钢支撑滞后架设对深基坑内支撑轴力的影响

胡之锋，卢雪松，陈 健，邱岳峰，李 科

(1.黄冈师范学院建筑工程学院,黄冈 438000；2.中国科学院武汉岩土力学研究所,岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071；3.中国科学院大学,北京 100049)

中国东南沿海地区分布着大量花岗岩,广东、福建两省花岗岩出露面积达到总面积的30%～40%[1]。出露花岗岩体随着时间的推移会从薄弱的节理部位开始风化,闽、粤沿海地区风化花岗岩残积层厚度一般在20～35 m[2]。在花岗岩风化过程中,由于部分岩块存在利于提高其力学性能的显微结构,使得其风化程度会明显低于周围其他岩土体,从而呈现为“孤石”状态[3]。中国东南沿海花岗岩地区深基坑开挖施工过程中极易遇到这种孤石,如图1工程实例所示,部分孤石位于钢支撑设计标高附近,不利于钢支撑及时架设；另外,为了确定其形态大小,便于清除操作,一般会挖除其周围土体；二者综合作用会使钢支撑出现滞后架设,基坑处于超挖状态。

图1 孤石与钢支撑滞后架设Fig.1 Solitary stone and lag erection of steel bracing

钢支撑滞后架设,基坑超挖会对深基坑围护结构、内支撑体系及周边环境带来不利影响,危及基坑自身及周边环境安全[4-8]。黄珠微[9]建立有限元模型,分析了局部不同超挖厚度对基坑围护结构水平变形的影响。黄天明等[10]采用显式有限差分法,综合研究了基坑超挖深度对围护结构水平变形及弯矩的影响。罗阳洋[11]建立有限元模型,系统研究了基坑超挖深度、超挖范围及超挖位置对围护结构水平变形的影响。张广达[12]采用显式有限差分法,建立数值模型,探讨了不同超挖深度对围护结构水平变形和地表沉降的影响规律。谢秀栋等[13]建立有限元模型,研究了考虑土体蠕变特性情况下,不同超挖深度对围护结构水平变形的影响。此外,胡力绳[14]亦建立基坑有限元分析模型,探讨了支撑架设与否对围护结构最终水平变形的影响。

总体而言,目前关于钢支撑滞后架设对基坑围护结构水平变形影响的研究较多,而对内支撑轴力影响的研究较少。鉴于此,本文以某内撑式地铁深基坑工程为研究对象,运用Plaxis 有限元软件,建立有限元模型,以土体超挖厚度大小反映钢支撑滞后架设程度,系统地开展了基坑不同位置钢支撑出现不同程度滞后架设对内支撑轴力影响的研究。

1 工程概况

某地铁车站总长约392 m,为地下两层岛式站台车站,采用明挖法施工,主体围护采用800 mm地下连续墙+内支撑的支护体系。标准段开挖深度约17 m,开挖宽度约24 m,盾构端头井处开挖深度约19 m,开挖宽度约27 m。内支撑体系采用一道钢筋混凝土支撑与两道钢支撑布置形式,第1道支撑采用800 mm×800 mm钢筋混凝土支撑,其余为Φ609 mm、壁厚16 mm钢管支撑。标准段连续墙深26 m,盾构井段连续墙深27.5 m,墙底落入全风化花岗岩及残积土中,嵌固深约9 m。第1道钢筋混凝土横撑水平间距约8 m,第2、3道钢管支撑水平间距为3.5～4 m,预加轴力均为600 kN。地下连续墙混凝土强度等级为C35,第1道混凝土横撑强度等级为C30。本文以标准段基坑为研究对象,横断面如图2所示。

图2 基坑标准段横断面图Fig.2 Cross sectional of the deep excavation

2 有限元计算模型

图3 模型几何尺寸示意图Fig.3 The geometric dimension of model

依托上述工程,基于Plaxis2D有限元软件,建立二维数值计算模型,如图3所示。其中,模型基坑开挖深度取17 m,基坑开挖宽度取24 m。模型坑外取85 m,为5倍开挖深度,坑底以下深度取51 m,为3倍开挖深度。围护结构长26 m,嵌固深度9 m,为0.53倍基坑开挖深度,第1道钢筋混凝土横撑距离地表1 m,第2、3道钢管支撑与其相邻上一道支撑之间的距离分别为6、4.5 m。岩土层从上到下依次为素填土、粉质黏土、残积砾质黏性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、微风化花岗岩,厚度分别为2、4、22、8、4、4、24 m。考虑模型对称性,取1/2基坑尺寸建立模型。

