深大基坑空间内支撑结构整体受力性能研究

2013-09-06蒋峻峰姚顺忠吴永红

森林工程 2013年4期

蒋峻峰，姚顺忠*，吴永红

（1.西南林业大学土木工程学院，昆明650224;2.云南省建筑科学研究院，昆明， 650000）

伴随着城市经济发展，城市用地日趋紧张，城市高层建筑大量涌现，同时开发城市地下空也间成为必然选择，这也促使基坑工程不断朝着面积更大和深度更深方向发展，内支撑技术大量的由平面形式转化成空间立体形状，因而原有的平面内支撑支护设计方法，已经不能真实反映内支撑与挡土结构及与土体间的相互作用关系［1－3］。实际中研究深大基坑内支撑结构整体受力性能，有两个目的:一是对支挡结构进行优化设计;二是弄清支挡结构在基坑的各个部位的受力和变形情况［4－6］。对前者，由于基坑的深且大的特性，内支撑的使用量也较大，为节约投资，又要使结构处于安全状态，因而对内支撑的内力与变形真实掌握，可以防止过于保守的设计，节省不必要的投资［7－9］。对于后者，在对基坑采取合理的空间计算后，设计人员可以对挡土结构的受力与变形情况、支撑的尺寸和位置是否合理以及其内力是否满足强度和稳定性的要求、冠梁（腰梁）和环梁的内力及变形情况如何、应该怎样对支挡结构的设计与施工方案进行有效的优化等方面，有较深入的认识，因此对大型深基坑的支挡结构进行空间内力分析很有必要［10－12］。

1 计算模型

1.1 计算模型简化

针对粉土和粘性土等软土，在开挖过程中对基坑支护结构造成的影响进行研究。当前，昆明等城市中心均处于软土地带，土质相对较为均匀，因而在这些地区采用排桩进行支护时，可以将排桩当成弹性地基梁来进行计算。基于文克勒地基模型，排桩上任意一点的侧向位移与这一点的压力成正比例关系，即:

式中:k为基床系数;s为排桩侧向位移。

桩、土和内支撑简化计算模型如图1所示，基坑非开挖一侧作用有水土压力和地面超载，考虑地下水位较高，土体均为粉土和粘性土，采用水土合算。对排桩与土的共同作用，将基坑底部内侧土体对挡土结构的作用，近似等效为多个刚性已知的弹簧（土弹簧）对挡土结构的作用，而对坑外土体对土体的作用，采用单向只压弹簧模拟。对排桩外侧土体土压力计算采用规范《建筑基坑支护技术规程JGJ120—99》推荐的方法计算。周围紧邻多栋高层建筑，地下管线复杂，拟在基坑外侧施加超载10 kN/m。

图1 桩土和内支撑简化计算模型Fig.1 Simplied model of pile-soil-strut

将排桩视为弹性体采用杆系梁单元，排桩端承部简化为固定边界，顶部边界条件自由。

基坑内支撑采用桁架结构，排桩顶部设置冠梁，冠梁、腰梁和主要的内支撑梁采用梁单元模拟，次要内支撑只受轴力作用，采用杆单元模拟。

1.2 基本计算方程

令挡土结构的刚度矩阵为［Kz］，内支撑结构刚度矩阵为［Kn］，桩侧水土压力刚度矩阵为［Kt］，则空间整体协调有限元的计算方法为:

式中:{W}为矩阵位移;{F}为荷载矩阵。

2 计算分析

2.1 工程背景

某深大基坑工程，拟建2栋40层办公楼、3栋6层商务楼、2栋3层商业步行街、2栋10层综合楼。基坑平均开挖深度为8.3 m，深处为10.4 m，地下稳定水位为－1.3 m。基坑场地土层情况见表1。

