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基坑首层钢管支撑适用性分析

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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

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27.2m×30.0m,开挖深度为16m。

2.1.2支撑及开挖顺序支护地连墙墙厚为0.9m;钢支撑采用直径500mm,厚度9mm的钢管;竖向支撑采用角钢格构架,规格为450mm×450mm,等边角钢L125mm×12mm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3.0~4.2m,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。

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。。

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5.6mm,出现在顺向边墙顶端的中部位置,垂直向位移峰值为1.1mm,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3.6mm,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。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》(GB50497-2009)。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30mm较小值(h为地连墙高)。因为0.002h=32mm>30mm。所以最大水平位移允许值为30mm,监测结果地连墙最大变形为5.9mm,计算地连墙最大变形为5.6mm,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。

3.1.2地连墙应力边墙横向正应力峰值为0.99MPa,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1.75MPa,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1.05MPa,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。

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。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33.51MPa,与计算结果42.50MPa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[J].城市建设理论研究:电子版,2013(9).

[4]刘杰,刘夕军.超深矩形地连墙导墙安全设计原理[J].水运工程,2011(12):50-53.

[5]夏建国.格形地连墙结构的设计与施工方案探讨[J].水运工程,2004(11):88-91.

[6]李桂花,周生华,周纪煜,等.地下连续墙垂直承载力试验研究[J].同济大学学报:自然科学版,1993(4):575-580.

[7]孟凡超,李涛,陈晓东,等.黄土地区单片地下连续墙水平承载特性试验研究[J].土木工程学报,2006(11):96-100.

作者:代峪 单位:中铁十一局集团房地产开发有限公司

基坑首层钢管支撑适用性分析责任编辑:杨雪    阅读:人次