基坑首层钢管支撑适用性分析范文

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

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作者：代峪 单位：中铁十一局集团房地产开发有限公司