基坑支护结构中超长混凝土板支撑的温度应力研究

2023-06-12徐冠玉陈俊生刘自兵谭宜玮

岩土工程技术 2023年3期

徐冠玉陈俊生刘自兵李伟谭宜玮

（1.中铁建工集团有限公司，广东广州 511400；2.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640；3.华南理工大学土木与交通学院亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640；4.华南岩土工程研究院，广东广州 510640）

0 引言

内支撑是基坑工程中的重要支护形式。现有研究表明，温度变化是影响基坑内支撑轴力的重要因素，温度应力能对基坑支护结构造成明显的影响，且当温差大于20℃时影响将显著增大[1]。因此，研究基坑内支撑的温度应力具有重要的实践意义。

关于基坑内支撑的温度应力和温差变形，金亚兵等[2]提出了采用弹性抗力法对单道支撑和多道支撑的温度应力简化计算方法；曲晶彤[3]分析了深基坑支护结构温度变化时支护结构和周边建筑物沉降变形规律，并提出相应的解决措施；王莹[4]使用ABAQUS 和MIDAS/GTS 软件，分析了某项目仅在温度作用下的内支撑体系变形情况，得出在温差较大时，温度变化会对大跨度的内支撑体系变形产生较大影响的结论；魏星星[5]采用ABAQUS 软件模拟计算了不同温差下单层支撑与多层支撑体系下基坑支撑轴力及地连墙水平位移；宋亮亮[6]采用平面有限元法模拟了基坑开挖以及开挖过程中支撑体系温度的变化，并进行了分析；甘朝锋[7]根据某基坑的实测成果，研究了温度应力对内支撑轴力、支护结构变形的影响规律；刘畅等[8]通过对软土地区某深大基坑监测数据的分析，研究了季节性温度变化对环梁支撑受力、围护结构位移及基坑周边环境的影响规律；成怡冲等[9]提出了计算地铁车站深基坑中多层水平支撑温度应力的实用计算方法。

当前，对于大型基坑的温度应力研究较为缺乏，为丰富相关研究成果，依托广州白云站综合交通枢纽基坑工程，对超长混凝土板支撑进行现场监测与模拟分析，研究温度变化对板支撑轴力以及围护结构位移的影响。

1 混凝土支撑轴力理论计算

1.1 传统轴力计算公式

传统的钢筋混凝土支撑轴力计算方法是使用钢筋应变计或混凝土应变计，测量出钢筋应力或混凝土应变,再通过钢筋与混凝土的共同工作条件反算出支撑轴力。

对于采用混凝土应变计的轴力计算，其计算公式如下：

对于采用钢筋应变计的轴力计算，其计算公式如下：

1.2 考虑弯矩影响的轴力计算公式

图1 为单跨混凝土支撑轴力方向的弯矩分布图，可以明显看出，当测点布置在a 点或c 点附近时，支撑梁上弯矩较大，测得轴力受弯矩影响较大；而测点布置于b 点处时，此处的弯矩很小，测得的轴力值能较好地反映实际轴力值。选择测点位置可减少弯矩对轴力计算的影响。

图1 单跨混凝土支撑弯矩分布图

考虑弯矩影响的修正轴力计算公式如下：

在混凝土开裂之前，轴力计算采用传统的轴力计算式

由于混凝土开裂以后，受拉区混凝土已经退出工作，此时的支撑轴力计算公式为

式中：h、b分别为支撑截面的高度和宽度；σ压为受压钢筋的应力均值；σ拉为受拉钢筋的应力均值。

可由ε拉值的大小来判断支撑梁截面的混凝土是否开裂：当 ε拉Ec＞ft时（ft为混凝土的抗拉强度设计值），混凝土已经产生裂缝；否则认为混凝土未产生裂缝。

1.3 考虑时间效应的轴力计算公式

混凝土的收缩与徐变持续时间较长，当支撑的存续时间大于一年时，收缩徐变所引起的轴力增量能达到检测值的33%～50%[10]。

混凝土由浇筑28 d 始发生的收缩应变发展系数为：

混凝土由浇筑28 d 始发生的徐变发展系数为

式中：t0=28 d，t1=1 d，RH0=100%；h为构件理论厚度，h=2A/μ，A为构件截面面积，μ为构件与大气接触的周边长度；RH 为环境年平均相对系数。

