鋼支撐滯后架設對深基坑內支撐軸力的影響

胡之鋒，盧雪松，陳 健，邱岳峰，李 科

(1.黃岡師范學院建筑工程學院,黃岡 438000；2.中國科學院武漢巖土力學研究所,巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071；3.中國科學院大學,北京 100049)

中國東南沿海地區分布著大量花崗巖,廣東、福建兩省花崗巖出露面積達到總面積的30%～40%[1]。出露花崗巖體隨著時間的推移會從薄弱的節理部位開始風化,閩、粵沿海地區風化花崗巖殘積層厚度一般在20～35 m[2]。在花崗巖風化過程中,由于部分巖塊存在利于提高其力學性能的顯微結構,使得其風化程度會明顯低于周圍其他巖土體,從而呈現為“孤石”狀態[3]。中國東南沿海花崗巖地區深基坑開挖施工過程中極易遇到這種孤石,如圖1工程實例所示,部分孤石位于鋼支撐設計標高附近,不利于鋼支撐及時架設；另外,為了確定其形態大小,便于清除操作,一般會挖除其周圍土體；二者綜合作用會使鋼支撐出現滯后架設,基坑處于超挖狀態。

圖1 孤石與鋼支撐滯后架設Fig.1 Solitary stone and lag erection of steel bracing

鋼支撐滯后架設,基坑超挖會對深基坑圍護結構、內支撐體系及周邊環境帶來不利影響,危及基坑自身及周邊環境安全[4-8]。黃珠微[9]建立有限元模型,分析了局部不同超挖厚度對基坑圍護結構水平變形的影響。黃天明等[10]采用顯式有限差分法,綜合研究了基坑超挖深度對圍護結構水平變形及彎矩的影響。羅陽洋[11]建立有限元模型,系統研究了基坑超挖深度、超挖范圍及超挖位置對圍護結構水平變形的影響。張廣達[12]采用顯式有限差分法,建立數值模型,探討了不同超挖深度對圍護結構水平變形和地表沉降的影響規律。謝秀棟等[13]建立有限元模型,研究了考慮土體蠕變特性情況下,不同超挖深度對圍護結構水平變形的影響。此外,胡力繩[14]亦建立基坑有限元分析模型,探討了支撐架設與否對圍護結構最終水平變形的影響。

總體而言,目前關于鋼支撐滯后架設對基坑圍護結構水平變形影響的研究較多,而對內支撐軸力影響的研究較少。鑒于此,本文以某內撐式地鐵深基坑工程為研究對象,運用Plaxis 有限元軟件,建立有限元模型,以土體超挖厚度大小反映鋼支撐滯后架設程度,系統地開展了基坑不同位置鋼支撐出現不同程度滯后架設對內支撐軸力影響的研究。

1 工程概況

某地鐵車站總長約392 m,為地下兩層島式站臺車站,采用明挖法施工,主體圍護采用800 mm地下連續墻+內支撐的支護體系。標準段開挖深度約17 m,開挖寬度約24 m,盾構端頭井處開挖深度約19 m,開挖寬度約27 m。內支撐體系采用一道鋼筋混凝土支撐與兩道鋼支撐布置形式,第1道支撐采用800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐,其余為Φ609 mm、壁厚16 mm鋼管支撐。標準段連續墻深26 m,盾構井段連續墻深27.5 m,墻底落入全風化花崗巖及殘積土中,嵌固深約9 m。第1道鋼筋混凝土橫撐水平間距約8 m,第2、3道鋼管支撐水平間距為3.5～4 m,預加軸力均為600 kN。地下連續墻混凝土強度等級為C35,第1道混凝土橫撐強度等級為C30。本文以標準段基坑為研究對象,橫斷面如圖2所示。

圖2 基坑標準段橫斷面圖Fig.2 Cross sectional of the deep excavation

2 有限元計算模型

圖3 模型幾何尺寸示意圖Fig.3 The geometric dimension of model

依托上述工程,基于Plaxis2D有限元軟件,建立二維數值計算模型,如圖3所示。其中,模型基坑開挖深度取17 m,基坑開挖寬度取24 m。模型坑外取85 m,為5倍開挖深度,坑底以下深度取51 m,為3倍開挖深度。圍護結構長26 m,嵌固深度9 m,為0.53倍基坑開挖深度,第1道鋼筋混凝土橫撐距離地表1 m,第2、3道鋼管支撐與其相鄰上一道支撐之間的距離分別為6、4.5 m。巖土層從上到下依次為素填土、粉質黏土、殘積礫質黏性土、全風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖、碎裂狀強風化花崗巖、微風化花崗巖,厚度分別為2、4、22、8、4、4、24 m。考慮模型對稱性,取1/2基坑尺寸建立模型。

