孙锦剑

摘 要：本文介绍了杭州市某基坑工程采用型钢斜撑的工程案例，对比了型钢斜撑的理论计算、数值模拟计算及现场实测结果，验证了型钢斜撑用于基坑工程的可行性，以期为今后型钢斜撑用于基坑支护体系提供了新的思路。

关键词：深基坑;支护体系;型钢斜撑;数值模拟

中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0099-03

Abstract： This paper introduced an engineering case of using section steel diagonal bracing in a foundation pit project in Hangzhou， compared the theoretical calculation， numerical simulation calculation and field measurement results of section steel diagonal bracing， verified the feasibility of using section steel diagonal bracing in foundation pit engineering， so as to provide a new idea for the application of section steel diagonal bracing in foundation pit support system in the future.

Keywords： deep foundation pit;supporting system;inclined strut;the numerical simulation

随着我国城市化进程不断加快，城市建设中岩土工程越来越受到广泛的关注[1]。在争取最大的地下空间开发的同时，如何加快工期和节约成本也越来越受到重视。斜撑支护体系可以为深基坑工程施工提供最大的作业空间，在深基坑工程施工中具有很高的应用价值[2]。常规的钢管斜撑一般分为两类：一类是钢管斜抛撑;另一类是前撑注浆钢管桩[上海勘察设计研究院（集团）有限公司专利]。目前，这两类钢管斜撑已在基坑工程中被广泛应用，而型钢直接插入硬土层中但不注浆的斜撑方式在深大基坑工程中的应用几乎属于空白。该类型钢斜撑是对前撑注浆钢管的改进，仍属于上海勘察设计研究院（集团）有限公司专利。

本文结合杭州富阳地区某深基坑工程项目，介绍了型钢斜撑用于深大基坑工程（两层地下室）的成功案例，同时分析了理论计算、有限元数值模拟与现场实测之间的一致性，以为型钢斜撑用于深大基坑项目提供一定的参考。

1 工程概况

本工程位于浙江省杭州市，拟建1～2层地下室，基坑开挖深度为5.75～9.60 m，基坑周长约为1 460 m（见图1），开挖面积约为47 000 m2。基坑安全等级为二级。基坑北侧为现有道路，西侧为河道，南侧为空地，东侧为道路及已建建筑。道路下有一定数量的管线。本场地基坑影响范围内的地质情况如表1所示。

2 支护设计概况

本工程基坑整体开挖面积较大，基坑北侧局部为地下一层，该区域采用钻孔灌注桩双排桩悬臂的支护形式;西侧和南侧为地下两层，采用钻孔灌注桩结合可回收锚杆的支护形式;基坑东侧为地下两层，距离红线较近，且红线外为道路和已建建筑，采用钻孔灌注结合前撑型钢斜撑的支护形式。地下一层与地下二层高差采用高压旋喷桩重力坝。对于斜撑区域，钻孔灌注桩直径为900 mm，桩长为14.0 m，桩间距为1 100 mm，止水采用CSM双轮铣水泥土搅拌墙，型钢斜撑采用H350×350×12×19型钢，长20 m，斜撑间距3.5 m，钢材型号为Q235。

3 斜撑理论计算

型钢支撑的计算主要包括两个方面：一是支撑的稳定性及强度计算;二是型钢插入土层中部分承载力计算。本文采用启明星计算得到支撑的轴力为616 kN，其稳定性和强度安全系数计算公式为：

式中：[F1]为稳定性安全系数;[F2]为强度安全系数;[f]为钢材抗压强度设计值;[N]为支撑轴力;[A]为型钢面积;[An]为型钢净截面面积;[?]为轴心抗压构件的稳定系数。

經计算，两个方向的稳定性安全系数分别为3.63和1.65（规范要求安全系数为1.0），两个方向强度安全系数均为4.85（规范要求安全系数为1.0），故均能满足要求。

插入土中部分的型钢长度约为7.6 m，其中7.2 m在第④层圆砾层中，0.4 m位于第⑩层全风化泥质粉砂岩。其中，第④层圆砾层的极限侧阻力为170 kPa，第⑩层全风化泥质粉砂岩的极限侧阻力为150 kPa，极限端阻力为6 000 kPa，插入土中部分的型钢承载力为1 600 kN。规范要求的承载力安全系数为1.6，计算得到的安全系数为2.6，远大于规范要求值。