2 研究项目

2.1 项目概况

白云站综合交通枢纽土建工程1 标段建设场地位于广州市白云区，金园村以西，石槎路以东，站址范围内分布有京广铁路。项目基坑占地面积约8.2×104m2，基坑东西方向长约615 m，南北方向长约630 m，基坑深约16～34 m。项目场地位于岩溶强烈发育区，属地面塌陷极易发生区。

2.2 基坑特点

广州白云站综合交通枢纽基坑具有以下三大特点：

（1）工程体量大。基坑占地面积约8.2×104m2，基坑最宽处约为168 m，最长处约588 m。土石方开挖总方量约为1.9×106m3，其中石方爆破方量约为5.2×105m3。

（2）基坑开挖较深，布局上呈现坑中坑形态。基坑开挖深度为16～34 m，大基坑套小基坑，小基坑包含坑中坑，存在15.9 m、23.45～24.56 m、34.68～35.18 m 几种深度。

（3）周边环境复杂，施工难度大。基坑西侧约50 m 为既有京广铁路线，东侧距离最近高层住宅楼约90 m，南侧约80 m 为金源小学教学楼。

2.3 支撑概况及地质情况

工程采用地下连续墙加竖向5 道内支撑方案，局部采用第6 道砼换撑，均为钢筋混凝土支撑。基坑第一道支撑使用了板支撑的形式，最长板支撑长度约为168 m，东西向的3 条板支撑自南向北编号分别为B、A、C 号（见图2）。

图2 广州白云站综合交通枢纽基坑示意图

如图3 所示，白云站基坑工程分为6 区，此次研究对象为位于1 区和4 区的B 号板支撑。

1 区、4 区的基坑设计概况见表1，支护剖面及地层分布见图4，各地层的物理力学参数见表2。

表1 基坑设计概况

表2 各地层物理力学参数

图4 B 号板撑处支护剖面及地层分布图（单位：m）

3 温度变化对板支撑及围护结构的影响

3.1 监测点布置

（1）板支撑轴力监测点布置

轴力监测点布置于板支撑支撑边梁处，具体布置如图5 所示，图中G1-1—G1-4 为轴力测点。测点处支撑梁截面尺寸为900 mm×1100 mm。测点使用混凝土应变计进行监测，再通过公式换算得出支撑梁轴力，每处监测位都设有上下两处监测点，取平均值，以减少误差，按式（1）进行轴力换算。

图5 板支撑轴力及地连墙水平位移测点平面布置图

（2）地连墙水平位移监测点布置

采用测斜管对地连墙水平位移进行监测，测斜管管顶位于地面往上0.5 m 处，测斜管深度约为38 m。地连墙水平位移监测点布置如图5 所示，图中J11 为测斜监测点。

3.2 支撑梁不同跨度处实测轴力变化

轴力分析数据为3 月某日24 h 的监测结果，监测时基坑开挖至第4 道支撑顶，前三道支撑浇筑完毕且土压力已达到平衡。B 板跨中处和边跨处轴力、气温的日变化曲线如图6、图7 所示。通过监测数据的对比分析，可以看出：

图6 B 板跨中处板支撑轴力、大气温度日变化曲线

图7 B 板边跨处板支撑轴力、大气温度日变化曲线

（1）支撑轴力曲线与大气温度曲线变化趋势相吻合，但轴力曲线的变化较温度曲线变化存在明显的滞后性，原因是混凝土比热容较大，传导热量的效率较低导。

（2）日气温于14:30 时达到峰值，5:30 时出现底谷，支撑轴力在18:30 左右达到峰值，此时最大内支撑轴力为—13698.1 kN，位于G1-4 测点处。

（3）G1-2 测点处日轴力最大值为—11736.6 kN，轴力最小值为—9029.42 kN，对应大气温度分别为33.6℃、27.2℃。此时出现支撑日轴力变化最大幅度，增大幅度达30%。

