支撑刚度及预加轴力对支护结构内力及变形的影响研究

支撑刚度及预加轴力对支护结构内力及变形的影响研究【摘要】支护结构内力和变形是验证支护结构设计是否合理、施工期间是否安全的重要依据。以盘锦地下商业街为背景，结合现场监测数据，对基坑支护结构内力及变形数据进行分析，重点分析了钢支撑轴力及桩顶水平位移随时间的变化规律，与基坑支护结构及监测方案设计进行比较，结果表明基坑围护结构设计是安全合理的。同时，研究分析了支撑刚度和预加轴力对支护结构内力和变形的影响，结果表明：（1）支撑刚度对支撑轴力大小及调节支护结构弯矩效果不明显，但能有效控制支护结构的变形；（2）合理的预加轴力对支护结构的内力和变形有明显的调节、控制作用，但对支撑轴力的影响不明显。【关键字】软弱地层基坑支护结构监测支撑轴力位移刚度1前言近年来，随着经济的快速增长和城市规模的不断扩大，城市建设迅猛发展，地下商业街、高层建筑地下室、地铁、隧道等建设中出现了许多超深、大型基坑，因此正确估算基坑支护结构的内力、变形以及对周围环境的影响具有重大的经济和社会效益【1】。深基坑工程是一项综合性很强的系统工程，同时也是一个非常复杂的岩土工程问题，既涉及到土力学中典型的强度和稳定的问题，又包含扰动和变形问题，同时又涉及到土与支护结构的共同作用及施工过程【2】，因此开展监测分析，确保其安全、不失稳、对周围环境不造成破坏性影响，这对进一步完善基坑支护工程设计，减少事故发生频率具有十分重要的意义，对于软弱地层条件下的基坑该意义更为突出。文章以盘锦地下商业街为背景，针对基坑周边环境及地质特点，采用钻孔灌注桩支护加一道钢支撑、桩间设旋喷桩止水帷幕的联合支护形式，并进行了监测方案设计。结合现场监测数据，对基坑支护结构内力及变形数据进行分析，重点分析了钢支撑轴力及支护桩侧向变形随时间的变化规律，与基坑支护结构及监测方案设计进行比较，结果表明基坑围护结构设计是安全合理的。同时，研究分析了支撑刚度和预加轴力对支护结构内力和变形的影响，以期能对该地区同类基坑工程的设计、施工、监测起到指导作用。2工程概况2.1工程地质及水文地质概况盘锦地下商业街位于盘锦市盘山县渤海路下，全长1400m，占地40000m2。一期工程北起红旗大街，南至胜利街，长约875m。根据勘察报告，支护结构范围内场地地层自上而下各土层的物理力学参数如表1所示。表1不同土层的物理力学参数土层编号及名称层厚γCΦ(m)(KN/m3)(KPa)(°)①杂填土1.1~3.619.05.010.0②粉质粘土夹粉土0.1~2.218.722.43.5②1淤泥质粉质粘土0.3~0.818.17.41.3③粉质粘土、粉土互层夹粉砂0.2~10.518.827.17.0③1淤泥质粉质粘土0.4~3.317.616.11.3③2粘土0.4~3.917.725.61.4④粉细砂夹粉质粘土/19.4028.0④1粉质粘土0.4~319.630.38.0场区地下水属第四纪孔隙潜水，主要受地下径流、大气降水补给，具微承压性，水位随季节变化。地下水位埋深为1.20~1.82m。2.2支护结构设计方案基坑侧壁安全等级二级，重要性系数1.0。基坑深度为6.85m~7.35m，基坑宽度为18.3~24.4m。因基坑两侧分布众多住宅、城市管线，地下水位较高，场区以第③层粉质粘土、粉土互层夹粉砂，第④层粉细砂夹粉质粘土为基础持力层及支护桩嵌固层，为软土地基、透水层；最终采用钻孔灌注桩支护加一道钢支撑、桩间设旋喷桩止水帷幕的联合支护形式。钻孔灌注桩直径0.6m，桩间距0.9m；钢支撑采用φ609（壁厚14mm）钢管，支撑间距依据基坑宽度不同按3~5m布置，基坑宽度大于22m处设置立柱，阴角位置加设混凝土或钢角撑；旋喷桩直径0.6m，桩间距0.9m，与钻孔灌注桩搭接不小于150mm；冠梁尺寸1m（1.05m）×0.8m（宽×高）（括号内数据适用于主体结构顶板开口处），冠梁定位于地表下0.5m。钻孔灌注桩及旋喷桩嵌入地面以下9m，钢支撑设在地表下0.73m，支护桩、冠梁及混凝土角撑混凝土强度等级均为C30。2.3监测设计方案为确保基坑的工程质量和施工安全，采取围护措施的同时，根据基坑开挖深度、支护结构的特点、所处的周边环境条件以及规范要求[3-4]进行了必要的监测工作，及时预警预报。监测的主要内容包括桩顶水平位移、桩体内力、支撑轴力、地下水位、基坑周围土体及原有建筑物、道路的沉降，主要监测点布置如图1所示。根据监测数据，及时调整开挖速度及位置，确保基坑及周边环境的安全。图1监测剖面图3基坑应力与变形控制分析以基坑深度7.35m、基坑宽度20.7m、钢支撑采用∅609（壁厚14mm）钢管，地层依次为杂填土、粉质粘土夹粉土、粉质粘土和粉土互层夹粉砂、粉细砂夹粉质粘土的断面为例，运用岩土软件进行模拟，研究支撑刚度及预加轴力对钢支撑轴力、支护桩弯矩、支护桩侧向位移的影响。