某深基坑內支撐支護體系動態施工過程支護樁的變形研究

田沛恒, 高玉華

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 建筑設計研究院，安徽 合肥 230009)

某深基坑內支撐支護體系動態施工過程支護樁的變形研究

田沛恒1, 高玉華2

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 建筑設計研究院，安徽 合肥 230009)

以某醫學院第一附屬醫院深基坑工程為背景，利用MIDAS/GTS NX有限元軟件進行三維數值模擬。依據該工程的設計方案和施工方案，模擬深基坑施工中開挖、加撐、拆撐全過程支護樁的位移變化情況，分析支護樁水平位移的變化規律及主要影響因素，從而對設計及施工提供建議。

內支撐；深基坑；有限元；變形

0 引 言

隨著內支撐技術大量的由平面形式轉化成空間立體形狀，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支護體系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，設計人員可以根據支護結構的受力與變形情況、內支撐的尺寸和位置是否合理、內力是否滿足強度和穩定性的要求等方面有較深入的認識，因此對大型深基坑的支護結構進行空間內力分析很有必要[4-5]。同時基坑深且大的特性使得內支撐的使用量較大，為節約投資，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。本文通過分析深基坑動態施工中開挖、加撐、拆撐全過程的位移變化情況[6]，研究位移形成原因及主要影響因素，分析位移變形規律，并對設計及施工提供建議。

1 工程實例

1.1 工程概況

該醫學院第一附屬醫院深基坑工程為2棟25層腫瘤綜合樓及2層地下室，基坑工程安全等級為一級，支護有效深度為10.25～12.35 m，基坑面積約1.08萬m2；基坑周邊環境復雜，北側緊鄰市政道路，東北側、西側及南側各存在10層教學實驗樓、20層門急診內科樓及4層辦公樓。根據巖土工程勘察報告，擬建場地地形整體較平坦，天然地基土狀態一般，強度較低。場地地下水豐富，基坑工程施工需進行降止水處理。基坑平面圖及周邊環境情況如圖1所示。各土層的物理性質與力學參數見表1所列。

圖1 基坑平面圖及周邊環境情況

表1 土層物理力學參數表

土層天然重度γ/(kN·m-3)內摩擦角φ/(°)粘聚力c/kPa壓縮模量/MPa①層素填土19．010．04．05．00②層粉土19．317．98．86．98③層粉質黏土19．742．412．18．59④層粉土19．329．715．28．92⑤層粉質黏土19．851．113．38．85⑥層粉質黏土19．948．512．68．61

1.2 基坑支護方案

本工程基坑采用排樁與鋼筋混凝土內支撐相結合的支護方案，局部加設鋼格構斜撐，排樁支護樁間設置旋噴樁止水帷幕。支護樁樁徑1 100 mm，長度為20.25～24.35 m，采用鉆孔灌注樁施工工藝。支護樁沿基坑周邊布置，間距為1 500 mm和2 000 mm兩種規格。支護樁之間為2～3根直徑600 mm旋噴樁止水帷幕，間距350 mm，樁長21.00 m，進入⑤層土約4 m。冠梁、圈梁均采用C35混凝土，冠梁截面為1 000 mm×1 100 mm(高×寬)，圈梁截面為1 000 mm×1 000 mm(高×寬)。內支撐采用C35鋼筋混凝土結構，截面為1 000 mm×800 mm(高×寬)，共設兩道，兩道內支撐布置位置一致，上下對應。基坑南側近辦公樓處設置5個鋼格構斜撐，鋼格構斜撐采用4L140×12。支護結構剖面如圖2所示。

圖2 支護結構剖面圖

2 有限元模型

2.1 模型尺寸

基坑開挖影響范圍取決于開挖基坑平面形狀、開挖深度和土質條件等因素。模型中，水平邊界與基坑邊的距離取3倍基坑最終開挖深度，垂直地面方向，模型下邊界至坑底距離取為2倍開挖深度。考慮基坑周邊建筑及道路情況，最終建立模型尺寸264 m×182 m×35 m，有限元模型如圖3所示。

圖3 基坑支護工程有限元模型

2.2 材料定義

根據勘察報告數據分別定義每層土體，土體的本構模型采用摩爾庫倫模型。支撐、支護樁采用混凝土梁單元，立柱、鋼格構斜撐采用型鋼梁單元。

2.3 荷載定義

結構自重按實際重量考慮，鋼筋混凝土重度為26 kN/m3，鋼材重度為78 kN/m3；深基坑施工過程中，考慮施工荷載、坑邊堆載、基坑周邊道路車流量等，這些荷載根據大量工程實例的經驗，臨時性荷載可定為20 kN/m2；基坑東北側10層建筑(筏板基礎)在地面以下7.50 m處荷載取60 kN/m2。引起支撐結構內力和變形的原因除了土壓力和水壓力等荷載外，還有溫度變化、混凝土收縮與徐變等非荷載因素[7-8]。根據文獻[9]規定，“內支撐結構分析時，應同時考慮下列作用：當溫度改變引起的內支撐結構內力不可忽略不計時，應考慮溫度應力”；根據文獻[10]，普通混凝土線膨脹系數αT=1.0E-5/℃；結合蚌埠地區氣象記錄，對支撐施加溫差為10 ℃的溫度荷載。

