深大基坑空間內支撐結構整體受力性能研究

蔣峻峰，姚順忠*，吳永紅

（1.西南林業大學土木工程學院，昆明650224;2.云南省建筑科學研究院，昆明， 650000）

伴隨著城市經濟發展，城市用地日趨緊張，城市高層建筑大量涌現，同時開發城市地下空也間成為必然選擇，這也促使基坑工程不斷朝著面積更大和深度更深方向發展，內支撐技術大量的由平面形式轉化成空間立體形狀，因而原有的平面內支撐支護設計方法，已經不能真實反映內支撐與擋土結構及與土體間的相互作用關系［1－3］。實際中研究深大基坑內支撐結構整體受力性能，有兩個目的:一是對支擋結構進行優化設計;二是弄清支擋結構在基坑的各個部位的受力和變形情況［4－6］。對前者，由于基坑的深且大的特性，內支撐的使用量也較大，為節約投資，又要使結構處于安全狀態，因而對內支撐的內力與變形真實掌握，可以防止過于保守的設計，節省不必要的投資［7－9］。對于后者，在對基坑采取合理的空間計算后，設計人員可以對擋土結構的受力與變形情況、支撐的尺寸和位置是否合理以及其內力是否滿足強度和穩定性的要求、冠梁（腰梁）和環梁的內力及變形情況如何、應該怎樣對支擋結構的設計與施工方案進行有效的優化等方面，有較深入的認識，因此對大型深基坑的支擋結構進行空間內力分析很有必要［10－12］。

1 計算模型

1.1 計算模型簡化

針對粉土和粘性土等軟土，在開挖過程中對基坑支護結構造成的影響進行研究。當前，昆明等城市中心均處于軟土地帶，土質相對較為均勻，因而在這些地區采用排樁進行支護時，可以將排樁當成彈性地基梁來進行計算?；谖目死盏鼗Ｐ停艠渡先我庖稽c的側向位移與這一點的壓力成正比例關系，即:

式中:k為基床系數;s為排樁側向位移。

樁、土和內支撐簡化計算模型如圖1所示，基坑非開挖一側作用有水土壓力和地面超載，考慮地下水位較高，土體均為粉土和粘性土，采用水土合算。對排樁與土的共同作用，將基坑底部內側土體對擋土結構的作用，近似等效為多個剛性已知的彈簧（土彈簧）對擋土結構的作用，而對坑外土體對土體的作用，采用單向只壓彈簧模擬。對排樁外側土體土壓力計算采用規范《建筑基坑支護技術規程JGJ120—99》推薦的方法計算。周圍緊鄰多棟高層建筑，地下管線復雜，擬在基坑外側施加超載10 kN/m。

圖1 樁土和內支撐簡化計算模型Fig.1 Simplied model of pile-soil-strut

將排樁視為彈性體采用桿系梁單元，排樁端承部簡化為固定邊界，頂部邊界條件自由。

基坑內支撐采用桁架結構，排樁頂部設置冠梁，冠梁、腰梁和主要的內支撐梁采用梁單元模擬，次要內支撐只受軸力作用，采用桿單元模擬。

1.2 基本計算方程

令擋土結構的剛度矩陣為 ［Kz］，內支撐結構剛度矩陣為 ［Kn］，樁側水土壓力剛度矩陣為［Kt］，則空間整體協調有限元的計算方法為:

式中:{W}為矩陣位移;{F}為荷載矩陣。

2 計算分析

2.1 工程背景

某深大基坑工程，擬建2棟40層辦公樓、3棟6層商務樓、2棟3層商業步行街、2棟10層綜合樓?；悠骄_挖深度為8.3 m，深處為10.4 m，地下穩定水位為－1.3 m?；訄龅赝翆忧闆r見表1。

支撐方案:由于該工程場地土層均為軟土，基坑為圓形，面積大，直徑達到200 m，整個施工過程無法采用常規支撐方案，為保證基坑施工安全和基坑支護費用經濟，最后考慮采取空間桁架，平均每隔10 m設置一個大環梁。排樁頂部設置冠梁，以增強排樁的整體性，樁后設置長13.8 m@1 m樁徑為1 200 mm的攪拌樁止水帷幕。設置兩道內支撐，上面一層采用雙圓桁架，下面一層采用三圓組成的桁架，在各內撐節點處設置立柱。基坑支擋結構布置模型如圖2所示。

