构筑物深基坑首层钢管支撑适用性分析.pdf

·岩土工程· 收稿日期：２０１６ ０２ ０３ 基金项目：中铁十一局集团有限公司２０１２ 年度科技研究开发计 划课题（ＺＴ１１ＫＹ２０１２-０１９Ｃ） 构筑物深基坑首层钢管支撑适用性分析 代 峪 （中铁十一局集团房地产开发有限公司 湖北武汉 ４３００６１） 摘 要 以某构筑物深基坑工程为背景，根据地质条件特点，建立了能反映地下连续墙整体开挖过程的非线性 有限元模型，模拟了基坑开挖及支撑施工步骤。为验证首层钢支撑方案的合理性，考虑了在开挖过程中最不利 条件下的连续墙应力与变形，钢支撑应力，并计算了钢支撑的稳定性，与监测结果进行了对比。所得数值计算结 果中钢支撑全部呈现压应力，地连墙位移全部向基坑内侧。因此，在此类地质环境、工况及钢管支撑布置形式 下，首层钢管支撑的方案切实可行，所选取的计算方法能够较为真实地反映实际情况，对类似工程有一定的指导 意义。 关键词 基坑开挖 非线性分析 钢管支撑 适应性 中图分类号 ＴＵ４６７．３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００９ ４５３９ （２０１６）０４ ００８８ ０４ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｆｉｒｓｔ Ｌａｙｅｒ Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｎ Ｄｅｅｐ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｄｉｔｃｈ ｏｆ ａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄａｉ Ｙｕ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ １１ｔｈ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｒｅａｌ Ｅｓｔａｔｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔａｋｉｎｇ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｓ ａ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｙ， ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｒｅｆｌｅｃｔｓ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｌｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ｌａｙｅｒ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｈｅ ｗｏｒｓｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｌｌ，ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｓｕｐｐｏｒｔ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｇｇｅｓｔ ｔｈａｔ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ａｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔｒｅｓｓ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｗａｌｌｓ ａｒｅ ｉｎｗａｒｄ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ． Ｔｈｕｓ，ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ｌａｙｅｒ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｃｈ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｓｕｐｐｏｒｔ．Ａｌｌ ｉｎ ａｌｌ，ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｓｕｐｐｏｒｔ；ａｄａｐｔａｔｉｏｎ １ 引言 随着我国国民经济的迅速发展，地铁、高层建筑 等城市大型项目数量不断增长。公共设施或高层建 筑常会碰到厚软土层的地基处理。地连墙作为一种 地基加固施工要求低，加固效果优良的施工工艺，在 地铁车站和高层建筑基坑中被广泛采用［１ －３］。 