支撑方案:由于该工程场地土层均为软土，基坑为圆形，面积大，直径达到200 m，整个施工过程无法采用常规支撑方案，为保证基坑施工安全和基坑支护费用经济，最后考虑采取空间桁架，平均每隔10 m设置一个大环梁。排桩顶部设置冠梁，以增强排桩的整体性，桩后设置长13.8 m@1 m桩径为1 200 mm的搅拌桩止水帷幕。设置两道内支撑，上面一层采用双圆桁架，下面一层采用三圆组成的桁架，在各内撑节点处设置立柱。基坑支挡结构布置模型如图2所示。

表1 土层的物理力学性质参数表Tab.1 Venue soil information

材料性质:混凝土材料强度为C30和C40;主撑截面为1 600 mm×1 000 mm和1 200 mm×1 000 mm，混凝土保护层厚度为35 mm，次撑为800 mm×600 mm，混凝土保护层厚度30 mm，立柱截面为470 mm×470 mm型钢立柱，主肢4L140×12，柱底插入立柱桩2 m。

图2 SQL查询Fig.2 The structure arrangement diagram of excavation retaining structure

2.2 支挡结构内力变形计算结果

整个开挖过程分为5个工况:①开挖第一道土层至1.7 m;②在1.2 m处加第一道内支撑;③开挖第二道土层至6 m;④在5.5 m处加第二道内支撑;⑤开挖第三道土层至8.3 m。

（1）排桩计算结果分析

排桩平面有限元计算结果显示，基坑在工况5时，排桩向基坑内侧的出现最大计算位移15.57 mm。计算结果如图3所示。图中排桩最大位移出现在第二道支撑的下方靠近基坑底部位置，这主要是基坑下部土压力较大，第二道内支撑布置略靠上和其没达到完全的受力状态所致。桩顶部位移较小，是第一道内支撑支护较早和上部土压力不大造成的。桩底部位移较小，满足工程精度要求，说明采用弹性抗力法分析基坑支挡结构内力时，将桩底部简化为固定端是正确的。从弯矩图、剪力图和位移图可知，位移最大的地方，排桩内力也明显比较大。在工况3，当基坑开挖到6 m时，基坑最大位移出现在开挖标高底部，为3.83 mm，当加撑后桩位移没变化，说明桩的变形是在支撑加上具备支护能力之后就已经完成了，说明基坑的开挖具有很强的时空效应，因此为保证基坑的顺利施工，应该确保基坑施工时间在规定的时间内完成。

图3 位移和内力包络图Fig.3 Placement and internal force envelope diagram

图4 排桩最不利工况下的沿土层厚度的位移与内力变化图Fig.4 The placement and internal force change of rowed pile along the soil thickness under the most unfavorable conditions

排桩空间有限元计算分析结果显示，排桩向基坑内侧的最大位移为21.977 mm，排桩在最不利工况5下沿土层高度的位移和内力变化如图4所示。最大位移出现在排桩顶部，这主要是是由于顶部所经历的施工时间最长，桩的位移变化沿桩深逐渐减小，表现出很强的时效性。此时桩顶弯矩较小但朝向基坑内侧的剪力达到峰值，因而此时桩顶位移主要受剪力控制。

对比排桩平面和空间的有限元计算结果，可以看到在最不利工况下，空间有限元的位移计算结果比平面计算结果明显大许多，这是由于在平面计算模型中需要选取一个内支撑的刚度参数，当内撑刚度参数选取较大时，平面模型计算出的桩位移就会明显比空间模型计算的要小，但两种计算模型均采用弹性地基梁地基模型，因而两种模型出现的桩位移的沿桩深变化趋势基本一致。

（2）内支撑系统计算结果分析

空间有限元计算结果显示，内支撑的平面最大位移为7.60 mm，腰梁的最大位移为9.38 mm，立柱的最大位移出现在立柱的中段，为7.48 mm。内撑系统出现较小位移，说明整个内撑系统的刚度较大，此种拱形的支护结构对基坑支护产生了良好的作用效果。对于立柱，其产生的水平位移说明，其对排桩和内支撑也起到了部分约束作用，同时内支撑对排桩和立柱的整体位移协调起到了关键作用。