉砂组成，土层力学性质指标(表1)。

表1 土层参数指标

Table1 The parameters of soil

土层名称层厚H/m弹性模量E/MPa泊松比μ重度γ/kN·m-3渗透系数k/cm·s-1直剪固快指标黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)①表土0.934.670.3518.03.0e-0310.05.0②粉砂夹粉土6.511.920.3118.96.9e-033.729.5③粉细砂18.19.220.2519.07.8e-033.032.0④粉砂4.912.010.2018.77.3e-034.032.0

工程场地地下水主要为潜水，通过大气降水补给，以蒸发方式排泄，并随大气降水、季节变化和长江水位的涨落有所升降，泰州城区历史最高洪水位4.91m，最低水位1.20m，一般水位1.89m。

2.3 基坑周边环境条件

基坑北侧：距基坑边线约20m处为已建公寓楼； 一层地下车库距基坑外边线最近距离约2.0m，深约5.5m的一层地下车库紧邻公寓楼。

基坑南侧：紧邻曙光路，地下市政管线已清除； 西南角有一西南方向小桥。

基坑西侧：距基坑外边线约0.5m处为南北方向河流，河宽约18.0m，深约5.0m。

基坑东侧：紧邻会展之路，地下埋有雨水管，市政管线已清除； 东北角为不可转移深井。

2.4 IPS支撑体系

如图5 所示，采用压灌桩与分离式水泥土搅拌桩咬合形式作竖向围护结构兼作止水帷幕； 水平支撑，东、西、北侧三边均采用两道IPS钢支撑和一道预应力锚索，南侧一边采用三道预应力锚索。

图5 IPS支撑体系平面布置图

3 实测结果分析

3.1 工效分析

第一、二道支撑混凝土支撑和预应力鱼腹梁钢支撑有效工作时间(表2)。由表2知，混凝土支撑的有效工作时间为31d，预应力鱼腹梁钢支撑的有效工作时间为46d，前者约为后者的67%，而整个基坑中混凝土支撑的工程量仅为钢支撑的30%，就施工工期而言，预应力鱼腹梁钢支撑比同等条件下混凝土支撑节省Δ=1-46/(31/30%)=55.5%。同时，混凝土支撑拆除后需占用场地进行破碎，时间和成本均较大，而鱼腹梁拆除后直接分类退场，且可重复利用，从时间和经济角度看，均有较好效益。

表2 各支撑有效作业时间

3.2 支撑轴力分析

预应力鱼腹梁支撑轴力采用安装在支撑表面的应变计或集中轴力计所形成的全自动连续监测系统量测(图6)，依据监测结果进行预警和支撑内力调整，从而控制基坑位移。

图6 鱼腹梁钢支撑轴力监测系统

图7 支撑轴力变化曲线图

ZC1～ZC4各测点支撑轴力随工况变化曲线如图7 所示。由图7 可知，预应力的施加使支撑轴力逐渐增大，施加完毕后支撑轴力略有上升，逐渐平缓。ZC1支撑轴力由预应力施加前的260kN增至施加后的1700kN，因土体开挖缓慢增涨至1950kN，可知施加预应力之后，土压力仅增涨14.7%叠加于鱼腹梁支撑，原因在于施加的预应力值是按照土压力作用后的计算值与影响区域乘积所施加，不会因施加预应力而产生大幅增量。

3.3 地表竖向位移分析

地表竖向位移的监测采用φ12mm的膨胀螺栓作为标志(图8)。竖向位移累计值=上次竖向位移累计值+本次竖向位移累计值=上次竖向位移累计值+(本次高程-上次高程)。

图8 地表竖向位移监测点示意图

图9为周边地表竖向位移(D1～D4测点)随基坑施工工况的变化曲线。

图9 基坑周边地表竖向位移曲线图

由图9知，D1～D4各点竖向位移在第一道支撑施工前变化较小，仅为1mm； 随着基坑的开挖，各点竖向位移变化速率逐渐增加，直至基坑底板浇筑； 待底板浇筑完成后，竖向变化速率明显减小，沉降累计量基本保持不变，最大位移仅为17.6mm，远小于规范所要求的5%H(H为基坑开挖深度)。从图可知，周边地表沉降可分3个阶段：(1)沉降速率不断增加阶段； (2)沉降速率递减阶段； (3)沉降趋于稳定阶段。