计算模型中,围护结构采用板单元来模拟,钢管支撑采用锚定杆模拟,土体采用小应变硬化模型模拟,基岩采用摩尔库伦模型模拟,各结构与岩土体物理力学参数参考文献[8]。其中,围护结构每延米的轴向抗压刚度为2.52×107kN,水平抗弯刚度为1.34×106kN·m2；钢筋混凝土支撑的轴向抗压刚度为1.92×107kN,水平间距为8 m,钢管支撑轴向抗压刚度为6.26×106kN,水平间距为4 m；各岩土体的物理力学参数分别如表1、表2所示。

表1 基岩莫尔-库伦模型物理力学参数

以超挖厚度大小反映钢支撑滞后架设程度(超挖厚度越大,钢支架设越滞后),拟就第2、3道钢支撑分别出现不同程度滞后架设和第2、3道钢支撑均出现不同程度滞后架设对基坑内支撑轴力的影响进行分析,其中,单道钢支撑最大滞后架设程度假设为5 m。以第2道钢支撑滞后1 m架设为例,模型主要计算分析过程如下:①将初始位移清零,激活板单元,模拟围护结构施工；②开挖至地表以下1.5 m,施工第1道钢筋混凝土横撑；③开挖至地表以下8.5 m,施工第2道钢支撑(第2道钢支撑应在开挖至地表以下7.5 m时安装,此时滞后1 m架设)；④开挖至地表以下12 m,施工第3道钢支撑；⑤开挖至坑底。

3 钢支撑滞后架设对支撑轴力的影响分析

基于上述有限元模型,开展了第2、3道钢支撑分别出现不同程度滞后架设和第2、3道钢支撑均出现不同程度滞后架设对深基坑内支撑系统轴力影响的有限元计算,下文将详细分析钢支撑滞后架设对内支撑轴力的影响。

3.1 第2道支撑滞后架设对支撑轴力的影响

图4给出了第2道钢支撑出现不同程度滞后架设时,各内支撑在基坑开挖完成时的轴力变化趋势图,图5给出了第2道钢支撑出现不同程度滞后架设时,第1道支撑与第2道支撑轴力之和在基坑开挖完成时的变化趋势图。可以看出,随着第2道支撑滞后架设程度的增加,第2道支撑轴力逐渐减小,第1道支撑轴力逐渐增加,这与文献[6-7]的监测结果一致,第3道支撑轴力有小幅增加,但增加量不大,总体较为稳定。从图5可以看出,第1道支撑与第2道支撑轴力之和较为稳定,几乎不随第2道支撑滞后架设程度的变化而变化,这说明第2道支撑减少的轴力与第1道支撑增加的轴力基本相等。综上所述,第2道支撑会由于其滞后架设而少承担坑后主动土压力；第2道支撑滞后架设对先于其架设的第1道支撑轴力影响较大,对其后架设的第3道支撑轴力影响较小；第1道支撑主要承担了第2道支撑由于滞后架设而转移的坑后主动土压力。

3.2 第3道支撑滞后架设对支撑轴力的影响

图6给出了第3道钢支撑出现不同程度滞后架设时,各内支撑在基坑开挖完成时的轴力变化趋势图。图7给出了第3道钢支撑出现不同程度滞后架设时,第2道支撑与第3道支撑轴力之和在基坑开挖完成时的变化趋势图。从图6可以看出,随着第3道支撑滞后架设程度的增加,第3道支撑轴力快速减小,第2道支撑轴力迅速增大,第1道支撑轴力逐渐减小。从图7可以看出,第2道支撑与第3道支撑轴力之和较为稳定,几乎不随第3道支撑滞后架设程度的变化而变化,这说明第3道支撑减少的轴力与第2道支撑增加的轴力相等。综上所述,第3道支撑会由于其滞后架设而少承担坑后主动土压力；第3道支撑滞后架设对先于其架设的第2道支撑轴力影响较大；第2道支撑主要承担了第3道支撑由于滞后架设而转移的坑后主动土压力。

