內撐式支護結構支撐內力的實測與計算分析

摘 要：通過對3個內撐式支護結構工程原型測試得出的數據，分別與彈性地基梁計算方法和等值梁計算方法計算出的數據進行比較和分析，從而得出彈性地基梁計算方法的結果更趨于合理。

關鍵詞：基坑；支護內撐式；彈性地基桿系；支撐系統

在內撐式支護結構中，支撐系統是極其重要組成部分，它對支護結構內力變化及周圍環境（如地面施工超載、地下水位升降等）變化均十分敏感。支撐系統一旦出現損壞，將直接威脅整個基礎施工安全，帶來不可估量的損失。因此支撐系統的設計與施工是保證支護結構的關鍵步驟，必須引起足夠的重視。支撐系統設計包括方案選擇，內力計算、構造設計等。其中內力計算是重要內容，由于國家尚未正式頒布深基坑支護設計與施工規范，多種內力計算方法在實際工程中均有所使用，且使用標準、設計依據均有很大差異，造成計算結果也有一定出入。本文結合工程實測數據對常用的內支撐支護結構的計算方法加以對比分析，初步探討其在工程中的使用價值。

1 工程原型觀測結果

本文為方便受力分析，選用了3個對撐式內支撐支護結構進行了觀測。

1.1 觀測工程

為天津人保公司營業樓，基坑平面尺寸為4413m×2610m，開挖深度為10m，支護結構采用800@850密排灌注樁作為擋土結構，外加一道700雙排水泥攪拌樁，支撐系統為1層鋼支撐布置，中部設兩道鋼結構對撐，四角設鋼筋混凝土角撐。該場地地下20m范圍內主要由粉質粘土組成，土質水平方向均勻，透水性較差。在觀測中，分別在2根鋼支撐中的四肢上粘貼8個電阻應變片，利用電阻應變儀測試鋼撐應變，繼而計算出軸力。鋼筋混凝土角撐是采用鋼弦式應力計焊接在受力主筋上，使用頻率計觀測應力計變化，最后計算出角撐軸力。

1.2 觀測工程

為天津市祥云商廈，基坑平面尺寸為4714m×3416m，開挖深度為615m，擋土結構選用600mm厚地下連續墻，支撐系統采用1層鋼筋混凝土內撐，中部為兩根對撐，角部為4根角撐。該場地土質以粉質粘土為主，土質較好。觀測中每根支撐均采用鋼弦式應力計進行。

1.3 觀測工程

為天津市康寧大廈，基坑平面尺寸為6316m×3718m，開挖深度為810m，擋土結構選用800@1060鋼筋混凝土樁，支撐系統采用1層鋼筋混凝土內撐，在長邊跨中設置兩道鋼筋混凝土對撐，角部設4根角撐。該場地在18m范圍內主要以粉質粘土和粘土組成，土質水平方向均勻。觀測中每根支撐均采用鋼弦式應力計進行。為了與觀測結果進行對照，本文采用常用的等值梁方法及彈性地基桿系理論分別對3個工程進行了支撐內力計算。

2 支撐內力理論計算分析

從等值梁計算方法可知，支護結構被假定為1根在側壓力作用下的梁，以彎矩為零處作為假想鉸支點，計算假想鉸支點以上部分內力，同時求得支座反力，支撐系統只是假想為一個沒有變形的豎向鏈桿，而支撐體系采用的材料、截面尺寸、布置形式等均不能以參照數的形式在計算中體現出來，例如觀測工程1是采用的鋼結構對撐、工程2和工程3采用的是鋼筋混凝土對撐，兩者材料的彈性模量相差達一個數量級，在等值梁計算方法中則不考慮。此外，等值梁方法計算中下端的鉸支座位置是按半經驗公式進行估算的。無論是支座的形式還是支座的位置都不能準確反映此處支護結構的實際受力狀態。以工程2為例，按等值梁方法求得下部鉸點位置處的實際變形在1316～2019mm范圍內變化，在基坑開挖面附近達到最大變形值2212mm，由此說明該處土抗力實際上形不成一個沒有側移的鉸支點，因而造成上部支撐計算中分擔的軸力要比實際的軸力小，統計也表明，采用該方法相對誤差最大可達4917%，最小也將近20%，且計算結果均比實測結果小，偏于不安全。

此外，從嚴格意義上說等值梁方法更適合于水土合算方法進行內力求解，這也勢必影響其在高水位地區使用的準確性。彈性地基桿系統理論是將支護結構假設為豎放彈性地基桿系，結構外側作用的側壓力按照朗肯理論或庫倫理論進行計算，支撐系統和坑底以下的土抗力假設為彈簧支座，對支護結構根據需要劃分為有限單元體，用數值分析方法求解。通過公式（1）進一步形成梁、鏈桿系統的整體剛度矩陣求解。從計算原理上，支撐處及土抗力假設成彈簧支座，一方面可將支撐系統的設計形式轉化為計算參數進行受力分析，另一方面可較好的模擬支護結構的實際工作狀態，對比等值梁方法可逐個單元計算出支護結構的各點變形，合理地確定支撐系統與土抗力相互間對于支護結構側壓力的分擔比例，提高支撐系統的計算準確性。通過3個工程原型觀測也反映出使用彈性地基桿系理論的計算結果與實測結果較接近。在工程1中，從實測支護樁測斜曲線上看，無論是支撐處還是坑內被動土壓力處均出現變形，這與彈性地基桿系理論的彈性支座是相吻合的。其次支撐計算結果與內力實測對比看：計算結果較對撐1小70116kN，較對撐2大34110kN，在工程2中，計算結果分別比對撐1、2大9716kN、7710kN；在工程3中分別比對撐1、2大78811kN和5016kN，計算誤差在14%以內。在角撐計算中也比等值梁方法接近實測結果。對3個工程，使用彈性地基桿系理論計算的結果較實測結果偏差均在16%以內，比等值梁方法計算精度提高27%左右。這樣在實際工程中采用可大大提高支護結構設計的可靠性。通過工程原型觀測也發現，即使是采用彈性地基桿系理論也不能完全精確地與實測結果相吻合，特別是隨著基坑開挖深度加大，支撐受力增加。最后通過計算結果與實測結果對比分析反映出各種理論都有一定缺陷，一方面表現在計算模型對實際支護結構模擬誤差；另一方面各個計算參數的選取還有待深入研究，借助工程原型觀測的信息返饋進一步調整。

3 結論

根據工程原型觀測結果和理論計算結果對比分析，等值梁方法作為一種簡捷的手算計算方法，對于一層支撐支護結構的支撐內力估算有一定的使用意義，使用彈性地基桿系理論時可進一步對支護結構進行全面內力分析，其計算結果較為準確，支撐內力計算結果作為工程計依據，具有很大的使用價值。

參考文獻：

[1]陳仲頤，葉書麟主編.基礎工程學（M）.北京：中國建筑工業出版社，1990.

[2]趙志縉.高層建筑基礎施工（第二版）（M）.北京：中國建筑工業出版社，1994.

作者簡介：

周丹丹，身份證號碼：410802198305092022