“二元”基坑中内支撑支护结构的三维数值分析与监测＊

刘红军，孙 玺，姜德鸿

（1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；3.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266032）

“二元”基坑中内支撑支护结构的三维数值分析与监测＊

刘红军1.2，孙 玺2，姜德鸿3

（1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；3.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266032）

排桩与内支撑相结合的基坑支护结构是近几年兴起并迅速发展的1种支护方式。如何通过有效控制其变形使基坑工程安全又经济，是人们不断探索的课题。本文以青岛地区某实际深基坑为研究对象，运用理正深基坑三维协同计算对基坑开挖、支护进行了整体计算。对内支撑的平面布置进行分析，提出了水平桁架式、大直径环撑辐射式、多跨压杆式不同的支撑样式对基坑的整体受力及变形的影响参考值。对本工程内支撑的支撑间距进行分析，提出了合理的支撑间距值。另外，依据有关规定制定了监测方案，对监测结果进行了整理，并与理论计算值进行比对分析，得出一些有价值的结论，可以为类似工程的设计、施工和监测提供一些借鉴。

内支撑；“土岩”二元结构；整体计算

随着城市建设的不断发展，地上高楼林立，地下管线密集，土地资源紧张的矛盾日益突出，因此产生了大量的深基坑工程，且支护方案与计算方法也出现了多种形式［1－6］。基坑规模和深度不断增加，有些工程的基础已经紧邻已有建筑物或结构物的基础，这也对深基坑的设计与施工提出了更高的要求。

内支撑支护系统是由水平支撑和围护维护桩墙2部分组成，内支撑可以有效地的平衡围护维护桩外侧所受到的水、土压力，特别对于软土地区基坑面积大、开挖深度深的情况，内支撑系统得到了大量的应用［7－8］。而在“土岩”地区对内支撑［9］的应用才刚刚兴起。另外，对内支撑系统的研究主要是在二维平面体系内进行的［10－12］，而在三维系统中的研究还相对较少。Hong等人［13］对用立柱支护基坑的桩土相互作用进行研究，并进行二维和三维的分析对比，提出在模拟过程中在某些条件下会增大误差，加大桩的中心间距对误差产生的影响更大。陈伟等运用PKPM软件，对深基坑支护结构进行了三维分析、应用及研究［14］。丁勇春等利用FLAC3D对基坑的变形、地表沉降、基坑隆起进行了三维数值分析，得到了一些有益结论［15］。芮瑞、夏元有等借助ANSYS对基坑“逆作法”施工进行了三维模拟，为方案的优化提供了参考［16］。

本文是利用理正深基坑三维整体计算，软土地区二元结构地层具有一定的复杂性，它不仅表现在与使用岩土系数的相适应上，在计算过程中，对于岩土参数的求取也十分重要。分析结果表明：此类基坑设计对上层土体按传统计算方法按库伦土压力、朗肯土压力等方法进行设计施工时能够保证上层土体开挖基坑的稳定性；增加嵌岩深度能有效地控制下层基坑开挖时基坑的稳定和变形［17］。

本文结合青岛地区的地质特点对嵌岩桩与内支撑相结合的基坑支护方式进行分析，探讨了水平衍架式、大直径环撑辐射式、多跨压杆式三种布置形式内支撑的布置形式、支撑间隔距离对基坑变形受力的影响。另外，对工程的施工过程进行了监测，可以为类似工程的设计、施工和监测提供一些借鉴。

1 三维计算的优点

在现行国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—99）中，对于桩墙支护结构提出按弹性支点法（m法、k法、c法等）进行结构计算。目前这种方法在国内普遍采用，即将竖直面内的桩墙和水平面内的内支撑分别进行计算。在这种模式中，内支撑体系和桩墙只能做到局部点上的位移协调，并且在计算桩墙时，需人为地假定内支撑体系的刚度；在计算内支撑体系时，又要人为地假定桩墙对内支撑的约束作用。另外，支撑结构的刚度不仅与本身有关，也与周围杆件和边界条件有关，在平面计算中不能考虑周围杆件对其刚度的影响。再次，也不能考虑基坑变形的影响，因为在不同工况下发生变形后，支撑结构的刚度是随施工过程不断变化的，这在平面计算是无法考虑的。而支护结构本质上是一空间结构体系，对它进行三维的分析，当然能得到比二维计算更准确合理的结果，也能更真实地反映支护结构的空间效应。

1.1 三维基本计算方法

如图1所示，将桩墙、钢筋混凝土或钢支撑、锚杆、钢或混凝土支撑立柱所组成的空间体系作为支护结构；荷载主要有作用在支护结构上的水、土压力和附加均布或局部外荷，开挖面以下的土压力修正为矩形模式；将被动区土体作为弹性约束。