（4）G1-2 测点处5:30 时，上部测点混凝土内部温度为29.2℃，支撑轴力为—10115.5 kN；下部测点混凝土内部温度为29.0℃，支撑轴力为—8494.46 kN。此时上下部温度差距最小，上下部轴力差系由板支撑重力作用所致。

（5）四处监测位置上部测点轴力都较下部测点大，这是由于上部受日光直射所致。同处跨中处的G1-3、G1-4 测点，G1-4 轴力监测值明显高于G1-3；而位于边跨处的G1-1、G1-2 测点，轴力监测值偏差不大，但当大气温度较高时，偏差较大，大气温度较低时偏差极小。

综上，温度是板支撑的轴力变化、偏差的主要原因，中部测点处G1-4 轴力明显较其他三者大，原因是G1-4 点位于与临近A 板撑的交界处，净空面积较小，通风降温效果差，而其他三处测点均位于大面积净空位置处，导致G1-4 轴力明显大于其他处。

3.3 冠梁、地连墙实测水平位移变化

整理J11 测斜管3 月监测数据，得到地连墙水平位移随深度的变化曲线（见图8），并做出冠梁深度处和变形最大深度处水平位移与日平均温度变化曲线（见图9），J11 测斜管顶位于地面往上0.5 m 处，第1道支撑冠梁位于地连墙顶以下5 m 标高处。曲线图中正值为向基坑内侧的位移，负值为向基坑外侧的位移。

图8 J11 测斜管地连墙水平位移-深度变化曲线

图9 J11 测斜管水平位移、温度-时间变化曲线图

由图8、图9 可以看出：

（1）测斜管最大水平位移发生在距管顶12.5 m 处，此时的地连墙水平位移接近12 mm，第1 道支撑处冠梁位于距管顶5.5 m 处，冠梁处地连墙水平位移变化与温度变化具有非常好的相关性，曲线走势相吻合。大气温度升高，板支撑受热膨胀，对地连墙产生挤压作用，使冠梁处地连墙水平位移减小；大气温度降低，板支撑随之发生收缩变形，使冠梁处地连墙水平位移增大。距管顶12.5 m 处的测斜管水平位移变化曲线同样与温度变化曲线具有较好的相关性，并遵循相同的变化规律。

（2）3 月气温具有上升走势，3 月第一日平均温度约为19℃，监测最后一日平均温度约为30℃，在距管顶12.5 m 处测斜管水平位移由9.9 mm 增至11.6 mm，增量为1.7 mm，变化幅度达17%。

（3）地连墙水平位移沿深度变化较大，总体都为向基坑内水平位移，只有在最深处出现向基坑外水平位移，且深度达到24 m 左右水平位移变化较小，在最深处水平位移反向。

3.4 温度-支撑梁轴力相关性分析

基于支撑轴力、温度监测数据，分析支撑轴力与温度变化的相关性，以温度为自变量，采用最小二乘法对支撑轴力与温度变化间的相关性进行曲线拟合。

在日轴力变化中，支撑轴力变化较大气温度变化存在明显滞后性，G1-1、G1-2 测点处温度峰值出现时点较支撑轴力峰值出现时点早3 h，G1-3、G1-4测点处温度峰值出现时点较支撑轴力峰值出现时点早4 h，故将轴力数据按各自滞后时间前移，并按大气温度的升高与下降，分为上升段与下降段两次拟合，拟合情况如图10、图11 所示，并就上升段曲线增设40℃、45℃轴力预测温度，下降段曲线增设25℃、15℃轴力预测温度，拟合和预测结果如表3、表4 所示。

表3 上升段曲线拟合结果

表4 下降段曲线拟合结果

图10 各测点支撑轴力上升段拟合结果图

图11 各测点支撑轴力下降段拟合结果图

相关性分析的预测结果可为研究后续支撑轴力的变化提供参考与依据。

4 板支撑温度变形模拟

4.1 数值建模工况

监测时基坑开挖至第4 道支撑顶，尚未完全开挖完毕。为进一步探究温度变化对支撑及围护结构的影响，以及基坑完全开挖后板支撑的温差变形情况，采用MIDAS GTS NX 岩土有限元模拟软件对支撑受温度应力的影响进行模拟，对B 号板支撑进行研究，建模参数参照表1、表2 和图4，分设两组不同模拟工况。工况1：基坑开挖至第4 道支撑顶，即此时仅存在第1、2、3 道板支撑；工况2：基坑完全开挖完毕，5 道支撑温差变形都会对基坑稳定性产生影响。

