深基坑支護模型設計及相關制作問題分析

侯應貴，殷 勇，李富榮，蔣順嶺

(鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051)

1 引言

隨著城市化進程的快速推進，城市地下交通設施建設規(guī)模逐漸變大，建筑基礎的埋置深度也在不斷增加，使得基坑開挖深度越來越大，工程環(huán)境越來越復雜。排樁內(nèi)支撐支護體系作為一種常用的支護方案，有著適應性強、施工對環(huán)境影響小及較好的控制基坑變形的能力等優(yōu)點，被廣泛地應用在各類基坑支護工程中。因此，圍繞該支護類型的學科競賽在許多高校中也是研究的熱點問題。

在第三屆全國城市地下空間工程專業(yè)大學生模型設計競賽中，針對排樁內(nèi)支撐支護體系的工程背景，要求進行深基坑排樁支護模型的設計與優(yōu)化、建造與加載，使得支護模型在用料盡量少的情況下能具有最大承載能力，尋求具有可行性、合理性和科學性的最優(yōu)支護體系。以下結合該基坑支護模型競賽要求，圍繞支護模型的設計過程，探討其中主要構件的設計方案，并對模型設計與建造過程中的相關問題進行分析。

2 模型設計總體要求

賽題規(guī)定采用白卡紙制作整個支護構件，包括擋墻、排樁、腰梁及內(nèi)支撐，所有構件的外圍尺寸不超過12 mm。采用標準砂填充模型側面作為支護結構后方的土體，模型箱內(nèi)部尺寸0.6 m×0.8 m×0.58 m。最終要求整體模型采用盡可能少的白卡紙(重量最小)達到最大的承載效果，并且任一構件的最大承載位移不超過5 mm。支護模型的整體如圖1所示。

模型制作規(guī)則：單側的排樁根數(shù)必須多于腰梁根數(shù)；構件制作及相互連接均采用雙面膠帶；擋墻為單層白卡紙，粘貼在排樁外側，與標準砂直接接觸；腰梁設置在排樁內(nèi)側，內(nèi)支撐直接連接在腰梁上；白卡紙擋墻長邊之間凈距為195～200 mm，與模型箱內(nèi)側凈距不小于200 mm；白卡紙擋墻分布在排樁外側，沿模型箱長度方向通長布置，在兩端貼著模型箱內(nèi)壁向標準砂內(nèi)彎折，白卡紙與模型箱之間不能有連接；擋墻彎折的長度不大于40 mm。擋墻沿模型箱高度方向通長布置，與模型箱底板接觸處禁止彎折。排樁沿模型箱高度通長布置并與模型箱頂面平齊，排樁與模型箱之間不能有連接；腰梁沿模型箱長度方向通長布置，與模型箱之間不能有連接。

圖1 支護模型總體設計示意

3 構件設計

3.1 排樁

排樁設計主要考慮數(shù)量、截面形式、內(nèi)外尺寸以及用紙長度等因素變化。根據(jù)模型箱內(nèi)部尺寸，單側樁數(shù)采用7～8根方案，截面采用圓形便于制作，為防止手工制作誤差導致最大尺寸超限，限制排樁外圍尺寸10～11 mm，內(nèi)部尺寸再按照用紙量調(diào)整。

3.2 腰梁

腰梁起到連接樁和支撐的作用，按照競賽模型箱的高度，單側采用3～5道腰梁進行試驗。腰梁統(tǒng)一采用圓形截面，卷紙長度采用50 mm。頂部腰梁離樁頂3 cm距離，底部腰梁離樁底1 cm距離，考慮到常規(guī)擋土墻上土壓力分布規(guī)律，中間的腰梁按照略偏下位置進行布置。

3.3 支撐

支撐是整個支護模型的關鍵構件，為保證整個體系的穩(wěn)定，在腰梁與樁的交叉點均設置內(nèi)支撐，因此，腰梁和樁數(shù)確定后，支撐的數(shù)量也就確定了。支撐軸向荷載按照土壓力理論進行初步估算，然后再結合支撐力的試驗結果優(yōu)化支撐的數(shù)量及用紙量。

