基坑首層鋼管支撐適用性分析范文

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摘要

以某構筑物深基坑工程為背景，根據地質條件特點，建立了能反映地下連續墻整體開挖過程的非線性有限元模型，模擬了基坑開挖及支撐施工步驟。為驗證首層鋼支撐方案的合理性，考慮了在開挖過程中最不利條件下的連續墻應力與變形，鋼支撐應力，并計算了鋼支撐的穩定性，與監測結果進行了對比。所得數值計算結果中鋼支撐全部呈現壓應力，地連墻位移全部向基坑內側。因此，在此類地質環境、工況及鋼管支撐布置形式下，首層鋼管支撐的方案切實可行，所選取的計算方法能夠較為真實地反映實際情況，對類似工程有一定的指導意義。

關鍵詞

基坑開挖；非線性分析；鋼管支撐；適應性

1引言

隨著我國國民經濟的迅速發展，地鐵、高層建筑等城市大型項目數量不斷增長。公共設施或高層建筑常會碰到厚軟土層的地基處理。地連墻作為一種地基加固施工要求低，加固效果優良的施工工藝，在地鐵車站和高層建筑基坑中被廣泛采用［1－3］。地連墻加固［4－5］的基坑，在第2層以下采用鋼支撐的情況下，第1層支撐可采取混凝土和鋼管支撐［6－8］兩種形式，兩者各有利弊。混凝土支撐，其連接性能好，能抗輕度拉力，為現在常用的首層支撐形式，但其造價高，施工時間長、拆除困難。鋼支撐安拆方便快速，可重復利用，但連接性能差，整體穩定性差，用于基坑首層支撐時需對首層鋼支撐的整體穩定性進行評估。鋼支撐的整體穩定性，主要受各構件間的連接性能控制，當連接處地連墻的變形位移向基坑內側時，鋼支撐與地連墻的連接處于壓緊狀態;而地連墻頂端位移向外側時，連接構件松開，鋼支撐有脫落的可能性。因此，在滿足結構受力和變形要求的前提下，可以認為，當鋼支撐連接處地連墻墻頂位移向基坑內側時，采用鋼支撐作為基坑首層支撐是安全的。本文以某構筑物基坑工程為背景，研究了基坑開挖過程的安全性和穩定性。該構筑物基坑工期緊張，需要采用首層鋼支撐來節約安拆時間。在一定基坑土質、水文條件下，通過計算合理布置基坑支護參數，驗證地連墻墻頂位移方向為基坑內側，從而保證基坑的整體穩定性和在開挖工況下的安全。

2工程概況及計算條件

2．1工程概況

2．1．1開挖平面布置方案方案開挖截面尺寸為27．2m×30．0m，開挖深度為16m。

2．1．2支撐及開挖順序支護地連墻墻厚為0．9m;鋼支撐采用直徑500mm，厚度9mm的鋼管;豎向支撐采用角鋼格構架，規格為450mm×450mm，等邊角鋼L125mm×12mm四肢桿，支撐為Q235鋼。內支撐鋼管接頭假設為鉸接，不考慮內支撐的鋼圍檁。

2．1．3鋼支撐布置方案各取順向和橫向的中間槽段為計算范圍，大開挖水平支撐鋼管間距為3．0～4．2m，具體布置見圖1。

2．2計算方法基于ABAQUS的計算采取模擬施工開挖、支撐全過程的非線性模擬［9－11］，以求反映真實情況，主要計算方法為:(1)用線性桿單元模擬鋼支撐，以求得其在開挖過程中的軸向應力。基于摩爾庫倫準則建立土巖體的本構關系，以反映土體的應力－應變非線性特性。(2)建立土體與地連墻，地連墻與樁直接的接觸關系［12－13］。(3)建立整個施工過程中的開挖支護分序(見表1)，共11個計算步驟，其中開挖步為5步。(4)根據開挖過程中監測結果來對比計算結果。