地连墙加固［４ －５］的基坑，在第２ 层以下采用钢 支撑的情况下，第１ 层支撑可采取混凝土和钢管支 撑［６ －８］两种形式，两者各有利弊。混凝土支撑，其连 接性能好，能抗轻度拉力，为现在常用的首层支撑 形式，但其造价高，施工时间长、拆除困难。钢支撑 安拆方便快速，可重复利用，但连接性能差，整体稳 定性差，用于基坑首层支撑时需对首层钢支撑的整 ８８ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（０４） ·岩土工程· 体稳定性进行评估。钢支撑的整体稳定性，主要受 各构件间的连接性能控制，当连接处地连墙的变形 位移向基坑内侧时，钢支撑与地连墙的连接处于压 紧状态；而地连墙顶端位移向外侧时，连接构件松 开，钢支撑有脱落的可能性。因此，在满足结构受 力和变形要求的前提下，可以认为，当钢支撑连接 处地连墙墙顶位移向基坑内侧时，采用钢支撑作为 基坑首层支撑是安全的。 本文以某构筑物基坑工程为背景，研究了基坑开 挖过程的安全性和稳定性。该构筑物基坑工期紧张， 需要采用首层钢支撑来节约安拆时间。在一定基坑 土质、水文条件下，通过计算合理布置基坑支护参数， 验证地连墙墙顶位移方向为基坑内侧，从而保证基坑 的整体稳定性和在开挖工况下的安全。 ２ 工程概况及计算条件 ２．１ 工程概况 ２．１ ．１ 开挖平面布置方案 方案开挖截面尺寸为２７．２ ｍ ×３０．０ ｍ，开挖深 度为１６ ｍ。 ２．１ ．２ 支撑及开挖顺序 支护地连墙墙厚为０．９ ｍ；钢支撑采用直径 ５００ ｍｍ，厚度９ ｍｍ 的钢管；竖向支撑采用角钢格构 架，规格为４５０ ｍｍ ×４５０ ｍｍ，等边角钢Ｌ１２５ ｍｍ × １２ ｍｍ 四肢杆，支撑为Ｑ２３５ 钢。内支撑钢管接头 假设为铰接，不考虑内支撑的钢围檩。 ２．１ ．３ 钢支撑布置方案 各取顺向和横向的中间槽段为计算范围，大开挖 水平支撑钢管间距为３．０ ～４．２ ｍ，具体布置见图１。 ２．２ 计算方法 基于ＡＢＡＱＵＳ 的计算采取模拟施工开挖、支撑 全过程的非线性模拟［９ －１１］，以求反映真实情况，主 要计算方法为：（１）用线性杆单元模拟钢支撑，以求 得其在开挖过程中的轴向应力。基于摩尔库伦准 则建立土岩体的本构关系，以反映土体的应力－应 变非线性特性。（２）建立土体与地连墙，地连墙与 桩直接的接触关系［１２ －１３］。（３）建立整个施工过程 中的开挖支护分序（见表１），共１１ 个计算步骤，其 中开挖步为５ 步。（４）根据开挖过程中监测结果来 对比计算结果。 表１ 开挖支护分序 计算步骤计算类型深度 １ 地连墙浇筑 ２ 竖向角钢格构架支撑 ３ 第一步开挖０ ～１．０ ｍ ４ 第一步水平支撑０．５ ｍ ５ 第二步开挖１ ～５．５ ｍ ６ 第二步水平支撑５ ｍ ７ 第三步开挖５．５ ～９．５ ｍ ８ 第三步水平支撑９ ｍ ９ 第四步开挖９．５ ～１３．５ ｍ １０ 第四步水平支撑１３ ｍ １１ 第五步开挖１３．５ ～１６ ｍ ２．３ 计算参数 根据基坑土体实验参数，经过处理得到表２ 的计 算参数。开挖至支撑完工各阶段模型图例见图２。 图１ 钢支撑水平布置（单位：ｃｍ） 图２ 第五步开挖模型 表２ 材料主要物理力学参数（计算采用） 材料类型 弹性（变形） 模量Ｅ／ＭＰａ 泊松 比ｖ ｃ／ＭＰａ φ／（°） 密度／（ｋＮ·ｍ－３） 湿干 混凝土Ｃ３５ ３１ ５００ ０．１６７ ２５ 地连墙及 接口Ｃ２０ ２５ ５００ ０．１６７ ２５ 钢支撑Ｑ２３５ ２００ ０００ ０．３０ ７８．５ 含漂砂卵砾石５５ ０．３０ ０．０００ ０１ ２７．９２ ２３．２５ ２２．４ 青灰色粉 砂质黏土１７．５ ０．３５ ０．０１ １９．８０ １９．１５ １４．６ 砂卵砾石５５ ０．３０ ０．０００ ０１ ２７．９２ ２３．２５ ２２．６ Ⅱ １２ ５００ ０．２２ ０．７ ５２．４３ ２７．８ Ⅲ ５ ５００ ０．２５ ０．５ ４８．９９ ２７．７ Ⅳ ３ ０００ ０．２８ ０．２５ ３８．６６ ２７．４５ Ⅴ ６００ ０．３５ ０．１５ ３３．０２ ２４．７５ 断层７００ ０．３５ ０．０００ ０１ １１．３１ ２３．５ ３ 计算与监测结果 ３．１ 地连墙相关结果 ３．１ ．１ 地连墙变形 图３ 为开挖完成后边墙变形图（变形显示放大 ５００ 倍）。边墙横向位移峰值为５．６ ｍｍ，出现在顺向 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（０４） ８９ ·岩土工程· 边墙顶端的中部位置，垂直向位移峰值为１．１ ｍｍ，出 现在顺向边墙约０．５ 倍墙高靠近上游的第二个接头 处，顺向位移峰值为３．６ ｍｍ，出现在靠横向边墙约 ０．７ 倍墙高靠近下游的第二个接头处。 图３ 边墙变形 从结果可以看出地连墙位移全部靠向内侧。 地连墙变形监测与计算结果对比见图４。