钢支撑代替混凝土支撑对深基坑支护结构影响的数值分析

盛飞国，　程 桦，　张效智

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥　230601)



钢支撑代替混凝土支撑对深基坑支护结构影响的数值分析

盛飞国，程 桦，张效智

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230601)

摘要：深基坑施工时为了控制开挖影响，第一道支撑一般采用钢筋混凝土支撑，但这往往给施工带来不便。本文通过采用有限元计算软件Midas GTS，对合肥地铁某基坑部分预留混凝土支撑用钢支撑代替的支撑体系以及围护结构进行了数值分析，得出基坑支护结构的受力及变形特性。研究结果表明:用钢支撑代替部分钢筋混凝土支撑其围护结构变形为最终弯矩增大2%，最终水平位移减小了3.4%，得出围护结构最大位移发生在0.5～0.7H(H为基坑深度),从而为施工方案的更改提供理论依据，加快了施工进度。

关键词：基坑支护结构；钢筋混凝土支撑；钢支撑；数值分析

0引言

随着城市人口数量和土地占用率不断增加，促使城市地下空间的开发和利用，基坑工程的规模也在不断的扩大，导致基坑的复杂性和技术难度也随之增大。由于深基坑的开挖必然引起临近建筑物发生沉降变形，为此，1999年国家建设部颁布了《建筑基坑支护技术规程》。基坑开挖引起周围建筑(构筑物)的不均匀沉降，将使其产生裂缝，严重的会引起建筑物倾覆。因此对基坑工程中的围护结构和支撑体系都必须由设计者按照规范设计，施工过程的管理必须严格按照要求，否则将出现不可预测的后果。

目前，基坑支护形式主要包括地下连续墙、钻孔灌注桩以及其它的复合形式。支撑体系主要为钢筋混凝土支撑、钢支撑、预应力锚杆以及其复合形式。

由于钢支撑给施工过程土方超挖留有可能，基坑容易出现变形过大风险甚至坍塌事故。由于地铁车站的深基坑开挖大多都在城市的人流繁多的中心地带，周围存在一些年代久远的老建筑和地下管线，所以必须控制基坑周边的土体变形，一些主管部门要求在使用内支撑时，其第一道支撑必须用混凝土支撑，其余内支撑用钢支撑。但如果整个基坑的第一道支撑都使用混凝土支撑，由于需要制作模板、搭设脚手架等工序就会使工期受到影响，并且也不利于机械对土方的运输。因此，有些施工单位会临时对适当位置的混凝土支撑临用钢支撑代替，本文以合肥地铁某车站基坑中的三根钢支撑代混凝土支撑为例，利用 Midas GTS数值软件建立二维有限元模型，对两种支撑体系下的围护结构侧移、弯矩、剪力以及支撑轴力的对比分析。

1深基坑支护结构的计算理论

深基坑的支护一般是由桩、墙以及预应力锚杆、支撑等组成来支护竖直岩土坡的支护结构，如图1、2所示。

图1预应力锚杆

图2预应力支撑

目前对上述支护结构的计算方法基本有：经典法、弹性地基梁法、有限元法。

经典法常用的有等值梁法、Terzaghi法、静力平衡法、二分之一分割法(如图3所示)等。其中的静力平衡法、等值梁法在实际工程中应用非常广泛，计算简单，直接可以手算。但它的缺点是未考虑支护桩(墙)水平位移对土压力的影响，也不能反映支护结构的变形情况，因此其计算结果与实际结果有较大出入，尤其是对于基坑内的多支撑体系。

图31/2分割法

弹性地基梁法是用土弹簧(计算土弹簧有m法，c法等)来代替墙体后土的作用，锚杆或支撑也可以用土弹簧来代替。具体的计算方法有日本的山肩帮男法、弹性法和弹塑性法；该方法考虑了土、支撑以及围护结构间的相互作用，对复杂的施工过程可以结合增量法，方法简便，但他的关键在于土体弹簧刚度的确定，目前该方法在工程中得到广泛应用，已足够满足工程设计需要。

弹性杆系有限元法是将围护结构作为空间二维杆系结构体来计算，土的作用则像弹性地基梁法一样，近似用土压力和土弹簧来替代，支撑和锚杆也用土弹簧来替代，其优点是可以考虑空间结构的作用。

而连续介质有限元法则是把土体和围护结构作为一体划分单元来计算，可以考虑土体的复杂本构关系、时空效应等。因此本文基于有限元数值模拟软件对基坑内换撑进行分析，其结果可以为以后类似工程提供理论依据。

2工程概况

2.1　工程基本情况

车站总长268.91m，标准段总宽23m，站台计算长度120m，站台宽12m。车站总建筑面积为16313.3 m2;主体建筑面积12478.4 m2，车站附属建筑面积为3834.9 m2；其中风道面积1752.1 m2，出入口面积2082.8 m2,附属地面亭、风亭面积为643.67 m2。

