内支撑体系温度效益对深基坑变形的影响分析

□文/王 莹

城市建设的迅速发展，极大地促进了地下空间资源的开发和利用，三维地下空间已作为一种主要的自然资源加以开发[1]。周边环境复杂的大型超深基坑工程，围护结构和内支撑体系暴露的时间往往相对较长，会受到环境温度变化的影响。环境温度变化包括大气温度随季节和昼夜温差的变化以及混凝土支撑结构施工时产生的水化热。当支撑体系过长时间暴露在大气中时，受热胀冷缩的作用和支撑体系本身的约束，支撑杆件会产生附加应力和变形。

关于温度效应对混凝土基坑支护体系的影响，很多学者做了大量的研究。吴胜兴[2]总结了目前几种混凝土结构温度应力的计算方法，对影响混凝土温度应力的几个主要因素：徐变与应力松弛、弹性模量、内外约束、裂缝以及混凝土的干缩变形等分别进行了讨论。郑刚等[3]在弹性抗力法分析因温差所引起基坑支护系统内力变化研究成果的基础上，提出了一种考虑支撑-围护桩-土相互作用的基坑支护水平支撑温度应力的简化分析方法。陆培毅等[4]通过有限元数值模拟，提出将温度场耦合到应力场中来分析基坑支护支撑的温度效应。胡琦等[5]通过对日本东京新丰洲变电所深基坑工程实测结果的反分析，确定了温度场对环形深基坑围护结构受力变形影响的分析方法，指出温度场对深基坑围护结构受力变形的影响不仅是温度场与应力场的热力耦合问题，同时也是水、土、围护结构共同作用的问题。

上述研究多是计算环境温度变化对整个围护结构内力的影响且大多数局限于理论分析，数值分析时将基坑围护体系的变形简化为平面应变问题。本文以在建实际工程为依托，利用三维有限元软件，着重分析了在温度效应作用下内支撑体系的变形情况，为今后天津地区类似基坑围护结构的受力变形分析提供了一种参考方法。

1 工程概况

某工程位于天津市南开区水上公园北路和卫津路交口，基坑周长约为1 280 m，占地面积约88 000 m2，深度约16 m。整个基坑开挖历时较长，导致支撑体系长时间暴露于大气中。根据天津市气温变化统计资料，考虑到季节变换和昼夜交替的影响，基坑开挖过程中，温度变化极限值约为15 ℃。

工程周边环境较为复杂，北侧水上公园北路下方为地铁3号线的线路及天塔站；东侧、南侧紧邻卫津南路和天塔道；西侧紧邻在建的某高层建筑项目。基坑采用钻孔灌注桩（邻近地铁站处采用地下连续墙）+两道钢筋混凝土内支撑进行支护，其中钢筋混凝土内支撑为桁架式支撑。由于基坑深度大，止水帷幕已隔断深部承压水。

2 数值模型建立

由于基坑跨度较大，为分析模拟温度变化对支撑体系变形的影响，采用ABAQUS 进行三维数值分析并采用MIDAS 进行复核。由于主要考虑支撑平面内受温度影响的变形，计算中忽略重力影响。混凝土杆件均采用线弹性梁单元，杆件节点为刚性连接。基坑中的支护桩与冠梁共轴线，支护桩的存在会大大约束冠梁轴向变形，因此冠梁的轴向变形可忽略不计，模型中对支撑体系的冠梁施加了轴向变形约束。见表1和图1。

表1 有限元计算参数

图1 支撑三维数值模型

3 结果分析

3.1 ABAQUS计算结果

3.1.1 第一道支撑变形

基坑东侧最大水平变形为26.6 mm，西侧最大水平变形为21 mm；北侧最大水平变形为18.7 mm；南侧最大水平变形29.4 mm；地铁站位置处最大水平变形为4.5 mm。见图2。

图2 第一道支撑变形

3.1.2 第二道支撑变形

基坑东侧最大水平变形为12.1 mm，西侧最大水平变形为37.8 mm，北侧最大水平变形为14.5 mm，南侧最大水平变形34.1 mm；地铁站位置处支撑最大水平变形为4.3 mm。见图3。

图3 第二道支撑变形

3.2 MIDAS/GTS复核结果

3.2.1 第一道支撑

基坑东侧最大水平变形为26.2 mm，西侧最大水平变形为24.7 mm，北侧最大水平变形为19.6 mm，南侧最大水平变形24.1 mm；地铁站位置处支撑最大水平变形为5.6 mm。见图4。

图4 复核第一道支撑变形

3.2.2 第二道支撑

基坑东侧最大水平变形为10.2 mm，西侧最大水平变形为37.8 mm，北侧最大水平变形为14.9 mm，南侧最大水平变形为34.3 mm；地铁站位置处支撑最大水平变形为5.2 mm。见图5。

图5 复核第二道支撑变形

4 结论

在温差较大的情况下，温度的变化会对基坑支护支撑体系的变形产生较大影响，是不可忽略的。因此，基坑开挖过程中，当基坑周边情况复杂、对变形控制要求较为严格时，应将温度效应作为一种设计条件予以考虑。