灌注樁加砼內支撐基坑支護結構截面設計分析

趙升峰

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

灌注樁加砼內支撐基坑支護結構截面設計分析

趙升峰*

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

為研究影響灌注樁加混凝土內支撐基坑支護工程中，支護結構截面尺寸的選取問題，采用彈性地基梁法結合增量法，以南京某軟土基坑工程為例，建立了計算模型，分析在多種支護樁直徑和內支撐截面寬度組合情況下，支護結構水平位移、結構內力及地面沉降的變化情況。結果表明：對于增大支撐剛度，增加支護樁直徑比增加支撐截面寬度有效；增加支護樁直徑或支撐截面寬度均會使支護結構變形減小，而增加支護樁直徑效果更好；增大支撐剛度可降低支護樁抗彎配筋量，而抗剪配筋略有增加；增大支撐剛度，第一道支撐軸力減小，但兩道支撐軸力總和基本不變；已確定的計算模型，主動土壓力大小與支撐剛度無關；減小地面沉降可增加支護樁直徑或增加支撐截面寬度。

深基坑；排樁；內支撐；支護結構變形；支護結構內力

1 引 言

軟土地區的深基坑控制變形逐漸成為工程設計的關鍵[1]。近年來大量基坑工程實踐證明采用鉆孔灌注樁加混凝土內支撐支護結構，既可使整個支護結構施工過程安全，又可控制支護結構和基坑周邊土體的變形，確保基坑周圍建筑物和地下管線的安全[2，3]。

基坑變形是支護結構各部分和土體及外界因素相互作用的反映，是結構內力變化與調整的宏觀結果，排樁、內支撐和土壓力屬于相互影響的空間體系[4]。對于考慮支護樁與內支撐相互影響的問題，已有學者研究獲得了具有價值的成果，如王鑫等研究表明逆作法工程中開口樓板剛度的降低，將減弱對支護結構水平側移的控制效果[5]；李娟等研究表明考慮支撐作用基坑整體穩定性可靠度指標值明顯提高[6]；潘駿等研究表明支護樁彎矩和剪力受支撐剛度的增減影響而發生變化[7]；陳林靖等采用綜合剛度原理和雙參數法用于深基坑內支撐式支護結構設計，計算所得的結果更接近實測值[8]；曾曉云研究表明橫向支撐可有效地減小地下連續墻的彎矩，采用混凝土支撐效果更加明顯[9]；劉念武等研究表明采用內支撐的基坑，其側向變形隨開挖深度逐漸增大，且呈中間大，兩頭小的形狀，內支撐對基坑側向變形的空間效應具有抑制作用[10]。以上學者研究成果均表明，深基坑支護設計過程中應綜合考慮排樁與內支撐的相互影響與協調變形的問題，但規范規定，排樁加內支撐基坑支護結構可采用簡化計算，將整個支護結構分解為擋土結構與內支撐結構分別進行分析[11]。兩者單獨計算設計，難以形成協同控制基坑變形的體系。

針對以上問題，本文以南京江寧某軟土基坑工程為實例，采用彈性地基梁法結合增量法，對控制基坑變形的支護樁和混凝土內支撐截面設計選取問題，進行了較詳細的分析，以期對相似工程提供參考。

2 計算案例概況

2.1地質條件和支護形式

工程位于南京江寧區秦淮路與挹淮街交叉口西南隅。基坑面積約 9 500 m2，開挖深度13.05 m～13.65 m。該場地地貌單元為秦淮河沖積平原，具體巖土體物理力學參數如表1所示。

巖土體物理力學參數表 表1

基坑支護結構采用鉆孔灌注樁，豎向設兩道鋼筋混凝土內支撐的形式。內支撐的具體豎向位置，詳見圖1深基坑支護示意圖。

圖1 基坑支護示意圖

2.2支護結構設計參數選取

設計計算取2個超載，其中一個為20 kPa半無限超載，一個為作用于地面，距坑邊 5.0 m，寬 18.0 m的建筑物超載 25 kPa，按一級基坑進行計算。坑內水位取地下 14.0 m，坑外水位取地下 1.0 m。支撐水平間距為 9.0 m，支撐長度為 100.0 m，支護樁凈間距均取 200 mm，支撐截面高度均取 800 mm，兩道支撐取相同的截面尺寸。支撐和支護樁材料均為C35混凝土，支撐不動點調整系數λ取0.5，支撐松弛系數αR取1.0。內支撐結構的彈性支點剛度系數按下式計算：

(1)