2.2　围护结构形式

车站标准段基坑深度23.2m,采用1000mm厚地下连续墙做围护结构，地连墙嵌固深度为11.0m，沿基坑深度方向设置五道支撑(其中第一道为混凝土支撑)，车站底板位于粉细砂3土层，墙趾位于中风化泥质砂岩2土层;其中混凝土支撑截面采用b×h=800mm×1000mm，钢管内支撑截面为φ=609mm，t=16mm，可施加预压力；第1道钢筋混凝土支撑的中心标高位于地表下2.3m，第2道至第5道钢支撑分别位于地表下5.8m， 10.6m， 14.8m， 18.3m。现场需要用钢支撑代替混凝土支撑的位置如图4。

图4替换支撑位置

表1为两种支撑方案的对比分析。

表1　计算方案

2.3　工程地质情况

根据勘察单位的钻探资料以及室内土工试验的结果，按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层、第三纪基岩四个大层，按地层岩性及其物理力学性质进一步划分为四个岩土分层。明光路站结构底板埋深约为21～23.7m，基坑侧壁土层自上而下主要为杂填土①1层、粘土②层、粉质粘土②1层、粉土②2层、粉细砂②3层、粉细砂④3层，强风化泥质砂岩⑤1层。其中杂填土①1层属于人工填土层，粘土层②层属于第四纪沉积层，主要地层计算参数如表2所示，地层围护结构剖面图如图5所示。

表2　土层计算参数

图5围护结构剖面图

3计算模型

3.1　模型建立的假设

(1)假设各土层和地表面均匀且呈水平层状分布；

(2)各土层的应力应变影响均在弹塑性范围内变化，内支撑和围护结构均认为在弹性变化范围之内；

(3)不考虑基坑降水对模型计算的影响；

(4)设土体与围护墙结构边界面上的摩擦为库伦摩擦；

3.2　模型建立及网格划分

本文计算针对出土口预留3道未施工的混凝土支撑建立二维有限元模型。基坑标准段宽取23.2m，深取22.4 m，地下连续墙深取34.8 m，由于深基坑开挖的影响范围取决于基坑开挖的平面形状、开挖深度和土质条件等因素。根据圣维南原理，基坑开挖的影响深度为开挖深度的2～4倍，影响宽度为基坑深度的3～4倍。建立165m×70m的Midas-gts平面模型，计算网格共有 12458个单元、12536个节点。

土的本构模型为Mohr-Coulomb，支撑结构和地下连续墙为弹性；混凝土支撑和地下连续墙按梁单元模拟，钢支撑按桁架模拟；并且建模过程中考虑了土与围护结构地下连续墙的接触，采用Goodman接触单元；模型的左右边界采用法向约束，底边采用固端约束，上端为自由面，计算模型分别如图6所示。

图6计算网格

3.3　计算参数

土层参数见表2；地下连续墙围护结构和混凝土支撑采用强度等级为C30，弹性模量E为30GPa，泊松比为0.2；钢管支撑弹性模量E为200GPa，泊松比为0.26。

4计算结果分析

根据Midas GTS数值软件，对基坑开挖的土体利用“单元生死法”进行开挖，分别对方案一、方案二进行数值分析，分别计算2种方案下地连墙的水平位移、剪力、弯矩以及内支撑的轴力变化规律。

4.1　地连墙水平位移分析

图7～12为各方案在不同开挖工况下，围护结构沿深度下的水平位移变化曲线。图7为开挖至2.3m处时，并施作第一道支撑围护结构的变形曲线，从图中可以看出方案一和方案二的水平位移曲线呈“抛物线”形式，最大水平位移均发生在约1/2深度处，方案一为5.2mm，方案一为4.9mm。

图7第一层开挖，围护结构水平位移

图8第二层开挖，围护结构水平位移

图9第三层开挖，围护结构水平位移

图10第四层开挖，围护结构水平位移

图11第五层开挖，围护结构水平位移

图12开挖至坑底，围护结构水平位移

图8为开挖至5.8m处，并加第二道支撑下的围护结构水平位移变化曲线，呈中间大，两边小，最大位移发生在1/2深度附近处，方案一为6.1mm，方案二为5.9mm。

图9为开挖至10.6m处，并加第三道支撑下的围护结构水平位移变化曲线，图中可以看出伴随着开挖的继续，最大位移明显下移，发生在2/3深度处，方案一为5.5mm，方案二为5.4mm。

图10为开挖至14.8m，并加第四道支撑下的围护结构水平位移变化曲线，最大位移发生在2/3深度处，在达到最大水平位移之前，方案一和方案二的水平位移图是不相重合的，在达到了最大位移后图形基本重合，方案一为5.7mm，方案二为5.2mm。