計算模型中,圍護結構采用板單元來模擬,鋼管支撐采用錨定桿模擬,土體采用小應變硬化模型模擬,基巖采用摩爾庫倫模型模擬,各結構與巖土體物理力學參數參考文獻[8]。其中,圍護結構每延米的軸向抗壓剛度為2.52×107kN,水平抗彎剛度為1.34×106kN·m2；鋼筋混凝土支撐的軸向抗壓剛度為1.92×107kN,水平間距為8 m,鋼管支撐軸向抗壓剛度為6.26×106kN,水平間距為4 m；各巖土體的物理力學參數分別如表1、表2所示。

表1 基巖莫爾-庫倫模型物理力學參數

以超挖厚度大小反映鋼支撐滯后架設程度(超挖厚度越大,鋼支架設越滯后),擬就第2、3道鋼支撐分別出現不同程度滯后架設和第2、3道鋼支撐均出現不同程度滯后架設對基坑內支撐軸力的影響進行分析,其中,單道鋼支撐最大滯后架設程度假設為5 m。以第2道鋼支撐滯后1 m架設為例,模型主要計算分析過程如下:①將初始位移清零,激活板單元,模擬圍護結構施工；②開挖至地表以下1.5 m,施工第1道鋼筋混凝土橫撐；③開挖至地表以下8.5 m,施工第2道鋼支撐(第2道鋼支撐應在開挖至地表以下7.5 m時安裝,此時滯后1 m架設)；④開挖至地表以下12 m,施工第3道鋼支撐；⑤開挖至坑底。

3 鋼支撐滯后架設對支撐軸力的影響分析

基于上述有限元模型,開展了第2、3道鋼支撐分別出現不同程度滯后架設和第2、3道鋼支撐均出現不同程度滯后架設對深基坑內支撐系統軸力影響的有限元計算,下文將詳細分析鋼支撐滯后架設對內支撐軸力的影響。

3.1 第2道支撐滯后架設對支撐軸力的影響

圖4給出了第2道鋼支撐出現不同程度滯后架設時,各內支撐在基坑開挖完成時的軸力變化趨勢圖,圖5給出了第2道鋼支撐出現不同程度滯后架設時,第1道支撐與第2道支撐軸力之和在基坑開挖完成時的變化趨勢圖。可以看出,隨著第2道支撐滯后架設程度的增加,第2道支撐軸力逐漸減小,第1道支撐軸力逐漸增加,這與文獻[6-7]的監測結果一致,第3道支撐軸力有小幅增加,但增加量不大,總體較為穩定。從圖5可以看出,第1道支撐與第2道支撐軸力之和較為穩定,幾乎不隨第2道支撐滯后架設程度的變化而變化,這說明第2道支撐減少的軸力與第1道支撐增加的軸力基本相等。綜上所述,第2道支撐會由于其滯后架設而少承擔坑后主動土壓力；第2道支撐滯后架設對先于其架設的第1道支撐軸力影響較大,對其后架設的第3道支撐軸力影響較小；第1道支撐主要承擔了第2道支撐由于滯后架設而轉移的坑后主動土壓力。

3.2 第3道支撐滯后架設對支撐軸力的影響

圖6給出了第3道鋼支撐出現不同程度滯后架設時,各內支撐在基坑開挖完成時的軸力變化趨勢圖。圖7給出了第3道鋼支撐出現不同程度滯后架設時,第2道支撐與第3道支撐軸力之和在基坑開挖完成時的變化趨勢圖。從圖6可以看出,隨著第3道支撐滯后架設程度的增加,第3道支撐軸力快速減小,第2道支撐軸力迅速增大,第1道支撐軸力逐漸減小。從圖7可以看出,第2道支撐與第3道支撐軸力之和較為穩定,幾乎不隨第3道支撐滯后架設程度的變化而變化,這說明第3道支撐減少的軸力與第2道支撐增加的軸力相等。綜上所述,第3道支撐會由于其滯后架設而少承擔坑后主動土壓力；第3道支撐滯后架設對先于其架設的第2道支撐軸力影響較大；第2道支撐主要承擔了第3道支撐由于滯后架設而轉移的坑后主動土壓力。

