灌注桩加砼内支撑基坑支护结构截面设计分析

赵升峰

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

灌注桩加砼内支撑基坑支护结构截面设计分析

赵升峰*

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

为研究影响灌注桩加混凝土内支撑基坑支护工程中，支护结构截面尺寸的选取问题，采用弹性地基梁法结合增量法，以南京某软土基坑工程为例，建立了计算模型，分析在多种支护桩直径和内支撑截面宽度组合情况下，支护结构水平位移、结构内力及地面沉降的变化情况。结果表明：对于增大支撑刚度，增加支护桩直径比增加支撑截面宽度有效；增加支护桩直径或支撑截面宽度均会使支护结构变形减小，而增加支护桩直径效果更好；增大支撑刚度可降低支护桩抗弯配筋量，而抗剪配筋略有增加；增大支撑刚度，第一道支撑轴力减小，但两道支撑轴力总和基本不变；已确定的计算模型，主动土压力大小与支撑刚度无关；减小地面沉降可增加支护桩直径或增加支撑截面宽度。

深基坑；排桩；内支撑；支护结构变形；支护结构内力

1 引 言

软土地区的深基坑控制变形逐渐成为工程设计的关键[1]。近年来大量基坑工程实践证明采用钻孔灌注桩加混凝土内支撑支护结构，既可使整个支护结构施工过程安全，又可控制支护结构和基坑周边土体的变形，确保基坑周围建筑物和地下管线的安全[2，3]。

基坑变形是支护结构各部分和土体及外界因素相互作用的反映，是结构内力变化与调整的宏观结果，排桩、内支撑和土压力属于相互影响的空间体系[4]。对于考虑支护桩与内支撑相互影响的问题，已有学者研究获得了具有价值的成果，如王鑫等研究表明逆作法工程中开口楼板刚度的降低，将减弱对支护结构水平侧移的控制效果[5]；李娟等研究表明考虑支撑作用基坑整体稳定性可靠度指标值明显提高[6]；潘骏等研究表明支护桩弯矩和剪力受支撑刚度的增减影响而发生变化[7]；陈林靖等采用综合刚度原理和双参数法用于深基坑内支撑式支护结构设计，计算所得的结果更接近实测值[8]；曾晓云研究表明横向支撑可有效地减小地下连续墙的弯矩，采用混凝土支撑效果更加明显[9]；刘念武等研究表明采用内支撑的基坑，其侧向变形随开挖深度逐渐增大，且呈中间大，两头小的形状，内支撑对基坑侧向变形的空间效应具有抑制作用[10]。以上学者研究成果均表明，深基坑支护设计过程中应综合考虑排桩与内支撑的相互影响与协调变形的问题，但规范规定，排桩加内支撑基坑支护结构可采用简化计算，将整个支护结构分解为挡土结构与内支撑结构分别进行分析[11]。两者单独计算设计，难以形成协同控制基坑变形的体系。

针对以上问题，本文以南京江宁某软土基坑工程为实例，采用弹性地基梁法结合增量法，对控制基坑变形的支护桩和混凝土内支撑截面设计选取问题，进行了较详细的分析，以期对相似工程提供参考。

2 计算案例概况

2.1地质条件和支护形式

工程位于南京江宁区秦淮路与挹淮街交叉口西南隅。基坑面积约 9 500 m2，开挖深度13.05 m～13.65 m。该场地地貌单元为秦淮河冲积平原，具体岩土体物理力学参数如表1所示。

岩土体物理力学参数表 表1

基坑支护结构采用钻孔灌注桩，竖向设两道钢筋混凝土内支撑的形式。内支撑的具体竖向位置，详见图1深基坑支护示意图。

图1 基坑支护示意图

2.2支护结构设计参数选取

设计计算取2个超载，其中一个为20 kPa半无限超载，一个为作用于地面，距坑边 5.0 m，宽 18.0 m的建筑物超载 25 kPa，按一级基坑进行计算。坑内水位取地下 14.0 m，坑外水位取地下 1.0 m。支撑水平间距为 9.0 m，支撑长度为 100.0 m，支护桩净间距均取 200 mm，支撑截面高度均取 800 mm，两道支撑取相同的截面尺寸。支撑和支护桩材料均为C35混凝土，支撑不动点调整系数λ取0.5，支撑松弛系数αR取1.0。内支撑结构的弹性支点刚度系数按下式计算：

(1)