图11为开挖至18.3m处，并加第五道支撑下的围护结构水平位移变化曲线，两种方案最大位移的深度基本没变，抛物线变的对称，方案一的最大位移为5.9mm，方案二最大位移为5.7mm。

图12为开挖至坑底处围护结构水平位移变化曲线，曲线基本呈对称，最大位移处的深度仍在2/3深度，方案一的最大位移为5.9mm，方案二最大位移为5.7mm，没有变化。

4.2　弯矩分析

图13～18为两种方案在不同开挖阶段时的弯矩变化曲线图，从图中可以看出两种方案开挖后的弯矩变化图类似，第一层开挖，最大弯矩位于1/2深度处，之后的最大弯矩位置均位于2/3深度处。

图13为开挖至2.3m处，围护结构弯矩的变化曲线，方案一第1道支撑采用钢筋混凝土支撑，方案二第1道支撑用钢支撑，从图中可以看出围护结构最大弯矩为方案一341.9kN·m，方案二为358.59kN·m。

图13第一层开挖，围护结构弯矩

图14为开挖至5.8m处时，最大弯矩均在2/3深度处，方案一的最大弯矩515.52kN·m，方案二为530.6kN·m，弯矩值变大。

图14第二层开挖，围护结构弯矩

图15为开挖至10.6m处，从图中可以看出曲线近似重合，且最大弯矩均在2/3深度处，方案一为396.35kN·m，方案二为412.74kN·m。

图15第三层开挖，围护结构弯矩

图16为开挖至14.8m处，围护结构弯矩变化曲线图，从图中可以看出两曲线已重合，最大弯矩在2/3深度处，方案一为512.78kN·m，方案二为519.63kN·m。

图16第四层开挖，围护结构弯矩

图17为开挖至18.3m处时，围护结构弯矩变化曲线，曲线是重合的，最大弯矩在2/3深度处，方案一为649.39kN·m，方案二为651.02kN·m。

图17第五层开挖，围护结构弯矩

图18为开挖至坑底时，围护结构弯矩变化曲线，曲线是重合的，最大弯矩均在2/3深度处，其中方案一为624.87kN·m，方案二为636.7kN·m。

图18开挖至坑底，围护结构弯矩

4.3　支撑轴力分析

图19为基坑开挖至坑底时，不同方案在相同工况下的各支撑的轴力对比曲线。支撑轴力呈增长趋势，到坑底时趋于稳定。其中方案一中支撑1的轴力为-64.56kN(受压)，方案二中支撑1的轴力为-60.23kN(受压)，并未出现受拉情况，且方案二在第三道支撑时的轴力减小了1.4%，其他支撑轴力基本不变。

图19开挖至坑底，各支撑轴力

5结论

本文以合肥地铁一号线某基坑为例，对预留的三道钢筋混凝土支撑用钢支撑代替，并对两种方案进行对比。通过数值模拟计算得出：

(1)对于部分位置用钢支撑代替钢筋混凝土支撑，围护结构的最终弯矩增大了约2%，最终水平位移减小了约3.4%；均在可接

受范围之内。

(2)围护结构的最大位移发生在0.5～0.7H(H为基坑深度)；

(3)钢支撑的预加轴力主要是起支撑与围护体密贴作用，第1道支撑用预加轴力的钢支撑，可以减小围护结构的变形。

(4)为了施工过程的方便，可以在适当位置预留空间，用钢支撑代替钢筋混凝土支撑，减少了模板制作、脚手架搭设等工序，加快了施工进程。影响基坑变形的因素重多，如支撑设置的位置以及基坑开挖的顺序等都可能对其变形产生影响。

参考文献

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6熊宝林，王希良，路春娇.高边坡预应力锚索格子梁加固系统三维有限元分析.铁道建筑，2010(2)：67-70.

Steel Supportinstead of Concrete Reinforced Support numerical analysis

of the impact for deep foundation pit supporting structure

SHENG Feiguo，CHENG Hua，ZHANG Xiaozhi

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601 China)

Abstract:In order to control the impact of deep excavation，the first support must use concrete support，but it often brings inconvenience to the construction. In this paper, by using steel support replace the part reserved concrete support，supporting system and retaining structure deformation were analyzed by using Midas-GTS numerical simulation software. The results show that the first support using concrete reinforced support replace steel support is feasible，and the building envelope maximum displacement occurs at 0.5 ～ 0.7H. The results will provide a theoretical basis for the change of construction scheme and make the construction progress become fast.

Key words:supporting structure of foundation pit; concrete reinforced support; steel support; numerical analysis

中图分类号：TN911.8

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)02-043-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150209

作者简介：盛飞国(1990-),男,硕士研究生，主要研究方向为岩土工程数值分析、地下结构。

收稿日期：2014-10-15