式中，E、A分別為內支撐材料彈性模量和截面積；ba為擋土結構計算寬度；s為內支撐水平間距；θ為內支撐與冠梁或圍檁的夾角。

3 計算結構分析

開挖期間是基坑變形最突出，安全風險最大的階段。隨著基坑開挖至坑底，基礎底板施工完畢，便基本度過危險期。因此，本次分析采用商業軟件理正深基坑7.0BP1版，計算原理為彈性法結合增量法。對支護結構剖面進行單元計算，分析基坑開挖至坑底這個工況中，支護樁變形、地面沉降、支護樁彎矩和剪力、支撐軸力和土壓力最大值的變化情況。

3.1支撐剛度分析

由式(1)計算所得支撐剛度變化結果，如圖2所示。其中圖2(a)表示在支護樁樁徑不變的情況下，支撐剛度系數隨支撐截面寬度的變化趨勢；圖2(b)表示在支撐截面寬度不變的情況下，支撐剛度系數隨著支護樁直徑增大的變化趨勢。從圖2看出，兩種情況下支撐的剛度系數均呈線性增長，這表明單一地增加支撐截面寬度或者支護樁直徑，內支撐結構的彈性支點剛度k以支撐截面寬度b或支護樁直徑d為自變量線性地增長。

圖2支撐彈性支點剛度系數變化曲線

支撐截面寬度增加使彈性支點剛度系數增加率為△k=5.6 MN/m，而由支護樁直徑增加使彈性支點剛度增加率為△k=2.8 MN/m。支撐截面寬度變化引起的彈性支點剛度系數增長率大于由支護樁直徑變化引起的增長率，這表明設計時增加內支撐截面寬度比增大樁徑對增加支撐剛度更有效。

3.2支護樁水平位移分析

圖3為計算得出的支護樁最大水平位移，如圖3(a)所示，在支護樁直徑不變的條件下，最大水平位移隨支撐截面寬度的增加呈近似線性減小的趨勢；如圖3(b)所示，支撐截面寬度不變的條件下，最大水平位移隨支護樁直徑增大呈逐步減小的趨勢。當支護樁直徑不變時，支撐截面寬度從 0.8 m增大至 0.9 m、 1.0 m、 1.1 m、 1.2 m相應的hmax/He(支護樁最大水平位移與基坑開挖深度的比值)分別減小2.9%、2.5%、2.1%和1.9%；當支撐截面寬度不變時，支護樁直徑從 0.95 m增大至 1.0 m、1.05 m、1.10 m、1.15 m時相應的hmax/He分別減小7.5%、7.0%、6.6%和6.3%。這表明增加支護樁直徑或增大支撐截面寬度，支護樁水平位移均在減小，但增大樁徑對減小支護樁水平位移更明顯。

圖3支護樁水平位移

3.3支護樁內力分析

圖4為支護樁最大彎矩變化情況，由圖4看出，護樁直徑不變時，隨著支撐截面寬度的增加，支護樁正彎矩逐漸減小，而負彎矩數值取絕對值后亦不斷地減小，其中當支護樁直徑不變時，隨著內支撐截面寬度從 0.8 m增大至 0.9 m、1.0 m、1.1 m和 1.2 m時相應的正彎矩分別減小2.54%、2.23%、1.98%和1.77%，而相應地取絕對值后的負彎矩分別減小1.34%、1.33%、1.13%和1.01%。這表明選定支護樁直徑時，增加支撐截面寬度支護樁抗彎彎矩均減小，可降低抗彎配筋量。

圖4支護樁最大彎矩變化曲線

圖5 支護樁最大剪力變化曲線

圖5為支護樁最大剪力變化情況圖，由圖5看出，當支護樁直徑不變時，隨著支撐截面寬度的增加，支護樁正剪力逐漸增大，而負剪力數值取絕對值后逐漸減小，其中當支護樁直徑不變時，盡管支撐截面寬度在增大，但正剪力與取絕對值后的負剪力之和變化很小。這是因為彈性地基梁計算模式中，支護樁剪力由樁后土壓力引起，確定的基坑深度和地質參數所計算的主動土壓力屬于定值，故根據材料力學知識，支護樁剪力屬于土壓力積分值，因此正剪力與取絕對值的負剪力之和為一定值。但隨著支撐截面寬度增大，支護設計時所取的剪力峰值在增加，故支護樁抗剪配筋量會增大。

3.4支撐軸力分析

圖6為支撐軸力變化情況，由圖6(a)看出，支撐截面寬度不變時，隨著支護樁直徑的增加，第一道支撐軸力增大，增幅約為 10.0 kN/m；第二道支撐軸力減小，減幅約為 9.5 kN/m。支護樁直徑不變時，隨著支撐截面寬度增加，第一道支撐軸力減小，減幅約為 7.8 kN/m～12.5 kN/m；第二道支撐軸力增大，增幅約為 12.5 kN/m～18.5 kN/m。這表明支護樁直徑增加后，第一道支撐軸力增加量和第二道支撐減小量總和變化很小；支撐截面寬度增加后，第一道支撐軸力減幅和第二道支撐增量總和略有增大。表明不管增大支護樁直徑還是增大支撐截面寬度，兩道支撐軸力總和變化很小。

