環形支撐體系在深基坑開挖過程中的三維承載特性分析

葉愛麗

（福建省建筑科學研究院巖土與地下工程研究所 福州 350025）

環形支撐體系在深基坑開挖過程中的三維承載特性分析

葉愛麗

（福建省建筑科學研究院巖土與地下工程研究所 福州 350025）

圓環內支撐憑借其優良的后序施工空間與合理的受力特點，被越來越多的工程采用。然而，圓環內支撐體系是一種復雜的基坑組合支護形式，其影響因素眾多，目前與工程結合的研究仍相對較少。本文基于工程實例，建立了三維數值模型，分析了施工過程中環形支撐體系與圍護樁的三維承載特性和變形特征。通過與監測結果對比，肯定了本文研究結果的正確性和環形支撐設計的可靠性。對于深基坑支撐體系方面的研究具有重要的參考價值。

內支撐；深基坑；三維

引言

基坑支撐的布置有多種形式，其中對撐具有支撐體系形成快、受力明確、施工難度較低、靈活方便等優勢。但這種布置形式支撐間距往往較小，基坑開挖深度深，特別是主體結構為超高層時，支撐桿件往往難以避讓塔樓核心筒，影響主體結構施工。而圓形支撐布置形式的最大優勢便是在基坑內部可以形成大的敞開空間，方便基坑挖土，結合盆式開挖，便于先行進行塔樓核心筒的施工[1]。

圓環內支撐體系是一種復雜的基坑內支撐形式，其影響因素眾多，受力機理復雜。在環形支撐的設計方面，程杰林[2]肯定了環形支撐對土方開挖、回避塔樓、節省支護空間的積極作用，并詳細介紹和推薦了一種多層多重大直徑圓環內支撐在大面積超深基坑工程中的應用問題。在數值分析方面，王建華等[3]等將圍護結構離散成三維桿（梁）單元，通過建立樁與支撐系統的整體模型來分析圍護結構的整體內力與變形。蔣波[4]通過對程序計算結果的對比分析，詳細計算分析了環形梁尺寸以及開挖順序對基坑的受力和變形的影響。上述研究表明，在特殊形狀、支護空間有限、對坑內空間要求較高的基坑中，環形支撐體系不失為一種有效支撐形式。然而，盡管前人對環形支撐體系的研究已經展開，但是目前與工程結合從三維角度分析的研究還相對較少。本文基于工程實例，建立了三維數值模型，分析了施工過程中環形支撐體系與圍護樁的三維承載特性和變形特征，通過與監測結果對比，肯定了本文研究結果的正確性和環形支撐設計的可靠性。對于深基坑支撐體系方面的研究具有重要的參考價值。

1 工程概況

擬建某大廈位于福州市金融中心，設三層地下室。現地面場地標高約-1.80，地下室承臺面標高為-13.90，基坑開挖深度約14.0m，周長500m。

圖1為基坑平面圖。由于場地周邊環境復雜，基坑四周空間有限，開挖深度較大，同時規避基坑中的塔樓（圖1），留下充裕的主體施工空間，基坑采用環形支撐體系。基坑支護型式為：SMW工法樁+兩道鋼筋混凝土支撐，其中工法樁為φ850@600三軸水泥攪拌樁內插HN700×300型鋼樁。由于基坑底部局部場地位于淤泥質土層，坑底采用水泥攪拌樁固化。其中冠梁尺寸為1300× 800，腰梁為1300×1000，弧梁為1200×800、1750×1000，主梁分別為800×800、700×700和1100×1000，次梁分別為600×600和700×700。支撐平面和剖面設計圖如圖2～3所示。

圖1 基坑平面圖

圖2 基坑支撐平面圖

圖3 剖面設計圖

根據地勘資料，該項目地質條件如表1所示。

表1 基坑支護范圍內土體物理力學指標

2 數值模型

圖4和圖5分別為數值模型圖和開挖到坑底時的現場施工圖。數值模型較好的反映了實際情況。

圖4 數值模型圖

圖5 施工過程中的現場施工圖

3 計算結果與分析

由于施工過程中支撐的內力分布相差不大，這里僅列出開挖到坑底時的支撐軸力（圖6）。結果表明，弧梁的軸力要遠高于對撐、角撐和圈梁。兩道支撐的弧梁軸力分別為7622kN和21000kN，第二道支撐弧梁受力約為第一道支撐的3倍，這是由于基坑深度增加主動土壓力也隨之增大的緣故。

圖6 開挖到坑底時的支撐軸力圖

圖7為施工過程中某剖面的深層位移計算結果和監測結果曲線圖。限于篇幅，此處僅列出單個剖面的結果，但由于支撐布置合理，基坑周邊變形具有較好的一致性，該結果不失代表性。結果表明，計算結果較好的吻合了監測數據。兩者均表明，隨基坑開挖的進行，樁的側向位移逐漸增大。基坑開挖到坑底時深層水平位移最大值計算為37.8mm，實測值為32.4mm。

圖7 支護樁位移圖

4 結論

深基坑環撐組合支護結構是個復雜的空間結構體系，其承載受力具有鮮明的三維特征。結合三維計算結果和監測數據，得到以下結論：

（1）變形計算結果和邊坡監測結果較吻合，表明數值結果是可靠的，可以較好的反映實際現場規律。

（2）計算和監測結果顯示，地表側向變形為12mm，深層水平位移為37.8mm。結果表明，環形支撐較好的抵抗了開挖引起的主動土壓力，基坑變形得到了有效控制。

（3）圓環支撐體系的圍壓會隨著基坑開挖深度的加深而增大。在該工程中第二道支撐弧梁受力約為第一道支撐弧梁的3倍。

（4）在內支撐支護型式中，圍護樁的剛度及基坑坡頂周邊荷載對基坑變形有一定的影響。

致謝：本文研究由福建省建設科技研究開發項目（2012K15）、福建省科技計劃項目（2014Y0016）、福建省科技重點支助項目（2012Y0101）（2014Y0101）資助，在此表示衷心感謝。

[1]金國龍，黃春美.圓環形支撐基坑支護體系設計分析.地下空間與工程學報，2013，9（Supp.1）：1694～1700.

[2]程杰林，etal.多重大直徑同心環形支撐在超深基坑工程中的應用.巖土工程學報，2014，36（Supp.1）：122～126.

[3]王建華，范巍.空間m法在深基坑支護結構分析中的應用.巖土工程學報，2006，28（Supp.）：1332～1335.

[4]蔣波，樓東浩，and郭.躍.環形支撐體系在深基坑工程的應用與研究.巖土工程學報，2012，34（Supp.）：427～431.

TU473.2

A

1673-0038（2015）35-0088-02

2015-8-15