表2 土層小應變硬化本構模型物理力學參數

圖4 第2道鋼支撐出現不同程度滯后架設時各內支撐軸力變化趨勢圖Fig.4 The trend of axial forces of each support varies with different degrees of lag erection of the second support

圖5 第2道鋼支撐出現不同程度滯后架設時第1、2道支撐軸力之和變化趨勢圖Fig.5 The sum of axial forces of first and second support varies with different degrees of lag erection of the second support

圖6 第3道鋼支撐出現不同程度滯后架設時各內支撐軸力變化趨勢圖Fig.6 The trend of axial forces of each support varies with different degrees of lag erection of the third support

圖7 第3道鋼支撐出現不同程度滯后架設時第2、3道支撐軸力之和變化趨勢圖Fig.7 The sum of axial forces of second and third support varies with different degrees of lag erection of the third support

當第3道支撐出現滯后架設時,第1道支撐軸力會隨著第3道支撐滯后架設程度的增加而逐漸減小并最終變為負值(拉力)。這是因為與正常施工相比,當第3道支撐出現滯后架設時,圍護結構下部由于缺乏第3道支撐的側向約束,其在兩側較大壓力差的作用下會發生過大踢腳變形,圍護結構整體存在以第2道支撐為支點發生順時針旋轉的變形趨勢(圖8),從而使得圍護結構上部在原來變形的基礎上發生轉向坑外的水平變形，如圖9左上角圍護結構水平變形局部放大示意圖所示；當第3道支撐滯后架設程度較小時,圍護結構上部轉向坑外的變形較小,能部分減少對第1道鋼筋混凝土支撐的橫向壓迫,使得第1道鋼筋混凝土支撐軸力有所減小；當第3道支撐滯后架設程度較大時,圍護結構整體以第2道支撐為支點發生順時針旋轉的變形趨勢逐漸顯著,將進一步減少對第1道鋼筋混凝土支撐的橫向壓迫,第1道鋼筋混凝土支撐軸力會進一步減小,但當圍護結構上部轉向坑外的變形大到一定程度時,由于第1道鋼筋混凝土支撐在施工時一般與圍護結構澆筑在一起,它們之間的連接屬于剛性連接,鋼筋混凝土支撐會阻止圍護結構上部轉向坑外的過大變形以防止基坑發生失穩破壞,從而使得其內部產生反向拉力,第3道支撐滯后架設程度越大,第1道鋼筋混凝土支撐內部產生的反向拉力越大。

圖8 基坑正常開挖與第3道支撐滯后架設時的施工簡圖Fig.8 Diagram for construction of normal excavation and lag erection of the third steel support

圖9 第3道鋼支撐出現不同程度滯后架設時圍護結構最終水平變形曲線Fig.9 The final horizontal displacement curve of retaining structure for third support with different degrees of lag erection

鋼支撐只能承受壓力,不能承受拉力,當第1道支撐采用鋼支撐時,其在第3道支撐滯后架設程度較大時,會與圍護結構脫開,無力阻止圍護結構以第2道支撐為支點發生的旋轉變形,基坑存在失穩破壞的可能；鋼筋混凝土支撐與圍護結構連接成為一個整體,既能承受拉力又能承受壓力,二者組成的支護體系整體性強。上述分析從側面說明了深基坑第1道支撐普遍選用鋼筋混凝土結構的優越性。

3.3 第2、3道支撐均出現滯后架設對支撐軸力的影響

圖10給出了第2、3道鋼支撐均出現不同程度滯后架設時,各內支撐在基坑開挖完成時的軸力變化趨勢圖。從圖10可以看出,當第2、3道支撐均出現滯后架設時,隨著滯后程度的增加,第3道支撐軸力逐漸減小,第2道支撐軸力逐漸增加,這是因為第3道支撐安裝時,即使第2道支撐曾經出現過滯后架設,但其在第3道支撐安裝時已經架設完成,因此,仍然會承擔第3道支撐由于滯后架設而轉移的主動土壓力,從而使得其軸力增加,這與上文僅第3道支撐滯后架設會導致第2道支撐軸力顯著增加的結論一致。

圖10 第2、3道鋼支撐均出現不同程度滯后架設時各內支撐軸力變化趨勢圖Fig.10 The trend of axial forces of each support varies with different degrees of lag erection of the second and third support