3.1支撑刚度因素分析在支撑刚度EA/l（E、A、l分别为钢支撑弹性模量、截面积、支撑长度）中，定义A=βA0（A0为φ609钢支撑截面积，β为系数）。研究β对钢支撑轴力、支护桩弯矩及支护桩侧向变形的影响【5】。3.1.1对支撑轴力的影响图5为支撑轴力随支撑刚度的变化。由图可知：随着支撑刚度的增大钢支撑的轴力有增加的趋势，在β＜1时增长速率较大，β≥1时增长速率较小，说明β≥1后，支撑刚度的变化对支撑轴力的影响很小；随着预加轴力的增加，支撑刚度的变化对支撑轴力的影响也是愈来愈小。图5支撑轴力随支撑刚度的变化3.1.2对支护桩弯矩的影响图6支护桩弯矩随支撑刚度的变化图6为支护桩弯矩随支撑刚度的变化。由图可知：墙身正弯矩（开挖侧受拉为正）随支撑刚度的增大而减小，负弯矩随支撑刚度的增大而一定程度的增加；当支撑刚度达到一定的量级后，对支护桩弯矩的影响很小，说明过大的支撑刚度没有必要。3.1.3对支护桩侧向变形的影响图7支护桩侧向变形随支撑刚度的变化桩身侧向变形是反映桩体位移随深度变化的，图7为支护桩侧向变形随支撑刚度的变化。由图可知：（1）支护桩侧向变形随支撑刚度的增大而减小，在β＜1时增长速率较大，β≥1时增长速率相对较小；说明β≥1后，支撑刚度的增大对控制支护桩的侧向变形效果非常有限；（2）支撑刚度的变化主要影响基坑开挖面以上支护桩的变形，对开挖面以下支护桩的位移影响很小。3.2预加轴力因素分析钢支撑施加预加轴力的作用机理是利用钢材轻质、高强、理想弹塑性材料特性，预先给钢支撑施加一定轴力来抵抗基坑侧向土压力，从而达到控制基坑变形效果【6】。为了进行对比，计算时选取的预加轴力分别为0、100kN、200kN、300kN和400kN，研究了预加轴力对钢支撑轴力、支护桩弯矩及支护桩侧向变形的影响。3.2.1对支撑轴力的影响图8支撑轴力随预加轴力的变化图8为支撑轴力随预加轴力的变化，由图可知：随着支撑刚度的增大钢支撑的轴力有增加的趋势，总体上对来讲，预加轴力的变化对支撑轴力的影响很小；随着β的增加，支撑轴力的增长速率逐渐减小。3.2.2对支护桩弯矩的影响图9为预加轴力对支护桩弯矩的影响。由图可知，随着支撑预加轴力的增加，开挖面以上桩体的弯矩的绝对值逐渐增加，开挖面以下桩体的弯矩逐渐减小。与不施加预加轴力相比，每道支撑施加400kN预加轴力时，开挖面以上最大弯矩增加38%，开挖面以下最大弯矩减小36%。图9支护桩弯矩随预加轴力的变化3.2.3对支护桩侧向变形的影响图10支护桩侧向变形随预加轴力的变化对钢支撑施加预加轴力可使钢支撑紧抵支护结构消除支护结构的松弛，从而减少支护结构的位移值。同时，施加预加力还可减少开挖时在土体内积聚起来的剪应力，土体的应力应变关系因此得到改善，进而减少位移量。图10为预加轴力对支护桩侧向变形的影响，由图可知，预加轴力对支护桩侧向变形有良好的控制作用，支护桩侧向变形随预加轴力的增加位移方向由基坑内侧变形逐步改变为向基坑外侧，绝对值随预加轴力的增加而减小，但开挖面以下墙体位移无明显变化。4结论（1）支撑刚度的变化对支撑轴力的影响很小；对支护桩弯矩的影响不明显，支护桩正弯矩（开挖侧受拉为正）随支撑刚度的增大而减小，负弯矩随支撑刚度的增大而一定程度的增加；对支护桩侧向变形有良好的控制作用，支护桩侧向变形随支撑刚度的增大而减小。当支撑刚度达到一定的量级后，对墙体的变形和弯矩的影响很小。（2）预加轴力的变化对支撑轴力的影响很小；对支护桩弯矩的影响明显，支护桩正弯矩（开挖侧受拉为正）随预加轴力的增大而减小，负弯矩绝对值随预加轴力的增大而最增大；对支护桩侧向变形有良好的控制作用，支护桩侧向变形随预加轴力的增加位移方向由基坑内侧变形逐步改变为向基坑外侧，绝对值随预加轴力的增加而减小。参考文献：[1]陆培毅,李金清,雷华阳,等.天津融创广场基坑工程监测及数值模拟分析[J].天津大学学报,2011,44(7):582-586.[2]叶强,吴庆令.某深基坑工程的监测分析与变形特性[J].岩土工程学报,2010,32(增刊2):541-544.[3]JGJ120-2012建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.[4]GB50497-2009建筑基坑工程监测技术规范[S].北京:中国计划出版社,2009.[5]姚燕明,周顺华,孙巍,等.支撑刚度及预加轴力对基坑变形和内力的影响[J].地下空间,2006,23(4):401-404.[6]王光明,萧岩,卢常亘.深基坑钢支撑施加预加轴力的合理数值分析[J].市政技术,2006,24(5):336-339.