某深基坑内支撑支护体系动态施工过程支护桩的变形研究

田沛恒, 高玉华

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 建筑设计研究院，安徽 合肥 230009)

某深基坑内支撑支护体系动态施工过程支护桩的变形研究

田沛恒1, 高玉华2

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 建筑设计研究院，安徽 合肥 230009)

以某医学院第一附属医院深基坑工程为背景，利用MIDAS/GTS NX有限元软件进行三维数值模拟。依据该工程的设计方案和施工方案，模拟深基坑施工中开挖、加撑、拆撑全过程支护桩的位移变化情况，分析支护桩水平位移的变化规律及主要影响因素，从而对设计及施工提供建议。

内支撑；深基坑；有限元；变形

0 引 言

随着内支撑技术大量的由平面形式转化成空间立体形状，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支护体系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，设计人员可以根据支护结构的受力与变形情况、内支撑的尺寸和位置是否合理、内力是否满足强度和稳定性的要求等方面有较深入的认识，因此对大型深基坑的支护结构进行空间内力分析很有必要[4-5]。同时基坑深且大的特性使得内支撑的使用量较大，为节约投资，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。本文通过分析深基坑动态施工中开挖、加撑、拆撑全过程的位移变化情况[6]，研究位移形成原因及主要影响因素，分析位移变形规律，并对设计及施工提供建议。

1 工程实例

1.1 工程概况

该医学院第一附属医院深基坑工程为2栋25层肿瘤综合楼及2层地下室，基坑工程安全等级为一级，支护有效深度为10.25～12.35 m，基坑面积约1.08万m2；基坑周边环境复杂，北侧紧邻市政道路，东北侧、西侧及南侧各存在10层教学实验楼、20层门急诊内科楼及4层办公楼。根据岩土工程勘察报告，拟建场地地形整体较平坦，天然地基土状态一般，强度较低。场地地下水丰富，基坑工程施工需进行降止水处理。基坑平面图及周边环境情况如图1所示。各土层的物理性质与力学参数见表1所列。

图1 基坑平面图及周边环境情况

表1 土层物理力学参数表

土层天然重度γ/(kN·m-3)内摩擦角φ/(°)粘聚力c/kPa压缩模量/MPa①层素填土19．010．04．05．00②层粉土19．317．98．86．98③层粉质黏土19．742．412．18．59④层粉土19．329．715．28．92⑤层粉质黏土19．851．113．38．85⑥层粉质黏土19．948．512．68．61

1.2 基坑支护方案

本工程基坑采用排桩与钢筋混凝土内支撑相结合的支护方案，局部加设钢格构斜撑，排桩支护桩间设置旋喷桩止水帷幕。支护桩桩径1 100 mm，长度为20.25～24.35 m，采用钻孔灌注桩施工工艺。支护桩沿基坑周边布置，间距为1 500 mm和2 000 mm两种规格。支护桩之间为2～3根直径600 mm旋喷桩止水帷幕，间距350 mm，桩长21.00 m，进入⑤层土约4 m。冠梁、圈梁均采用C35混凝土，冠梁截面为1 000 mm×1 100 mm(高×宽)，圈梁截面为1 000 mm×1 000 mm(高×宽)。内支撑采用C35钢筋混凝土结构，截面为1 000 mm×800 mm(高×宽)，共设两道，两道内支撑布置位置一致，上下对应。基坑南侧近办公楼处设置5个钢格构斜撑，钢格构斜撑采用4L140×12。支护结构剖面如图2所示。

图2 支护结构剖面图

2 有限元模型

2.1 模型尺寸

基坑开挖影响范围取决于开挖基坑平面形状、开挖深度和土质条件等因素。模型中，水平边界与基坑边的距离取3倍基坑最终开挖深度，垂直地面方向，模型下边界至坑底距离取为2倍开挖深度。考虑基坑周边建筑及道路情况，最终建立模型尺寸264 m×182 m×35 m，有限元模型如图3所示。

图3 基坑支护工程有限元模型

2.2 材料定义

根据勘察报告数据分别定义每层土体，土体的本构模型采用摩尔库伦模型。支撑、支护桩采用混凝土梁单元，立柱、钢格构斜撑采用型钢梁单元。

2.3 荷载定义

结构自重按实际重量考虑，钢筋混凝土重度为26 kN/m3，钢材重度为78 kN/m3；深基坑施工过程中，考虑施工荷载、坑边堆载、基坑周边道路车流量等，这些荷载根据大量工程实例的经验，临时性荷载可定为20 kN/m2；基坑东北侧10层建筑(筏板基础)在地面以下7.50 m处荷载取60 kN/m2。引起支撑结构内力和变形的原因除了土压力和水压力等荷载外，还有温度变化、混凝土收缩与徐变等非荷载因素[7-8]。根据文献[9]规定，“内支撑结构分析时，应同时考虑下列作用：当温度改变引起的内支撑结构内力不可忽略不计时，应考虑温度应力”；根据文献[10]，普通混凝土线膨胀系数αT=1.0E-5/℃；结合蚌埠地区气象记录，对支撑施加温差为10 ℃的温度荷载。