据此建立支护结构的三维有限元方程为

式中：Kn为桩墙的刚度；Kz为内支撑和锚杆的刚度；Kt为被动区约束土体的刚度；W为待求的支护结构空间位移；F为作用在支护结构上的外荷载。

图1 支护结构受力三维分析的基本模型Fig.1 Basic model of 3D－stress analysis on supporting structure

2 工程实例

2.1 工程概况

某基坑位于青岛市东南部，距离海岸线约300 m。该基坑周边紧邻多栋高层建筑，南侧则是青岛主要交通干线。基坑开挖深度最大为13.6 m。该基坑主体为矩形，长为69 m，宽为45 m。

2.2 工程地质与水文条件

2.2.1 地形地貌 场区地处胶东半岛东部，东南部濒临黄海，为滨海丘陵地带。本场区内地形较平坦，地面标高5.06～5.48 m，场区位于滨海平原地貌单元，第四系较发育，表层后经人工改造整平。

表1 岩土层及支撑结构力学参数表Table 1 Mechanical parameters of strata and supporting system

2.2.2 工程地质条件 本基坑工程属于青岛地区典型的土岩“二元”结构，上部由物理性质相对弱的多的土相对软弱的第四系土层组成，层厚11 m左右，下部则是物理性质较强相对坚硬的岩石，详述如下：

本场区主要由第四系全新人工填土、海相沉积层、上更新统冲洪积层组成，基岩为燕山晚期粗粒花岗岩。具体分为：①素填土、②中砂、③黏性土、④粉质黏土、⑤粗砂、⑥强风化花岗岩。具体岩土层参数见表1。

2.2.3 水文地质条件 场区地下水位埋深为3～3.5 m，主要为第四系孔隙水、微承压水和基岩裂隙水，地下水水量较丰富。

3 基坑支护结构设计

建筑场地狭小，且三面紧邻交通要道或建筑物，车辆川流不息，动载较大，对变形要求严格。若采用桩锚（撑）支护结构，可能会产生锚杆孔流砂，影响周边别墅等建筑物的稳定，施工难度较大。综上所述，同时为了有效地控制基坑变形及周边建筑物的沉降，该基坑工程采用旋喷检帷募止水，钻孔灌注排桩加内支撑的支护结构形式。

3.1 钻孔灌注排桩设计

支护桩采用桩径为1 000 mm的灌注桩，桩间距为1 400 mm，桩长为15.6 m，混凝土强度等级为C30，主筋强度为Φ25＠200。基底为强风化花岗岩，灌注桩平均嵌岩深度为3.5 m；采用旋喷桩止水，三重管旋喷工艺，旋喷桩有效直径不小于800 mm，桩间距为500 mm，桩端嵌入基岩不小于500 mm。

3.2 内支撑支护设计

基坑采用钢筋混凝土支撑，支撑平面布置结构如图2所示，结构剖面图如图3所示。中间支撑为钢筋混凝土桁架式支撑，中间跨度为45 m，本工程由高度不同的两道支撑组成，第一道支撑1 100 mm×900 mm（高×宽），混凝土强度等级C30。第二道支撑1 100 mm×900 mm（高×宽），两道支撑间距5.1 m，本工程由2道支撑构成，每道支撑结构相同。

图2 围护、支撑结构布置平面图Fig.2 Plan view of supporting and envelope structures

图3 内支撑支护结构剖面图Fig.3 Cross－section of internal support

4 数值计算结果分析

4.1 支护布置形式的影响

图4 不同支护布置结构三维位移图Fig.4 Map of 3D displacement of supporting structures of different layout

本文分别采用不同的内支撑支护样式，如水平桁架式、大直径环撑辐射式、多跨压杆式对工程进行三维协同计算。本文对实际工程所采用的水平衍架式结构进行计算分析，另外也考虑了本工程如果采用大直径环撑辐射式、多跨压杆式支撑情况进行了计算分析。

4.1.1 位移的影响不同支撑形式对位移的影响

图4a的支撑布置为本工程的实际施工图，在模拟三维协同计算中，支撑位置、护坡桩刚度等其他参数不变。通过对计算结果的分析得知：

（1）相同的地质条件，相同施工水平，如果采用不同的内支撑支护布置结构，基坑的整体位移会有较大的差别。如图4c所示，多跨压杆式的最大位移量（30.21 mm）是水平桁架式（18.07 mm）的1.67倍，是大直径环撑辐射式（26.62）的1.14倍。