第2道支撐滯后架設會導致第1道支撐軸力增加,第3道支撐滯后架設會導致第1道支撐軸力減小,從圖10可以看出,第1道支撐軸力隨著第2、3道支撐滯后架設程度的增大而有小幅度增加,這說明第2道支撐滯后架設引起第1道支撐軸力增大的效果大于第3道支撐滯后架設引起第1道支撐軸力減小的效果,即第2道支撐滯后架設對第1道支撐的影響更顯著,這說明支撐滯后架設對與其相鄰的上一道支撐軸力影響較大,而對與其相隔的上一道支撐軸力影響較小,這與文獻[15]的監測結果一致。

圖11給出了僅第3道鋼支撐出現不同程度滯后架設和第2、3道鋼支撐均出現不同程度滯后架設時,第3道鋼支撐在基坑開挖完成時的軸力變化趨勢圖。從圖11可以看出,無論是第3道支撐出現滯后架設,還是第2、3道支撐均出現滯后架設,第3道支撐軸力隨滯后程度的變化基本一致,再次說明第2道支撐滯后架設對其后架設的第3道支撐軸力影響較小。

圖11 第3道支撐與第2、3道鋼支撐均出現滯后架設時第3道支撐軸力變化趨勢圖Fig.11 The trend of axial forces of the third support varies with different degrees of lag erection of the third support as well as the second and third support

圖12 第2、3道鋼支撐均出現不同程度滯后架設時第2、3道支撐軸力之和變化趨勢Fig.12 The sum of axial forces of second and third support varies with different degrees of lag erection of the second and third support

圖12給出了第2、3道鋼支撐均出現不同程度滯后架設時,第2道鋼支撐與第3道鋼支撐軸力之和在基坑開挖完成時的變化趨勢圖。從圖12可以看出,隨著第2、3道鋼支撐滯后架設程度的逐漸增加,第2、3道支撐軸力之和逐漸減小,這說明第2、3道鋼支撐均出現滯后架設時,其共同承擔的主動土壓力有所減少。圖10中,第1道支撐軸力隨著第2、3道支撐均出現滯后架設程度的增大而有小幅度增加,因此第2、3道支撐少承擔的土壓力一部分會由第1道支撐承擔；另外,在第2、3道支撐均出現滯后架設情況下,當3道支撐滯后架設時,如圖8、圖9所示,會使得圍護結以已經架設的第2道支撐為支點發生順時針旋轉,圍護結構上部支撐軸力減小,下部坑底被動區土體承擔的側向擠壓力必將增大,因此第2、3道支撐少承擔的土壓力一部分也會由坑底被動區土體承擔。

4 結論

以某內撐式地鐵車站深基坑工程為研究對象,建立數值模型,基于有限元計算結果,以基坑超挖厚度表征鋼支撐滯后架設程度,系統深入地分析了鋼支撐滯后架設對基坑內支撐軸力的影響,得出以下主要結論。

(1)鋼支撐滯后架設對與其相鄰的上一道支撐軸力影響較大,對與其相隔的上一道支撐軸力影響較小,對其后架設的支撐軸力影響很小。因此,當清除坑基坑內孤石,出現鋼支撐滯后架設情況時,要加強與滯后架設支撐相鄰的上一道支撐軸力的監測,重點關注其支撐軸力變化情況。

(2)支撐滯后架設會使其自身少承擔坑后主動土壓力。第2道支撐滯后架設少承擔的主動土壓力主要由第1道支撐承擔,第3道支撐滯后架設少承擔的主動土壓力主要由第2道支撐承擔,第2、3道支撐均出現滯后架設而少承擔的主動土壓力則轉移給了第1道鋼筋混凝土支撐和坑底被動區土體。因此,要視情況對多承擔坑后主動土壓力的支撐和坑底被動區土體進行補強。

(3)第3道支撐出現滯后架設,會使得圍護結構以第2道支撐為支點,出現其下部轉向坑內,上部轉向坑外的整體旋轉變形,當第3道支撐滯后架設程度較大時,第1道鋼筋混凝土支撐會產生拉力以阻止圍護結構繼續發生過大旋轉變形而失穩破壞,而鋼支撐僅能承受壓力而不能承受拉力,其作為基坑第1道支撐時則無力阻止這種情況發生,這說明了目前深基坑第1道支撐普遍采用鋼筋混凝土支撐的優越性。