圖6支撐軸力變化曲線

3.5土壓力分析

圖7為開挖至坑底時最大計算主動土壓力。由圖7(a)看出，對于已確定的計算模型，隨著支護樁直徑的增大，正土壓力相應地增大，增幅均為 13.83 kN/m，這是因為計算的主動土壓力，其大小為單位土壓力值乘以支護樁間距。由圖7(b)看出，隨著支護樁直徑增大，負土壓力同樣增大，且增幅在 31.42 kN/m～35.02 kN/m，增幅變化很小，負土壓力增幅亦僅與支護樁間距有關。這表明對已確定的模型，計算所得的主動土壓力與內支撐剛度無關，增加內支撐截面寬度對土壓力基本無影響。

圖7土壓力變化曲線

圖8 地面沉降值變化曲線

3.6地面沉降分析

圖8表示地面沉降變化曲線，從圖8看出，無論增大支護樁直徑，還是增支撐截面寬度，相應的地面沉降在不同程度地減小。支護樁水平位移與地面沉降值的比值在0.86～0.96之間，平均值約為0.906，這一結果與王衛東等[12]研究得出的上海地區深基坑周邊，最大地表沉降與最大墻體側移之比平均值0.84比較接近。

4 結 論

采用彈性地基梁法結合增量法，對基坑支護結構截面尺寸選取問題進行分析，初步得出以下結論：

(1)單一地增加支護樁直徑或增加支撐截面寬度，支撐彈性支點剛度系數均按線性增大。支撐彈性支點剛度系數增長率由支撐截面寬度增加優于由支護樁直徑增加，表明增加支撐截面寬度對增大支撐剛度更有效。

(2)增加支護樁直徑或增加支撐截面寬度，相應的支護樁變形均減小，但相比之下增加支護樁樁徑對減小變形更明顯。

(3)支護樁直徑不變時，增加支撐截面寬度可使得支護樁抗彎彎矩減小，可降低支護樁抗彎配筋量。正、負剪力絕對值之和基本不變，但隨著支撐截面寬度增加，設計所取的剪力峰值略有增大，支護樁抗剪配筋量略有增加。

(4)支護樁直徑不變時，隨支撐截面寬度增加，第一道支撐軸力減小，第二道支撐軸力增大；支撐截面寬度不變時，隨支護樁直徑的增加，第一道支撐軸力增大，第二道支撐軸力減小。但無論增加支護樁樁徑或增加支撐截面寬度，兩道支撐軸力總和基本不變。

(5)確定的計算模型，主動土壓力增幅僅與支護樁間距有關。增加內支撐截面寬度對主動土壓力無影響，其與內支撐剛度無關。

(6)增加支護樁直徑或增加支撐截面寬度，均可不同程度地減小地面沉降。

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DesignandAnalysisoftheSectionoftheSupportingStructureoftheSupportingFoundationPitintheFillingPileandConcrete

Zhao Shengfeng

(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co.，Ltd，Nanjing 210019，China)

In order to study the size selection of cross-section of foundation support system with bored pile and reinforced concrete inner support，elastic subgrade beam method along with incremental method are adopted. Take an Nanjing soft ground excavation engineering as example，a computational model is established，also，variation of horizontal displacement，internal force，ground settlement of support system are analyzed in different combination of diameter of supporting pile and width of inner support cross-section. The results show that，increasing the diameter of supporting pile is more effective than increasing the width of inner support cross-section in increasing the support stiffness and in decreasing the support structure deformation；increasing the support stiffness can decrease the flexural reinforcing steel amount of supporting piles and slowly increase the shear reinforcing steel amount；through increasing the support stiffness，first axial forces of strut decreases，and the sum of two axial forces of struts is basically unchanged；in the established computational model，active earth pressure is irrelevant to support stiffness；decreasing ground settlement can increase the diameter of supporting pile or width of inner support cross-section.

deep foundation pit；row pile；internal support；deformation of support structure；internal force of support structure

1672-8262(2017)05-83-05

TU443

A

2016—08—10

趙升峰(1986—)，男，碩士，工程師，注冊土木工程師(巖土)，主要從事巖土工程設計與科研工作。

國家自然科學基金項目(41472283)；南京市測繪勘察研究院有限公司立項課題(2016RD05)。

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測優秀論文三等獎。