表2 土层小应变硬化本构模型物理力学参数

图4 第2道钢支撑出现不同程度滞后架设时各内支撑轴力变化趋势图Fig.4 The trend of axial forces of each support varies with different degrees of lag erection of the second support

图5 第2道钢支撑出现不同程度滞后架设时第1、2道支撑轴力之和变化趋势图Fig.5 The sum of axial forces of first and second support varies with different degrees of lag erection of the second support

图6 第3道钢支撑出现不同程度滞后架设时各内支撑轴力变化趋势图Fig.6 The trend of axial forces of each support varies with different degrees of lag erection of the third support

图7 第3道钢支撑出现不同程度滞后架设时第2、3道支撑轴力之和变化趋势图Fig.7 The sum of axial forces of second and third support varies with different degrees of lag erection of the third support

当第3道支撑出现滞后架设时,第1道支撑轴力会随着第3道支撑滞后架设程度的增加而逐渐减小并最终变为负值(拉力)。这是因为与正常施工相比,当第3道支撑出现滞后架设时,围护结构下部由于缺乏第3道支撑的侧向约束,其在两侧较大压力差的作用下会发生过大踢脚变形,围护结构整体存在以第2道支撑为支点发生顺时针旋转的变形趋势(图8),从而使得围护结构上部在原来变形的基础上发生转向坑外的水平变形，如图9左上角围护结构水平变形局部放大示意图所示；当第3道支撑滞后架设程度较小时,围护结构上部转向坑外的变形较小,能部分减少对第1道钢筋混凝土支撑的横向压迫,使得第1道钢筋混凝土支撑轴力有所减小；当第3道支撑滞后架设程度较大时,围护结构整体以第2道支撑为支点发生顺时针旋转的变形趋势逐渐显著,将进一步减少对第1道钢筋混凝土支撑的横向压迫,第1道钢筋混凝土支撑轴力会进一步减小,但当围护结构上部转向坑外的变形大到一定程度时,由于第1道钢筋混凝土支撑在施工时一般与围护结构浇筑在一起,它们之间的连接属于刚性连接,钢筋混凝土支撑会阻止围护结构上部转向坑外的过大变形以防止基坑发生失稳破坏,从而使得其内部产生反向拉力,第3道支撑滞后架设程度越大,第1道钢筋混凝土支撑内部产生的反向拉力越大。

图8 基坑正常开挖与第3道支撑滞后架设时的施工简图Fig.8 Diagram for construction of normal excavation and lag erection of the third steel support

图9 第3道钢支撑出现不同程度滞后架设时围护结构最终水平变形曲线Fig.9 The final horizontal displacement curve of retaining structure for third support with different degrees of lag erection

钢支撑只能承受压力,不能承受拉力,当第1道支撑采用钢支撑时,其在第3道支撑滞后架设程度较大时,会与围护结构脱开,无力阻止围护结构以第2道支撑为支点发生的旋转变形,基坑存在失稳破坏的可能；钢筋混凝土支撑与围护结构连接成为一个整体,既能承受拉力又能承受压力,二者组成的支护体系整体性强。上述分析从侧面说明了深基坑第1道支撑普遍选用钢筋混凝土结构的优越性。

3.3 第2、3道支撑均出现滞后架设对支撑轴力的影响

图10给出了第2、3道钢支撑均出现不同程度滞后架设时,各内支撑在基坑开挖完成时的轴力变化趋势图。从图10可以看出,当第2、3道支撑均出现滞后架设时,随着滞后程度的增加,第3道支撑轴力逐渐减小,第2道支撑轴力逐渐增加,这是因为第3道支撑安装时,即使第2道支撑曾经出现过滞后架设,但其在第3道支撑安装时已经架设完成,因此,仍然会承担第3道支撑由于滞后架设而转移的主动土压力,从而使得其轴力增加,这与上文仅第3道支撑滞后架设会导致第2道支撑轴力显著增加的结论一致。

图10 第2、3道钢支撑均出现不同程度滞后架设时各内支撑轴力变化趋势图Fig.10 The trend of axial forces of each support varies with different degrees of lag erection of the second and third support