（2）在同1个基坑内，由于支撑在不同位置上的约束力不同，其位移有较大区别。如图4a，最大处位移（18.07 mm）是最小处（14.98 mm）的1.2倍；如图4b，最大处位移（26.62 mm）是最小处（13.36 mm）的1.99倍；如图4c，最大处位移（30.21 mm）是最小（15.02 mm）的2.01倍。

（3）大直径环撑支护形式，适用于正方形、圆形以及接近于方形的不规则形状的基坑（由于篇幅所限，没有将计算结果赘述）。它能够平衡各方向的土压力，水压力，充分体现内支撑支护结构的整体性。但对于长宽比例较大的矩形基坑，大直径环撑支护形式体现出了它的不适应性，在支护结构的中间部位，出现了位移较大情况，增加了工程的危险性。另外，大直径环撑支护，由于中间处空挡较大，有利于挖土。

（4）多跨压杆式支护形式不适合应用于规模较大的基坑中。由于它的两根支撑梁之间的间距较大，造成了两梁中间处变形较大，如果加大支撑的密度，会使得成本提高并且不利于土方的开挖。但对于长条形的基坑，简单的对撑能够起到很好的支护效果。

图5 不同支护布置结构位移图Fig.5 Map of displacement of supporting structures of different layout

4.1.2 位移轴力的及轴力的影响 作者在进行二维计算时，往往是假设1个支撑的轴力值，然后对支护体系进行计算。通过三维的计算发现，内支撑的轴力差别较大，且随着工况的深入轴力也不是1个固定值，所以简单的输入1个轴力具有不合理性。

图5为开挖至基坑底工况，选取基坑变形最大处围护桩剖面所对应不同支护布置结构水平位移分析图，从图中可以直观的看出基坑开挖过程中水平位移最大围护桩处的位移变化，此矩形基坑中，水平桁架式水平位移明显小于大直径环撑式和多跨压杆式。

图6 不同支护布置结构轴力图Fig.6 Axis curve of supporting structures of different layout

支撑轴力的差别主要体现在以下几个方面：首先，不同的内支撑支护结构造成基坑整体的支撑轴力不同。由于受到基坑的变形挤压，基坑内部的支撑也会产生相应的协调变形，尤其在支撑立柱间隔较大的中间部位，往往会产生较大的弯矩及变形，通过计算，个别段支撑变形可达到3～5 mm。变形大的地方，必然使得应力释放，使得轴力、弯矩值较小，使得基坑产生失稳的危险。再次，相同的支撑布置，其内部的各个杆件支撑轴力也会差别较大。如图6b的大环梁辐射式支撑布置，中间的大环梁应力较为集中，约为周围连杆轴力的3倍。如图6a所示，中间的对撑轴力也较大。对撑外围的斜撑很好的分担了应力，对控制变形起到了良好作用。再次，对于两道支撑的支护结构，第二道支撑的轴力相是第一道支撑的2倍左右，因此很多施工的时候，第二道支撑的截面积一般都比第一道支撑要大。

4.2 支撑位置的影响

本工程以支撑间距为5 m为参考值，选取支撑间距分别为4、5、6、6.8和7.5 m进行计算分析，其他参数不变，开挖至坑底，选取基坑最大变形剖面处进行分析，得到各种间距下的桩体位移见图7。

图7 不同内支撑间距支护结构位移曲线Fig.7 Displacement curve of supporting structures at different internal supporting position

从不同支撑位置对基坑的位移影响可以看出，在一定的范围内，第二道支撑的位置越往下移，越有利于控制位移。但当移动到开挖深度2／3处时，位移量又开始增大，并且装顶位移量加大。因此，抛开实际施工的问题，单从结构角度考虑：第一道支撑大多架设在基坑顶部，第二道支撑最理想架设位置在开挖深度的1／2～2／3处。这样可以有效的控制变形。但在实际的施工中，会遇到将来架设地下室楼板的问题，土方开挖大型设备工作平面的问题等等。

5 监测结果分析

根据现场施工过程将基坑的开挖分为以下几个工况：1）维护结构的施工；2）放坡挖土至第一层支撑标高；3）设置第一道支撑；4）第二层土开挖；5）设置第二道支撑；6）开挖至坑底。

图8 关键施工阶段围护桩水平位移监测与计算值对比曲线Fig.8 Horizontal displacement contrast curves of monitoring and calculation values of retaining pile in key construction step