表1 土層的物理力學性質參數表Tab.1 Venue soil information

材料性質:混凝土材料強度為C30和C40;主撐截面為1 600 mm×1 000 mm和1 200 mm×1 000 mm，混凝土保護層厚度為35 mm，次撐為800 mm×600 mm，混凝土保護層厚度30 mm，立柱截面為470 mm×470 mm型鋼立柱，主肢4L140×12，柱底插入立柱樁2 m。

圖2 SQL查詢Fig.2 The structure arrangement diagram of excavation retaining structure

2.2 支擋結構內力變形計算結果

整個開挖過程分為5個工況:①開挖第一道土層至1.7 m;②在1.2 m處加第一道內支撐;③開挖第二道土層至6 m;④在5.5 m處加第二道內支撐;⑤開挖第三道土層至8.3 m。

（1）排樁計算結果分析

排樁平面有限元計算結果顯示，基坑在工況5時，排樁向基坑內側的出現最大計算位移15.57 mm。計算結果如圖3所示。圖中排樁最大位移出現在第二道支撐的下方靠近基坑底部位置，這主要是基坑下部土壓力較大，第二道內支撐布置略靠上和其沒達到完全的受力狀態所致。樁頂部位移較小，是第一道內支撐支護較早和上部土壓力不大造成的。樁底部位移較小，滿足工程精度要求，說明采用彈性抗力法分析基坑支擋結構內力時，將樁底部簡化為固定端是正確的。從彎矩圖、剪力圖和位移圖可知，位移最大的地方，排樁內力也明顯比較大。在工況3，當基坑開挖到6 m時，基坑最大位移出現在開挖標高底部，為3.83 mm，當加撐后樁位移沒變化，說明樁的變形是在支撐加上具備支護能力之后就已經完成了，說明基坑的開挖具有很強的時空效應，因此為保證基坑的順利施工，應該確?；邮┕r間在規定的時間內完成。

圖3 位移和內力包絡圖Fig.3 Placement and internal force envelope diagram

圖4 排樁最不利工況下的沿土層厚度的位移與內力變化圖Fig.4 The placement and internal force change of rowed pile along the soil thickness under the most unfavorable conditions

排樁空間有限元計算分析結果顯示，排樁向基坑內側的最大位移為21.977 mm，排樁在最不利工況5下沿土層高度的位移和內力變化如圖4所示。最大位移出現在排樁頂部，這主要是是由于頂部所經歷的施工時間最長，樁的位移變化沿樁深逐漸減小，表現出很強的時效性。此時樁頂彎矩較小但朝向基坑內側的剪力達到峰值，因而此時樁頂位移主要受剪力控制。

對比排樁平面和空間的有限元計算結果，可以看到在最不利工況下，空間有限元的位移計算結果比平面計算結果明顯大許多，這是由于在平面計算模型中需要選取一個內支撐的剛度參數，當內撐剛度參數選取較大時，平面模型計算出的樁位移就會明顯比空間模型計算的要小，但兩種計算模型均采用彈性地基梁地基模型，因而兩種模型出現的樁位移的沿樁深變化趨勢基本一致。

（2）內支撐系統計算結果分析

空間有限元計算結果顯示，內支撐的平面最大位移為7.60 mm，腰梁的最大位移為9.38 mm，立柱的最大位移出現在立柱的中段，為7.48 mm。內撐系統出現較小位移，說明整個內撐系統的剛度較大，此種拱形的支護結構對基坑支護產生了良好的作用效果。對于立柱，其產生的水平位移說明，其對排樁和內支撐也起到了部分約束作用，同時內支撐對排樁和立柱的整體位移協調起到了關鍵作用。

3 結論

（1）支擋系統的變形隨著開挖深度逐漸增大，這是由于施加在朝向基坑內側的土壓力隨著深度不斷增加，土壓力通過排樁傳遞給了內支撐和立柱。排樁峰值變形點向基坑開挖底部靠近，說明采用彈性地基桿系理論計算擋土結構位移，不僅計算模型簡單，而且計算結果滿足工程精度要求。

（2）采用彈性地基桿系有限元分析基坑支擋結構的空間問題時，忽略了樁土接觸面的相互作用，在往后的簡化模型中需要適當考慮。

（3）通過在排樁外圍設置彈簧模擬坑外位移，可以較好地解決了支撐體系、圍檁、擋土結構及坑外土體的相互作用問題。

（4）上面的結構分析表明，深大基坑空間內支護結構具有明顯的結構空間效應，所以對于一些重要的建筑物基坑，應該對內支撐系統進行空間的整體穩定性計算，以確保支護體系具有足夠的安全度。

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