因此，无论是稳定性强度还是承载力均满足设计要求。

4 数值模拟计算

4.1 原理及方法

本文采用Hardening-Soil模型模拟土的本构关系。该模型是一种改进后的模拟岩土行为的模型，相对于理想弹塑性模型（Mohr-Coulomb模型），Hardening-Soil模型采用三个不同的输入刚度即可更准确地描述土体刚度，即三轴加载刚度E50、三轴卸载刚度Eur和固结仪加载刚度Eoed。该模型与Mohr-Coulomb模型相比，其优势不仅在于它使用了一条双曲应力-应变曲线，而非双线性曲线，还在于对应力水平依赖性的控制，即所有刚度随着压力的增加而增加，更符合实际情况。

Hardening-Soil模型本质上是一个双曲线的应力-应变关系，其屈服函数为：

式中，[f]是应力的函数，而[γp]是塑性应变的函数，其计算公为：

式中：[q]为三轴加载下的偏应力;[qa]为抗剪强度的渐进值;[E50]和[Eur]分别为与围压相关的主加载模量和卸载再加载模量，其计算公式为：

Hardening-Soil模型的帽盖型屈服面定义为：

式中，[α]是一个与[Knc0]相关的辅助模型参数，[p=-（σ1+σ2+σ3）/3]，[pp]为等向预固结应力。

由于围护桩与周边土体两种材料的刚度相差甚大，有限元分析中采用了接触面单元，考虑到计算中的收敛性，单元类型采用非线性弹簧单元，屈服准则采用线性库仑模型。在接触面的节点处设置切向和法向两根弹簧来模拟桩土间的接触特性，其切向和法向刚度分别为[Ks]和[Kn]。利用虚功原理，可以建立节点力和节点位移的关系表达式：

式中：[F]为节点力向量;[δ]为节点位移向量;[θ]为局部坐标轴与整体坐标轴的夹角;[Dc]为刚度矩阵;[B]为角度矩阵;[BT]为角度矩阵的转置矩阵。

4.2 模型的建立

采用二维有限元平面应变模型进行分析，竖向临空面采用全自由度约束，底部和侧面采用固定约束，分析单元类型与本构模型见表2。有限元计算模型见图2。

结构参数：钻孔灌注桩的弹性模量取20 000 MPa。

在开挖基坑之前，场地存在初始应力场，故首先按土体自重应力场来模拟场地存在的初始应力场。在上述应力场基础上，初始化所有位移与应变为零，仅保存其变化的应力场作为基坑施工模拟的初始应力场。计算中结合设计工况，按表3所列工况进行计算分析。

4.3 计算结果分析

数值模拟的结果如图3所示。由数值模拟结果可以看出，基坑开挖到底后基坑变形对管线和已建建筑存在一定影响，但基坑开挖对其的影响是在可控范围内的。基坑最大变形发生在坑底，最大位移为13.9 mm。模拟的斜撑型钢轴力曲线如图4所示。斜撑的轴力为210 kN/m，按支撑间距3.5 m考虑，支撑轴力为735 kN，该值与启明星计算结果基本一致。

4.4 现场实测

在基坑施工过程中，对该项目进行了基坑监测，测斜结果如图5所示。由图可知，基坑最大位移为21.0 mm。同时，根据现场的轴力监测，斜撑轴力均小于200 kN。结合上节的启明星理论计算值和数值模拟值可知，三者的最大位移均出现在坑底附近，且位移值也基本一致，数值模拟结果相对较小。支撑轴力值现场实测值小于启明星计算值和数值模拟值。

5 结語

本文通过杭州市的一个基坑工程案例，对比理论计算、数值模拟计算及现场实测，验证了型钢斜撑用于基坑工程的可行性。

参考文献：

[1]刘楷.一种内支撑支护体系在深基坑施工期的数值模拟及分析[D].济南：山东大学，2016：6-7.

[2]赵帅权.在深基坑中斜撑支护体系的应用研究[J].工程技术，2020（1）：107.