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(yè)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(fā)展，城市用地日趨緊張，城市高層建筑大量涌現，同時開發(fā)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(fā)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(yōu)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(jié)約投資，又要使結構處于安全狀態(tài)，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(jié)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(wěn)定性的要求、冠梁（腰梁）和環(huán)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(yōu)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(qū)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。基于文克勒地基模型，排樁上任意一點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(guī)范《建筑基坑支護技術規(guī)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(xié)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(yè)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(wěn)定水位為－1.3 m。基坑場地土層情況見表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(guī)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(huán)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(jié)點處設置立柱?；又踅Y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(tài)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(guī)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(tǒng)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(tǒng)出現較小位移，說明整個內撐系統(tǒng)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(xié)調起到了關鍵作用。

3 結論

（1）支擋系統(tǒng)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(tǒng)進行空間的整體穩(wěn)定性計算，以確保支護體系具有足夠的安全度。

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