工况1 模拟结果可可通过现场监测结果进行验证，工况2 模拟结果可以预测将来的支撑轴力变化规律。两工况模拟温度为15℃、25℃、30℃、35℃、45℃，建模情况如图12、图13 所示。

图12 模拟工况1 支撑建模情况

图13 模拟工况2 支撑建模情况

4.2 工况1 板支撑轴力分析

对工况1 的模拟结果进行分析，模拟得到各温度下的板支撑轴力情况，结合实测数据进行对比，如图14 所示，图中实测轴力为3 月板支撑日实测最大轴力值，为—9749.6 kN。

图14 工况1 模拟板支撑轴力随温度变化曲线

工况1 下各温度下的模拟轴力值分别为15℃：—9550.1 kN、25℃：—9508.8 kN、30℃：—9660.8 kN、35℃：—9770 kN、45℃：—10105.2 kN。根据图中结果，模拟支撑轴力总体上符合与温度同向变动的规律，在较低温度时，模拟轴力略低于实测轴力，在温度较高时，模拟轴力略大于实测轴力，35℃时两轴力值相差不大。

由模拟轴力的变动结果可知，模拟温度为25℃以下低温时，板支撑轴力变化较小，温度对支撑轴力的影响不明显，但模拟温度为35℃往上高温时，轴力值随温度增长的趋势明显，且温度越高，轴力增长的效率越高，这验证了温度越高，温度对支撑梁轴力的影响越显著的结论[1]。

4.3 工况1 地连墙水平位移分析

对工况1 的模拟结果进行分析，模拟得到各温度下的地连墙水平位移情况，结合实测数据，得到随温度变化的地连墙水平位移变化图（见图15）。

图15 工况1 模拟地连墙水平位移与实测地连墙水平位移曲线图

图中，工况1 模拟地连墙水平位移与温度呈反向变动，这符合温度增加，支撑对围护结构挤压作用越强，地连墙整体位移减小的一般规律。在基坑深度27 m 范围以内，地连墙水平位移模拟曲线与实测曲线走势相吻合，为外突状，都在约12 m 深度处出现最大水平位移。

4.4 工况1、工况2 板支撑温度变形影响分析

对工况2 的模拟结果进行分析，将两工况模拟轴力值与实测结果对比，如图16 所示，图中实测轴力仍为上文B 号板支撑3 月最大实测日轴力值—9749.6 kN。再将两工况下各温度地连墙水平位移情况与实测数据整理，绘出不同模拟温度下水平位移曲线图（见图17）。

图16 工况1、工况2 模拟板支撑轴力随温度变化曲线图

图17 工况1、工况2 模拟地连墙水平位移曲线图

根据图16 结果，工况2 模拟轴力与工况1 模拟轴力相比，可知在基坑完全开挖后，B 号板支撑轴力增大，这符合轴力变化的一般规律。

工况2 下各温度下的模拟轴力值分别为15℃：—10922.7 kN、25℃：—10904.4 kN、30℃：—11039.7 kN、35℃：—11173 kN、45℃：—11436.6 kN，较工况1 轴力增幅分别为：14.4%、14.7%、14.3%、14.4%、13.2%。由工况2 模拟轴力的变动结果同样可知，模拟温度25℃以下时，温度对支撑轴力的影响不明显，模拟温度为35℃往上时，轴力值随温度增长的趋势明显，且温度越高，轴力增长的幅度越高。

由图17 可知，工况2 地连墙水平位移整体较工况1 大，这是由于随基坑开挖深度加大，土体的挤压效应越强的缘故。由基坑底部往上，两组曲线都呈现外突走势，工况2 最大模拟水平位移出现在基坑底部。且温度对地连墙水平位移的影响随深度的加深越加减弱。