选取基坑开挖过程中围护桩水平位移最大剖面，由计算结果可知，当基坑第一道支撑架设完毕，开挖到第二层支撑标高位置时，桩体的最大位移集中在上部1／3处，最大值为8 mm，（见图8b）。随着基坑的开挖，上部的位移量增长缓慢，而下部的位移量不断增加。当开挖至坑底时候，基坑的最大位移发生在中部偏下处，最大位移量为20 mm，（见图8a）。比对监测数据，监测趋势与计算结果相吻合，同时监测数据与计算结果差别在10%左右，证明对计算模型基本正确。

图9 支撑轴力监测点平面布置图Fig.9 Layout of monitoring stations of axialforces of supporting structures

对轴力的监测，是采用钢弦式轴力计，选择在支撑长度的1／3处埋设。由于数量较多，第一道支撑选择了ZL1－3、ZL1－7，第二道支撑选择了ZL2－3、ZL2－7进行分析。其轴力监测平面布置图如图9所示。

如图10所示，支撑轴力随着基坑开挖深度的增加而逐渐增大，至基坑开挖完成增长趋势减缓，在底板浇筑完成之前，随着时间的增加支撑轴力会略有增大，在一定范围内波动。第一道支撑的轴力值较为稳定，轴力值稳定在1 000k N左右。第二道支撑，架设后几天内轴力值增长较快，随着开挖的深入轴力值也趋于平稳。轴力值最大达到4 500k N，相对于设计值的70%，接近报警值，但基坑变形稳定。不能排除支撑的徐变对轴力计数值上的影响。

图10 支撑轴力随时间变化曲线Fig.10 Axial curve of supporting structures varying with time

另外，通过轴力的监测也验证了作者之前的计算。第二道支撑的轴力明显要大于第一道支撑，数值上是第一道支撑值的2～3倍。验证了计算的正确性。

6 结论

（1）在土岩二元结构下灌注桩加内支撑这种支护方式可以有效的控制基坑变形以及周围建筑物的沉降。是1种有效、经济的支护方式。

（2）通过对内支撑这种支护结构的三维分析，发现支撑的布置结构，对控制基坑的变形、受力有很大影响。大环撑辐射型较适合正方形、圆形的基坑；水平桁架式较适合矩形基坑；多跨压杆对撑加斜撑式较适合狭长形基坑。针对不同的基坑形状，选择合理的内支撑形式往往可以事半功倍，提高稳固性，节省施工材料，缩短工期。

（3）通过三维计算，可以看出对于2道支撑的基坑，第二道支撑的轴力较大，一般是第一道支撑轴力的2倍甚至达到3倍。而基坑位移最大处也往往出现在第二道支撑附近，因此要对第二道支撑的截面积适当加大，以此来提高刚度，增强基坑的稳定性。另外，第二道支撑架设在基坑深度的1／2～2／3处最能发挥支撑的作用。（4）通过监测数据与计算结果进行对比，结果表明：围护桩变形及支撑轴力计算值与监测值的基本趋势大体一致。有限元计算模型和参数选取是合理的，可用于基坑工程的数值模拟分析。

（5）对于此类的基坑，应当加强第二道支撑的监测以及护坡桩中间位置的应力、应变监测。

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3D Numerical Analysis and Monitoring of Foundation Pit Inner Supporting Structure with the“Soil－Rock”Dualistic Structure

LIU Hong－Jun1，2，SUN Xi2，JIANG De－Hong3
（1.The Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；3.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266032，China）

The types that supporting structure of piles and internal support are rose and developed rapidly in recent years.How to effectively control deformation of foundation pits and make foundation pit engineering safe and economical is the task that people always problem.On the ground of deep foundation pit retaining structure engineering in Qingdao earea，the overall computing is carried out for the process of excavation and supporting.As for the the layout of internal support，the whole stress and the displacement of the lever structure type support，large diameter ring radiant support，many cross lever type support of the pit are the two main influencing factors to be analyzed，with the aim of proposing appropriate parameters of the two factors.As for the practical engineering internal support，the distance is the main influencing factors to be analyzed，with the aim of proposing appropriate parameters of the two factors.At the same time，a monitoring program for it excavation is developed in accordance with the relevant specifications after analyzing the monitoring results and comparing hose with the theoretical results.Get some useful conclusions.It is useful for design，construction and monitoring of similar engineering.

internal support；“soil－rock”dualistic structure；overall computing

TU 443

A

1672－5174（2012）09－077－07

国家自然科学基金项目（41072216）；博士点基金项目（20100132110001）资助

2011－06－01；

2011－09－02

刘红军（1966－），男，教授，博导，主要从事环境岩土工程的教学科研工作。E－mail：sx－0097＠163.com

责任编辑 庞 旻