2.4 边界条件

利用模型自带的地面支承设置，模型侧面限制水平向位移，底面全约束；立柱节点设置绕Z轴转动约束，立柱桩底端节点设置固端约束。

2.5 开挖工况

工况1：开挖至第一道支撑底；

工况2：施工第一道支撑，开挖至第二道支撑底；

工况3：施工第二道支撑，开挖至基础底；

工况4：施工基础底板，拆除第二道支撑；

工况5：施工负一层底板、钢格构斜撑；

工况6：拆除第一道支撑、钢格构斜撑。

3 数值模拟结果与分析

3.1 支护桩顶水平位移分析

基坑施工至工况3时支护桩变形如图4所示。基坑A-B、D-E、F-A区段支护桩顶水平位移如图5～图7所示。

图4 支护桩变形图

(1) 图5至图7在工况2及工况3下支撑节点位置均出现远离基坑方向的位移，且增幅较大，增幅最大可达2.79 mm。这是由于在施工荷载中加入了温度荷载，温度升高使得内支撑发生较大的伸长，引起支护桩在支撑节点位置的位移变化。由此可知，在内支撑长度很大的情况下温度升高所造成的体积变化不可忽略。

(2) 随着开挖过程的完成，工况3至工况5的位移图形基本保持一致，即在拆除第一道支撑前的施工工况对桩顶位移影响较小，支护结构稳定。

图5 A-B段支护桩顶水平位移图

图6 D-E段支护桩顶水平位移图

图7 F-A段支护桩顶水平位移图

(3) 从图5至图7可以看出，基坑施工在工况6时支护桩顶均产生较大位移增长，最大增幅可达到6.76 mm。该工况下支撑及斜撑的拆除使得支护桩上部约束消除，支护桩呈悬臂形式，基坑外侧土压力引起支护桩顶向基坑内侧偏移。

3.2 深层水平位移分析

支护结构P、M、N点支护桩深层水平位移，如图8～图10所示。

图8 P点支护桩深层水平位移图

图9 M点支护桩深层水平位移图

图10 N点支护桩深层水平位移图

(1) 工况1至工况6的桩身水平位移均在不断增大，在支护桩底最大可达20.50 mm。位移图形呈“踢脚型”，图形整体不同于支护桩端嵌入岩层等坚硬土层的图形。这是由于支护桩底土质较差，基坑开挖引起坑底土体应力释放，坑外土体向坑内流动，使得桩底位移不断增大。

(2) 图8至图10在支撑及基础底板处位移增长较少，除工况6外位移增长较稳定。该处由于支撑及基础底板刚度较大，支护结构共同受力，形成较为稳定的整体，因此支撑范围内支护桩位移变化稳定。

4 结 论

(1) 内支撑支护体系在跨度较大的基坑中应用时应考虑温度应力以及因此产生的支护结构的变形。支护桩顶水平位移随着支护结构整体的完成而趋于稳定。在拆撑完成后桩顶位移会有一定幅度的增加，施工时应加强监测。

(2) 在基坑开挖过程中，支护桩的整体位移随着基坑开挖深度的增加而增大。支护桩底所在土层的强度直接影响基坑底板以下支护桩的位移趋势，支护桩下部的过大位移也可能引起支护结构失稳，在设计中要注意支护桩端土层的选择，必要时可采取加固措施。

(3) 内支撑支护体系在支撑范围内能较好地控制土体的变形，并在施工过程中具有良好的稳定性，可以用于周边环境复杂、基坑周围土体变形控制要求较高的深大基坑工程。

[1] 陆培毅，李绍忠，顾晓鲁.基坑支护结构的空间分析[J].岩土力学，2004(1):121～124.

[2] 蒋峻峰，姚顺忠，吴永红.深大基坑空间内支撑结构整体受力性能研究[J].森林工程，2010,29(4):124～127.

[3] 周赞良，付艳斌，丘建金，等.复杂软土地区深基坑内支撑与锚索共同作用初探[J].岩土工程学报，2014，36(S1):396～399.

[4] 俞建霖，龚晓南.基坑工程变形性状研究[J].土木工程学报，2002，35(4):86～90.

[5] 李方成，郭利娜，胡 斌，等.基于MIDAS软件探讨施工工序对深基坑稳定性的影响[J].长江科学院院报，2013,30(3):49～54．[6] 帅红岩，陈少平，曾 执.深基坑支护结构变形特征的数值模拟分析[J].岩土工程学报，2014,36(S2):374～380.

[7] 彭全敏，王 沛，刘 琦.混凝土内支撑结构温度效应三维数值分析[J].地下空间与工程学报，2016,12(1):107-113．

[8] 姜忻良，孙良涛，宗金辉.双基坑大直径双环梁支护体系监测与分析[J].岩土力学，2006,27(7):1204～1208．

[9] JGJ 120-2012，建筑基坑支护技术规程[S]．

[10] GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S]．

2016-07-25

田沛恒(1991-)，男，山西运城人，合肥工业大学硕士生； 高玉华(1963-)，男，安徽太和人，合肥工业大学教授．

TU463

A

1673-5781(2016)04-0505-04