2.4 邊界條件

利用模型自帶的地面支承設置，模型側面限制水平向位移，底面全約束；立柱節點設置繞Z軸轉動約束，立柱樁底端節點設置固端約束。

2.5 開挖工況

工況1：開挖至第一道支撐底；

工況2：施工第一道支撐，開挖至第二道支撐底；

工況3：施工第二道支撐，開挖至基礎底；

工況4：施工基礎底板，拆除第二道支撐；

工況5：施工負一層底板、鋼格構斜撐；

工況6：拆除第一道支撐、鋼格構斜撐。

3 數值模擬結果與分析

3.1 支護樁頂水平位移分析

基坑施工至工況3時支護樁變形如圖4所示。基坑A-B、D-E、F-A區段支護樁頂水平位移如圖5～圖7所示。

圖4 支護樁變形圖

(1) 圖5至圖7在工況2及工況3下支撐節點位置均出現遠離基坑方向的位移，且增幅較大，增幅最大可達2.79 mm。這是由于在施工荷載中加入了溫度荷載，溫度升高使得內支撐發生較大的伸長，引起支護樁在支撐節點位置的位移變化。由此可知，在內支撐長度很大的情況下溫度升高所造成的體積變化不可忽略。

(2) 隨著開挖過程的完成，工況3至工況5的位移圖形基本保持一致，即在拆除第一道支撐前的施工工況對樁頂位移影響較小，支護結構穩定。

圖5 A-B段支護樁頂水平位移圖

圖6 D-E段支護樁頂水平位移圖

圖7 F-A段支護樁頂水平位移圖

(3) 從圖5至圖7可以看出，基坑施工在工況6時支護樁頂均產生較大位移增長，最大增幅可達到6.76 mm。該工況下支撐及斜撐的拆除使得支護樁上部約束消除，支護樁呈懸臂形式，基坑外側土壓力引起支護樁頂向基坑內側偏移。

3.2 深層水平位移分析

支護結構P、M、N點支護樁深層水平位移，如圖8～圖10所示。

圖8 P點支護樁深層水平位移圖

圖9 M點支護樁深層水平位移圖

圖10 N點支護樁深層水平位移圖

(1) 工況1至工況6的樁身水平位移均在不斷增大，在支護樁底最大可達20.50 mm。位移圖形呈“踢腳型”，圖形整體不同于支護樁端嵌入巖層等堅硬土層的圖形。這是由于支護樁底土質較差，基坑開挖引起坑底土體應力釋放，坑外土體向坑內流動，使得樁底位移不斷增大。

(2) 圖8至圖10在支撐及基礎底板處位移增長較少，除工況6外位移增長較穩定。該處由于支撐及基礎底板剛度較大，支護結構共同受力，形成較為穩定的整體，因此支撐范圍內支護樁位移變化穩定。

4 結 論

(1) 內支撐支護體系在跨度較大的基坑中應用時應考慮溫度應力以及因此產生的支護結構的變形。支護樁頂水平位移隨著支護結構整體的完成而趨于穩定。在拆撐完成后樁頂位移會有一定幅度的增加，施工時應加強監測。

(2) 在基坑開挖過程中，支護樁的整體位移隨著基坑開挖深度的增加而增大。支護樁底所在土層的強度直接影響基坑底板以下支護樁的位移趨勢，支護樁下部的過大位移也可能引起支護結構失穩，在設計中要注意支護樁端土層的選擇，必要時可采取加固措施。

(3) 內支撐支護體系在支撐范圍內能較好地控制土體的變形，并在施工過程中具有良好的穩定性，可以用于周邊環境復雜、基坑周圍土體變形控制要求較高的深大基坑工程。

[1] 陸培毅，李紹忠，顧曉魯.基坑支護結構的空間分析[J].巖土力學，2004(1):121～124.

[2] 蔣峻峰，姚順忠，吳永紅.深大基坑空間內支撐結構整體受力性能研究[J].森林工程，2010,29(4):124～127.

[3] 周贊良，付艷斌，丘建金，等.復雜軟土地區深基坑內支撐與錨索共同作用初探[J].巖土工程學報，2014，36(S1):396～399.

[4] 俞建霖，龔曉南.基坑工程變形性狀研究[J].土木工程學報，2002，35(4):86～90.

[5] 李方成，郭利娜，胡 斌，等.基于MIDAS軟件探討施工工序對深基坑穩定性的影響[J].長江科學院院報，2013,30(3):49～54．[6] 帥紅巖，陳少平，曾 執.深基坑支護結構變形特征的數值模擬分析[J].巖土工程學報，2014,36(S2):374～380.

[7] 彭全敏，王 沛，劉 琦.混凝土內支撐結構溫度效應三維數值分析[J].地下空間與工程學報，2016,12(1):107-113．

[8] 姜忻良，孫良濤，宗金輝.雙基坑大直徑雙環梁支護體系監測與分析[J].巖土力學，2006,27(7):1204～1208．

[9] JGJ 120-2012，建筑基坑支護技術規程[S]．

[10] GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S]．

2016-07-25

田沛恒(1991-)，男，山西運城人，合肥工業大學碩士生； 高玉華(1963-)，男，安徽太和人，合肥工業大學教授．

TU463

A

1673-5781(2016)04-0505-04