由此可见，鱼腹梁支撑系统以施加预应力从而提高体系表观刚度的方式最大程度限制基坑周边变形，实测地表沉降量均未超过18mm，有效降低基坑开挖引发的环境问题。

图10 围护桩深层位移随工况变化曲线

3.4 围护桩深层位移分析

围护桩深层位移采用的活动式测斜仪进行。将测斜仪的导向轮沿测斜管导向滑槽放入管中，直至管底。每隔一定距离L(500mm)向上拉线并读出测斜仪所在位置测管的倾斜度为θi，则水平位移ΔS=∑L×sinθi。

图10为基坑开挖过程中围护桩深层位移随施工工况变化曲线图。由图知，基坑开挖前且未施加预应力，土体位移为0mm； 第一道支撑预应力的施加，最大程度的激发了坑外被动土压力，围护桩产生坑外负位移-7.0mm； 随着基坑开挖，桩顶负位移逐渐减小至-3.8mm，分析原因主要是由于土体开挖过程中，被动土压力逐渐向主动土压力转化，当主动土压力大于被动土压力时，支撑将会被压缩，从而产生向坑内的正位移。第二道支撑预应力的施加，在一定程度上使坑内位移减小，桩顶负位移有所增加。基坑开挖至坑底时，桩顶位移仅为0.5mm，坑内最大位移为10.0mm，位于坑底附近。

相比于传统内支撑，预应力鱼腹梁支撑体系作用下，被动土压力于开挖前已被施加于围护结构上的预应力充分激发，使得围护结构往坑外变形，开挖后向内位移得以大幅限制。

4 结 论

装配式预应力鱼腹梁支撑系统通过于基坑开挖前施加预应力，并以预应力充分激发被动土压力顺利实现大幅限制围护结构位移、降低基坑工程环境影响的目标。本文从预应力控制、变形控制和刚度控制方面研究装配式预应力鱼腹梁支撑体系的工作机理及环境影响程度，经研究得出以下主要结论：

(1)预应力鱼腹梁钢支撑施工工期比同等条件下混凝土支撑工期节省约55.5%，且重复利用性强，具有良好经济效益。

(2)相比于传统内支撑，预应力鱼腹梁支撑体系作用时施加于围护结构的预应力在基坑开挖前充分激发被动土压力，使围护结构向坑外变形从而大幅制约向内位移，围护结构整体深层位移被控制在10mm以内。

(3)小刚度组合的鱼腹梁支撑系统以施加预应力提高体系表观刚度的方式限制基坑周边变形，实测地表沉降量均未超过18mm，有效降低基坑开挖对环境的影响程度。

Dai Z H. 2014. Application of pre-stressed lenticular beam structure to foundation pit excavation support[J]. Building Construction，36(2)： 119～121．

Darcy H. 1966. Les Fontaines， Publiques de la Ville de Dijon： Exposition ET Application Des Principes A Suivre ET Des Formules A Employer Dans Les Questions De Distribution D’eau...[M]. Paris： Saraswati Press: 1～647．

Kishnani S，Borja R. 1993. Seepage and Soil-Structure Interaction Effects in Braced Excavation[J]. Journal of Geotechnical Engineering， 119(5)： 912～928．

Li J Q. 2014. The analysis and research on force mechanism and design method of per-stressed fish bellied beam[J]. Shanxi Architecture，40(18)： 91～93．

Liu F Q，Lu Y C. 2013. Advantages and disadvantages of assembled pre-stressed fish-belly beam inner-system[J]. Urban Roads Bridges & Flood Control，34(7)： 117～119．

Liu H W. 2011. Mechanics of Materials(fifth edition)[M]. Beijing： Higher Education Press．

Liu Q L，Zhao H Y，Chen W H，et al. 2014. QJ Foundation Pit fabricated steel support beams pre-stressed Lenticular application of technical regulations SQBJ/CT192～2014[S]． Shanghai: Application Standards of Shanghai Buiding Products enterprise.