3.3.1 支撐軸向荷載的理論估算

假設標準砂表面作用均布荷載q，擋墻高度0.58 m，標準砂內(nèi)摩擦角為35.1°，重度為17.3 kN/m3，按照平面問題考慮時可以求得側向土壓力合力為Ea=0.157q+0.789。假設單道支撐能承受的軸向力為x kN，按照7根樁4道腰梁布置支護結構，即28根支撐得到的整個側向支撐力為28x kN。若考慮最大加載400 kg，再加上加載板自重60 kg，則可以得到q=14.4 kPa，Ea=3.05 kN/m。則根據(jù)0.8 m擋墻長度，可以得到單根支撐需要的最小支撐力為x=0.087 kN≈0.1 kN。

3.3.2 支撐軸向承載力測試

在構件的內(nèi)、外直徑確定方面為了達到用料最少，支撐力較大的效果，對不同卷紙長度、不同內(nèi)外徑的支撐構件在壓力機上進行了軸向擠壓試驗(圖2)，每一構件采用4個平行樣進行實驗。在初步的測試過程發(fā)現(xiàn)相同外徑的支撐構件，在空心時的承載力與實心時相差并不大，為達到輕質(zhì)高強的效果，采用專門的卷紙工具進行空心構件的制作并盡量滿足外徑的上限。

圖2 支撐構件軸向壓力測試

支撐軸向力測試在材料壓力試驗機上進行，構件長度約為168 mm，卷紙長度40～120 mm，外徑7～12 mm，內(nèi)徑6～10 mm。由表1試驗結果可以明顯看出，卷紙長度越大的支撐軸向承載力越高，而且在支撐的用紙量一定和外徑不超限的條件下，適當增加內(nèi)徑有助于軸向承載力的提高，尤其是用紙量較大的情形。根據(jù)本次測試結果，采用最小卷紙長度40 mm、內(nèi)徑8 mm時的空心構件基本可達到0.1 kN的軸向承載力，且其外徑可以控制在12 mm以下，滿足了理論計算的最小支撐力要求。

表1 支撐構件壓力測試結果

因此，若采用28道支撐構件，40 mm以上的卷紙長度就能滿足整體承載力要求，但在實際模型制造與加載過程發(fā)現(xiàn)，由于桿件之間搭接的偏心等影響，40 mm卷紙長度做成的支撐構件加載時有部分仍會發(fā)生失穩(wěn)。而且40 mm長度白卡紙制作的構件側面由雙面膠粘貼后容易發(fā)生截面變形，為保證整體的安全性，適宜采用60 mm的卷紙長度制作支撐構件并按照支撐的受力位置進一步優(yōu)化。

3.4 構件的優(yōu)化設計

根據(jù)上述構件設計方案，利用MIDAS-GTS建立三維支護體系模型進行了整體受力分析[1]，白卡紙的力學參數(shù)參考了相關文獻[2～4]。數(shù)值計算結果表明，中間層支撐的作用要大于首層及底層，每層兩邊的支撐作用小于中間位置的支撐，如圖3所示。此外，腰梁的抗彎要求大于其軸向承載力要求。因此，當樁數(shù)及腰梁數(shù)確定時，可以盡量優(yōu)化首層、底層及兩邊支撐的卷紙長度，腰梁也可以通過改變截面形狀來優(yōu)化其抗彎承載力。

后續(xù)物理模型實驗證明，對內(nèi)支撐按照不同位置優(yōu)化用紙長度是成功的。總體上，頂層和底層邊緣支撐40 mm的用紙量是下限，中間支撐60 mm卷紙長度是足夠最大加載的承載力要求。此外，在實驗過程中，注意到腰梁在模型實驗中對限制擋墻最大位移的作用有限，并且減小截面后并未影響支撐體系的穩(wěn)定，考慮到頂部及底部腰梁的框架約束作用，可以采用圓形截面的構件，中間腰梁可以用單層紙片優(yōu)化。