图４ａ 为横向位移峰值点的横向位移（方向为往基坑内 侧）值随开挖过程的变化图，图４ｂ 为垂直向位移峰 值点的垂直向位移值随开挖过程的变化图，图４ｃ 为 顺向位移峰值点的顺向位移（不同位置地连墙，方 向仍为往基坑内侧）随开挖过程的变化图。 根据《建筑基坑工程监测技术规范》（ＧＢ ５０４９７ －２００９）。基坑安全等级为一级，为地下连续墙加 内支撑支护。支护结构顶部最大水平位移允许值 为０．００２ｈ 与３０ ｍｍ 较小值（ｈ 为地连墙高）。因为 ０．００２ｈ ＝３２ ｍｍ ＞３０ ｍｍ。所以最大水平位移允许 值为３０ ｍｍ，监测结果地连墙最大变形为５．９ ｍｍ， 计算地连墙最大变形为５．６ ｍｍ，故位移值满足要 求，地连墙结构安全。最终结果监测与计算相比误 差５．１％，相差较小，所采用计算方法计算地连墙位 移较为准确。 图４ 地连墙变形监测值与计算结果对比 ３．１ ．２ 地连墙应力 边墙横向正应力峰值为０．９９ ＭＰａ，出现在顺向 边墙约０．５ 倍墙高的靠近接头处；垂直向正应力峰值 为１．７５ ＭＰａ，出现在顺向边墙约０．５ 倍墙高的靠近 第二个接头处；顺向正应力峰值为１．０５ ＭＰａ，出现 在横向边墙顶端的靠近左岸的第二个接头处。 地连墙应力监测与计算结果对比见图５。图 ５ａ 为横向水平正应力峰值点的横向正应力值随开 挖过程的变化图，图５ｂ 为垂直向正应力峰值点的 垂直向正应力值随开挖过程的变化图，图５ｃ 为顺 向正应力峰值点的顺向正应力随开挖过程的变 化图。 图５ 地连墙应力监测与计算值对比 ３．２ 钢支撑应力及稳定性结果 钢支撑应力值为σ１ 应力值。从计算结果可以 看出钢管支撑全部为压应力。水平钢支撑应力主 要由土压力产生，而垂直钢支撑应力主要由结构自 重作用产生。开挖完成后钢支撑应力见图６。各层 钢支撑应力峰值及稳定系数见表３ ～表４。 ９０ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（０４） ·岩土工程· 图６ 第五步开挖第一层水平钢支撑应力 表３ 钢支撑应力ＭＰａ 钢支 撑应力 支撑 方向 第一层 水平支撑 第二层 水平支撑 第三层 水平支撑 第四层 水平支撑 σ１ 横向－４２．５０ －２５．０３ －１６．０３ －５．０２ 顺向－３６．８７ －２２．０８ －１４．１８ －４．００ 表４ 钢支撑安全系数 安全 系数 支撑 方向 第一层 水平支撑 第二层 水平支撑 第三层 水平支撑 第四层 水平支撑 ζ 横向２．０１ ３．４２ ５．３４ １７．０３ 顺向１．９０ ３．１７ ４．９３ １７．５１ 根据《钢结构设计规范》（ＧＢ ５００１７ －２００３），钢 管稳定性可由下式计算： Ｎφ Ａ ＝ σ φ≤ ｆ （１） 式中，Ｎ 为构件受到的轴心压力；σ为构件的压应 力；φ为轴心受压构件的稳定系数，取截面两主轴稳 定系数中较小者；ｆ为钢抗压强度标准值。 式（１）的另一种形式为： ζ＝ｆφ σ≥ １ （２） 式中，ζ为计算安全系数，ζ≥１ 时钢支撑稳定。 计算满足要求，钢支撑稳定。后续监测得到钢 筋最大轴向压应力σ１ 为３３．５１ ＭＰａ，与计算结果 ４２．５０ ＭＰａ 相差２１．１％。根据计算和监测所得安全 系数ζ＞１，钢支撑稳定，不会出现被压弯的现象。 图６ 为第五步开挖第一层水平钢支撑应力。 计算结果与监测结果相近，计算值偏大，误差 小于３５％，计算方法基本可行，但仍有改进方面，主 要体现在钢管支撑本构模型需要进一步调整，建立 起能够更真实反映钢管支撑本构关系的模型。 ４ 结束语 基于整个施工过程的计算和监测结果，可以得 出以下结论： （１）通过计算、监测结果可知，所采用的计算方 法能够较为真实地反映基坑实际开挖过程。 （２）计算与监测结果对比可以发现：地连墙变 形、应力计算结果与监测结果变化规律一致，峰值 偏差在２５％以下，钢筋应力计算结果比监测结果大 ２０％左右。这主要因为摩尔库伦本构关系过于保 守，计算中增大了实际土压力，导致钢筋轴向压应 力计算结果偏大。 （３）从计算与监测结果均可以看出，钢管支撑 全部受压应力，地连墙位移方向向内，地连墙最大 拉应力小于其混凝土抗拉强度标准值。因此，钢支 撑方案在此基坑土质、工况及钢管支撑布置条件下 合理可行。基坑地连墙的设计、施工满足要求。 （４）通过对首层钢支撑的适应性分析可以看 出，并不是所有的建筑基坑首层支撑都需要采用混 凝土支撑，在满足一定条件的情况下，可以采用钢 管支撑的形式，同样可以满足结构安全性和适用性。 参考文献 ［１］ 张顺．地下连续墙施工方法概述［Ｊ］．水利水电施工， ２０１０（３）：７２ －７６． ［２］ 陈子山．浅谈地下连续墙支护优点与关键施工技术 ［Ｊ］．山西建筑，２０１１，３７（７）：４９ －５０． ［３］ 余玲君，唐云林．地下连续墙优缺点和施工要点分析 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