內支撐體系溫度效益對深基坑變形的影響分析

□文/王 瑩

城市建設的迅速發展，極大地促進了地下空間資源的開發和利用，三維地下空間已作為一種主要的自然資源加以開發[1]。周邊環境復雜的大型超深基坑工程，圍護結構和內支撐體系暴露的時間往往相對較長，會受到環境溫度變化的影響。環境溫度變化包括大氣溫度隨季節和晝夜溫差的變化以及混凝土支撐結構施工時產生的水化熱。當支撐體系過長時間暴露在大氣中時，受熱脹冷縮的作用和支撐體系本身的約束，支撐桿件會產生附加應力和變形。

關于溫度效應對混凝土基坑支護體系的影響，很多學者做了大量的研究。吳勝興[2]總結了目前幾種混凝土結構溫度應力的計算方法，對影響混凝土溫度應力的幾個主要因素：徐變與應力松弛、彈性模量、內外約束、裂縫以及混凝土的干縮變形等分別進行了討論。鄭剛等[3]在彈性抗力法分析因溫差所引起基坑支護系統內力變化研究成果的基礎上，提出了一種考慮支撐-圍護樁-土相互作用的基坑支護水平支撐溫度應力的簡化分析方法。陸培毅等[4]通過有限元數值模擬，提出將溫度場耦合到應力場中來分析基坑支護支撐的溫度效應。胡琦等[5]通過對日本東京新豐洲變電所深基坑工程實測結果的反分析，確定了溫度場對環形深基坑圍護結構受力變形影響的分析方法，指出溫度場對深基坑圍護結構受力變形的影響不僅是溫度場與應力場的熱力耦合問題，同時也是水、土、圍護結構共同作用的問題。

上述研究多是計算環境溫度變化對整個圍護結構內力的影響且大多數局限于理論分析，數值分析時將基坑圍護體系的變形簡化為平面應變問題。本文以在建實際工程為依托，利用三維有限元軟件，著重分析了在溫度效應作用下內支撐體系的變形情況，為今后天津地區類似基坑圍護結構的受力變形分析提供了一種參考方法。

1 工程概況

某工程位于天津市南開區水上公園北路和衛津路交口，基坑周長約為1 280 m，占地面積約88 000 m2，深度約16 m。整個基坑開挖歷時較長，導致支撐體系長時間暴露于大氣中。根據天津市氣溫變化統計資料，考慮到季節變換和晝夜交替的影響，基坑開挖過程中，溫度變化極限值約為15 ℃。

工程周邊環境較為復雜，北側水上公園北路下方為地鐵3號線的線路及天塔站；東側、南側緊鄰衛津南路和天塔道；西側緊鄰在建的某高層建筑項目。基坑采用鉆孔灌注樁（鄰近地鐵站處采用地下連續墻）+兩道鋼筋混凝土內支撐進行支護，其中鋼筋混凝土內支撐為桁架式支撐。由于基坑深度大，止水帷幕已隔斷深部承壓水。

2 數值模型建立

由于基坑跨度較大，為分析模擬溫度變化對支撐體系變形的影響，采用ABAQUS 進行三維數值分析并采用MIDAS 進行復核。由于主要考慮支撐平面內受溫度影響的變形，計算中忽略重力影響。混凝土桿件均采用線彈性梁單元，桿件節點為剛性連接。基坑中的支護樁與冠梁共軸線，支護樁的存在會大大約束冠梁軸向變形，因此冠梁的軸向變形可忽略不計，模型中對支撐體系的冠梁施加了軸向變形約束。見表1和圖1。

表1 有限元計算參數

圖1 支撐三維數值模型

3 結果分析

3.1 ABAQUS計算結果

3.1.1 第一道支撐變形

基坑東側最大水平變形為26.6 mm，西側最大水平變形為21 mm；北側最大水平變形為18.7 mm；南側最大水平變形29.4 mm；地鐵站位置處最大水平變形為4.5 mm。見圖2。

圖2 第一道支撐變形

3.1.2 第二道支撐變形

基坑東側最大水平變形為12.1 mm，西側最大水平變形為37.8 mm，北側最大水平變形為14.5 mm，南側最大水平變形34.1 mm；地鐵站位置處支撐最大水平變形為4.3 mm。見圖3。

圖3 第二道支撐變形

3.2 MIDAS/GTS復核結果

3.2.1 第一道支撐

基坑東側最大水平變形為26.2 mm，西側最大水平變形為24.7 mm，北側最大水平變形為19.6 mm，南側最大水平變形24.1 mm；地鐵站位置處支撐最大水平變形為5.6 mm。見圖4。

圖4 復核第一道支撐變形

3.2.2 第二道支撐

基坑東側最大水平變形為10.2 mm，西側最大水平變形為37.8 mm，北側最大水平變形為14.9 mm，南側最大水平變形為34.3 mm；地鐵站位置處支撐最大水平變形為5.2 mm。見圖5。

圖5 復核第二道支撐變形

4 結論

在溫差較大的情況下，溫度的變化會對基坑支護支撐體系的變形產生較大影響，是不可忽略的。因此，基坑開挖過程中，當基坑周邊情況復雜、對變形控制要求較為嚴格時，應將溫度效應作為一種設計條件予以考慮。