Pan P，Fang Z C. 2011. Comprehensive application of IPS pre-stressed fish-bellied beam structure to deep foundation pit support[J]. Building Construction，33(4)： 268～269．

Zhang H X. 2015. Pre-stressed lenticular beam applied to soft soil deep foundation pit excavation support[J]. Building Construction，37(6)： 657～659．

Zhao X H，Gong J，Chen Z M. 1999. Design and practice on engineering projects of specially deep and big excavation in Shanghai[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，21(1)： 104～107．

Zhou G N. 2014. Application and research of innovative pre-stressed support system in special-shaped foundation excavation[J]. Construction Technology， 43(17)： 7～10．

Zhou S R. 2014. Prefabricated pre-stressed fish bellied beam steel support in the application of deep foundation pit[J]. Urbanism and Architecture，(10)： 82～83．

戴忠华. 2014. 预应力鱼腹式梁结构在基坑支护中的应用[J]. 建筑施工，36(2)： 119～121.

李建清. 2014. 预应力鱼腹梁受力机理及设计方法分析研究[J]. 山西建筑，40(18)： 91～93.

刘发前，卢永成. 2013. 装配式预应力鱼腹梁内支撑系统的利与弊[J]. 城市道路与防洪，34(7)： 117～119.

刘鸿文. 2011. 材料力学(第五版)[M]. 北京：高等教育出版社．

刘全林，赵海云，陈伟宏，等. 2014. QJ基坑围护装配式预应力鱼腹梁钢结构支撑应用技术规程SQBJ/CT192～2014[S]. 上海： 上海市建筑产品企业应用标准.

潘平，方章聪. 2011. IPS预应力鱼腹梁结构在深基坑支护中的综合应用[J]. 建筑施工，33(4)： 268～269.

张会新. 2015. 预应力鱼腹梁在软土深基坑支护中的应用[J]. 建筑施工，37(6)： 657～659.

赵锡宏，龚剑，陈志明. 1999. 上海的特深特大基坑工程设计与实践[J]. 岩土工程学报，21(1)： 104～107.

周冠男. 2014. 预应力鱼腹梁支撑体系在异形基坑中的应用与研究[J]. 施工技术，43(17)： 7～10.

周善荣. 2014. 装配式预应力鱼腹梁钢支撑在深基坑支护中的应用[J]. 城市建筑，(10)： 82～83.

JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 1022- 06

INNOVATIVE PRE-STRESSED AND PREFABRICATED SUPPORT FOR RETAINING STRUCTURE OF DEEP FOUNDATON PIT WITH DISPLACEMENT CONTROL

Based on the measured data of the foundation pit， the work mechanism and environmental effect of innovative pre-stressed and prefabricated support(IPS)for retaining structures are studied in three aspects. They include pre-stress control， deformation control and stiffness control. Results show that： Compared with the traditional support， the passive soil pressure is fully motivated by the pre-stress that applied to the retaining structure using IPS before excavation. And the measured data shows that the overall deep displacement of the retaining structure is less than 10mm. At the same time， the IPS is applied to limit the deformation of foundation pit by applying pre-stress to improve the apparent stiffness. Measured surface subsidence is not more than 18mm which show it reduces the impact of excavation on the environment effectively. In addition， aimed at the stress concentration defect of traditional internal support， the IPS overcomes it through the support system full span reaction. The IPS indicates wide application in deep excavation engineering.

Innovative Pre-Stressed Support(IPS)， Deep foundation， Environmental effect， Deformation control， Stiffness control

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.033

2016-05-31;

2016-08-17.

国家自然科学基金项目(41602290)资助.

郭亮(1982-)，男，博士，博士后，主要从事地下工程及边坡防治方面的研究. Email: guoliang688@126.com

TU443

A