第2道支撑滞后架设会导致第1道支撑轴力增加,第3道支撑滞后架设会导致第1道支撑轴力减小,从图10可以看出,第1道支撑轴力随着第2、3道支撑滞后架设程度的增大而有小幅度增加,这说明第2道支撑滞后架设引起第1道支撑轴力增大的效果大于第3道支撑滞后架设引起第1道支撑轴力减小的效果,即第2道支撑滞后架设对第1道支撑的影响更显著,这说明支撑滞后架设对与其相邻的上一道支撑轴力影响较大,而对与其相隔的上一道支撑轴力影响较小,这与文献[15]的监测结果一致。

图11给出了仅第3道钢支撑出现不同程度滞后架设和第2、3道钢支撑均出现不同程度滞后架设时,第3道钢支撑在基坑开挖完成时的轴力变化趋势图。从图11可以看出,无论是第3道支撑出现滞后架设,还是第2、3道支撑均出现滞后架设,第3道支撑轴力随滞后程度的变化基本一致,再次说明第2道支撑滞后架设对其后架设的第3道支撑轴力影响较小。

图11 第3道支撑与第2、3道钢支撑均出现滞后架设时第3道支撑轴力变化趋势图Fig.11 The trend of axial forces of the third support varies with different degrees of lag erection of the third support as well as the second and third support

图12 第2、3道钢支撑均出现不同程度滞后架设时第2、3道支撑轴力之和变化趋势Fig.12 The sum of axial forces of second and third support varies with different degrees of lag erection of the second and third support

图12给出了第2、3道钢支撑均出现不同程度滞后架设时,第2道钢支撑与第3道钢支撑轴力之和在基坑开挖完成时的变化趋势图。从图12可以看出,随着第2、3道钢支撑滞后架设程度的逐渐增加,第2、3道支撑轴力之和逐渐减小,这说明第2、3道钢支撑均出现滞后架设时,其共同承担的主动土压力有所减少。图10中,第1道支撑轴力随着第2、3道支撑均出现滞后架设程度的增大而有小幅度增加,因此第2、3道支撑少承担的土压力一部分会由第1道支撑承担；另外,在第2、3道支撑均出现滞后架设情况下,当3道支撑滞后架设时,如图8、图9所示,会使得围护结以已经架设的第2道支撑为支点发生顺时针旋转,围护结构上部支撑轴力减小,下部坑底被动区土体承担的侧向挤压力必将增大,因此第2、3道支撑少承担的土压力一部分也会由坑底被动区土体承担。

4 结论

以某内撑式地铁车站深基坑工程为研究对象,建立数值模型,基于有限元计算结果,以基坑超挖厚度表征钢支撑滞后架设程度,系统深入地分析了钢支撑滞后架设对基坑内支撑轴力的影响,得出以下主要结论。

(1)钢支撑滞后架设对与其相邻的上一道支撑轴力影响较大,对与其相隔的上一道支撑轴力影响较小,对其后架设的支撑轴力影响很小。因此,当清除坑基坑内孤石,出现钢支撑滞后架设情况时,要加强与滞后架设支撑相邻的上一道支撑轴力的监测,重点关注其支撑轴力变化情况。

(2)支撑滞后架设会使其自身少承担坑后主动土压力。第2道支撑滞后架设少承担的主动土压力主要由第1道支撑承担,第3道支撑滞后架设少承担的主动土压力主要由第2道支撑承担,第2、3道支撑均出现滞后架设而少承担的主动土压力则转移给了第1道钢筋混凝土支撑和坑底被动区土体。因此,要视情况对多承担坑后主动土压力的支撑和坑底被动区土体进行补强。

(3)第3道支撑出现滞后架设,会使得围护结构以第2道支撑为支点,出现其下部转向坑内,上部转向坑外的整体旋转变形,当第3道支撑滞后架设程度较大时,第1道钢筋混凝土支撑会产生拉力以阻止围护结构继续发生过大旋转变形而失稳破坏,而钢支撑仅能承受压力而不能承受拉力,其作为基坑第1道支撑时则无力阻止这种情况发生,这说明了目前深基坑第1道支撑普遍采用钢筋混凝土支撑的优越性。