2．3計算參數根據基坑土體實驗參數，經過處理得到表2的計算參數。開挖至支撐完工各階段模型圖例見圖2。。

3計算與監測結果

3．1地連墻相關結果

3．1．1地連墻變形圖3為開挖完成后邊墻變形圖(變形顯示放大500倍)。邊墻橫向位移峰值為5．6mm，出現在順向邊墻頂端的中部位置，垂直向位移峰值為1．1mm，出現在順向邊墻約0．5倍墻高靠近上游的第二個接頭處，順向位移峰值為3．6mm，出現在靠橫向邊墻約0.7倍墻高靠近下游的第二個接頭處。從結果可以看出地連墻位移全部靠向內側。地連墻變形監測與計算結果對比見圖4。圖4a為橫向位移峰值點的橫向位移(方向為往基坑內側)值隨開挖過程的變化圖，圖4b為垂直向位移峰值點的垂直向位移值隨開挖過程的變化圖，圖4c為順向位移峰值點的順向位移(不同位置地連墻，方向仍為往基坑內側)隨開挖過程的變化圖。根據《建筑基坑工程監測技術規范》(GB50497－2009)。基坑安全等級為一級，為地下連續墻加內支撐支護。支護結構頂部最大水平位移允許值為0．002h與30mm較小值(h為地連墻高)。因為0．002h=32mm＞30mm。所以最大水平位移允許值為30mm，監測結果地連墻最大變形為5．9mm，計算地連墻最大變形為5．6mm，故位移值滿足要求，地連墻結構安全。最終結果監測與計算相比誤差5．1%，相差較小，所采用計算方法計算地連墻位移較為準確。

3．1．2地連墻應力邊墻橫向正應力峰值為0．99MPa，出現在順向邊墻約0．5倍墻高的靠近接頭處;垂直向正應力峰值為1．75MPa，出現在順向邊墻約0．5倍墻高的靠近第二個接頭處;順向正應力峰值為1．05MPa，出現在橫向邊墻頂端的靠近左岸的第二個接頭處。地連墻應力監測與計算結果對比見圖5。圖5a為橫向水平正應力峰值點的橫向正應力值隨開挖過程的變化圖，圖5b為垂直向正應力峰值點的垂直向正應力值隨開挖過程的變化圖，圖5c為順向正應力峰值點的順向正應力隨開挖過程的變化圖。

3．2鋼支撐應力及穩定性結果鋼支撐應力值為σ1應力值。從計算結果可以看出鋼管支撐全部為壓應力。水平鋼支撐應力主要由土壓力產生，而垂直鋼支撐應力主要由結構自重作用產生。開挖完成后鋼支撐應力見圖6。各層鋼支撐應力峰值及穩定系數見表3～表4。計算滿足要求，鋼支撐穩定。后續監測得到鋼筋最大軸向壓應力σ1為33．51MPa，與計算結果42．50MPa相差21．1%。根據計算和監測所得安全系數ζ＞1，鋼支撐穩定，不會出現被壓彎的現象。圖6為第五步開挖第一層水平鋼支撐應力。計算結果與監測結果相近，計算值偏大，誤差小于35%，計算方法基本可行，但仍有改進方面，主要體現在鋼管支撐本構模型需要進一步調整，建立起能夠更真實反映鋼管支撐本構關系的模型。

4結束語

基于整個施工過程的計算和監測結果，可以得出以下結論:(1)通過計算、監測結果可知，所采用的計算方法能夠較為真實地反映基坑實際開挖過程。(2)計算與監測結果對比可以發現:地連墻變形、應力計算結果與監測結果變化規律一致，峰值偏差在25%以下，鋼筋應力計算結果比監測結果大20%左右。這主要因為摩爾庫倫本構關系過于保守，計算中增大了實際土壓力，導致鋼筋軸向壓應力計算結果偏大。(3)從計算與監測結果均可以看出，鋼管支撐全部受壓應力，地連墻位移方向向內，地連墻最大拉應力小于其混凝土抗拉強度標準值。因此，鋼支撐方案在此基坑土質、工況及鋼管支撐布置條件下合理可行。基坑地連墻的設計、施工滿足要求。(4)通過對首層鋼支撐的適應性分析可以看出，并不是所有的建筑基坑首層支撐都需要采用混凝土支撐，在滿足一定條件的情況下，可以采用鋼管支撐的形式，同樣可以滿足結構安全性和適用性。

參考文獻

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作者：代峪 單位：中鐵十一局集團房地產開發有限公司