4 模型實驗及相關制作問題分析

4.1 模型實驗流程

實驗流程總體包括模型構件制作、模型構件組裝、支護模型安裝、模型分級加載四大部分，實驗流程詳見圖4，圖5為操作過程。其中，構件制作過程中，需要保證構件的均勻性并嚴格控制外圍尺寸，構件拼裝需要控制模型整體與加載箱邊緣的距離，制作完成后的模型如圖5(c)所示。

圖3 模型整體及構件愛力示意

圖4 模型實驗流程

圖5 模型實驗操作過程

4.2 相關制作問題分析

由于所有構件均采用白卡紙制作，構件的幾何形態(tài)及力學性質(zhì)容易受到制作過程中多種因素的影響，造成模型尺寸超限、構件聯(lián)結及擋土失效等系列問題。因此，在模型制作過程中需要特別注意避免以下幾個問題。

4.2.1 模型擋墻凸出問題

擋墻僅能采用一層白卡紙制作，由于紙張相對較薄，擋墻凸出的問題較為普遍，而單純增加樁數(shù)的方法并非最優(yōu)途徑。通過實驗分析，注意到凸出較為嚴重的地方為邊上第一、二根樁之間，原因是白卡紙邊緣與模型箱之間并無直接連接，承受荷載后白卡紙從邊緣發(fā)生移位，導致邊樁發(fā)生明顯的轉動。該問題可采用兩種方案解決。首先，調(diào)整樁的分布間距，適當縮小邊樁間距。其次，可將白卡紙邊緣打毛以增加與有機玻璃板之間的接觸摩擦，可在一定程度上改善受荷后白卡紙發(fā)生較大的拉扯變形。

4.2.2 模型桿件尺寸控制問題

(1)制作尺寸控制。為了解決這一問題并保證構件制作的均勻性，可以利用一些模具，如不同直徑的鋼管、圓管等，來控制不同桿件內(nèi)徑的變化，由紙張長度來保證桿件的直徑在賽題規(guī)定的范圍內(nèi)。

(2)貼膠脫落。考慮到競賽過程中模型制作完成、稱重后有一段時間等待加載，該時間并不固定，期間構件的貼膠非常容易發(fā)生脫開，該情形對模型后續(xù)的承載力影響很大。為了避免這一問題，一方面，在制作構件時考慮貼雙道膠帶增加粘結力，另一方面，在構件的外表纏繞一定量的雙面膠，可以有效解決這一問題。

4.2.3 模型擋墻邊緣漏砂問題

擋墻邊緣漏砂極易導致加載失敗，漏砂位置包括擋墻側邊與有機玻璃接觸一側和擋墻紙底面。處理方法是加砂時用紙片蓋住白卡紙邊緣處，待砂填筑至一定高度后再將紙條抽出，可以有效改善邊緣漏砂；底部漏砂問題采用降低底層支撐的方法，可在一定程度上避免漏砂。

4.2.4 標準砂密實度控制問題

填入的標準砂密實度不一致，易導致表面豎向位移超限，引起加載失敗。為此，在加砂過程中，采用板條搗砂和橡皮錘振砂相結合的方法，在確保擋墻不凸出的前提下充分壓實，并盡量保證擋墻兩側的標準砂密實度一致。

5 結語

基坑支護模型的設計涉及到構件參數(shù)的確定及模型的整體優(yōu)化，根據(jù)理論計算和實驗確定了模型支撐構件的設計參數(shù)，利用數(shù)值計算研究了支撐構件的受力特征，給出了優(yōu)化布置的建議。此外，模型制作過程中白卡紙擋墻變形凸出、構件尺寸超限、擋墻邊緣漏砂問題、標準砂密實度不一等問題關系到模型能否正常加載，制作過程中需要注意避免。