式中，E、A分别为内支撑材料弹性模量和截面积；ba为挡土结构计算宽度；s为内支撑水平间距；θ为内支撑与冠梁或围檩的夹角。

3 计算结构分析

开挖期间是基坑变形最突出，安全风险最大的阶段。随着基坑开挖至坑底，基础底板施工完毕，便基本度过危险期。因此，本次分析采用商业软件理正深基坑7.0BP1版，计算原理为弹性法结合增量法。对支护结构剖面进行单元计算，分析基坑开挖至坑底这个工况中，支护桩变形、地面沉降、支护桩弯矩和剪力、支撑轴力和土压力最大值的变化情况。

3.1支撑刚度分析

由式(1)计算所得支撑刚度变化结果，如图2所示。其中图2(a)表示在支护桩桩径不变的情况下，支撑刚度系数随支撑截面宽度的变化趋势；图2(b)表示在支撑截面宽度不变的情况下，支撑刚度系数随着支护桩直径增大的变化趋势。从图2看出，两种情况下支撑的刚度系数均呈线性增长，这表明单一地增加支撑截面宽度或者支护桩直径，内支撑结构的弹性支点刚度k以支撑截面宽度b或支护桩直径d为自变量线性地增长。

图2支撑弹性支点刚度系数变化曲线

支撑截面宽度增加使弹性支点刚度系数增加率为△k=5.6 MN/m，而由支护桩直径增加使弹性支点刚度增加率为△k=2.8 MN/m。支撑截面宽度变化引起的弹性支点刚度系数增长率大于由支护桩直径变化引起的增长率，这表明设计时增加内支撑截面宽度比增大桩径对增加支撑刚度更有效。

3.2支护桩水平位移分析

图3为计算得出的支护桩最大水平位移，如图3(a)所示，在支护桩直径不变的条件下，最大水平位移随支撑截面宽度的增加呈近似线性减小的趋势；如图3(b)所示，支撑截面宽度不变的条件下，最大水平位移随支护桩直径增大呈逐步减小的趋势。当支护桩直径不变时，支撑截面宽度从 0.8 m增大至 0.9 m、 1.0 m、 1.1 m、 1.2 m相应的hmax/He(支护桩最大水平位移与基坑开挖深度的比值)分别减小2.9%、2.5%、2.1%和1.9%；当支撑截面宽度不变时，支护桩直径从 0.95 m增大至 1.0 m、1.05 m、1.10 m、1.15 m时相应的hmax/He分别减小7.5%、7.0%、6.6%和6.3%。这表明增加支护桩直径或增大支撑截面宽度，支护桩水平位移均在减小，但增大桩径对减小支护桩水平位移更明显。

图3支护桩水平位移

3.3支护桩内力分析

图4为支护桩最大弯矩变化情况，由图4看出，护桩直径不变时，随着支撑截面宽度的增加，支护桩正弯矩逐渐减小，而负弯矩数值取绝对值后亦不断地减小，其中当支护桩直径不变时，随着内支撑截面宽度从 0.8 m增大至 0.9 m、1.0 m、1.1 m和 1.2 m时相应的正弯矩分别减小2.54%、2.23%、1.98%和1.77%，而相应地取绝对值后的负弯矩分别减小1.34%、1.33%、1.13%和1.01%。这表明选定支护桩直径时，增加支撑截面宽度支护桩抗弯弯矩均减小，可降低抗弯配筋量。

图4支护桩最大弯矩变化曲线

图5 支护桩最大剪力变化曲线

图5为支护桩最大剪力变化情况图，由图5看出，当支护桩直径不变时，随着支撑截面宽度的增加，支护桩正剪力逐渐增大，而负剪力数值取绝对值后逐渐减小，其中当支护桩直径不变时，尽管支撑截面宽度在增大，但正剪力与取绝对值后的负剪力之和变化很小。这是因为弹性地基梁计算模式中，支护桩剪力由桩后土压力引起，确定的基坑深度和地质参数所计算的主动土压力属于定值，故根据材料力学知识，支护桩剪力属于土压力积分值，因此正剪力与取绝对值的负剪力之和为一定值。但随着支撑截面宽度增大，支护设计时所取的剪力峰值在增加，故支护桩抗剪配筋量会增大。

3.4支撑轴力分析

图6为支撑轴力变化情况，由图6(a)看出，支撑截面宽度不变时，随着支护桩直径的增加，第一道支撑轴力增大，增幅约为 10.0 kN/m；第二道支撑轴力减小，减幅约为 9.5 kN/m。支护桩直径不变时，随着支撑截面宽度增加，第一道支撑轴力减小，减幅约为 7.8 kN/m～12.5 kN/m；第二道支撑轴力增大，增幅约为 12.5 kN/m～18.5 kN/m。这表明支护桩直径增加后，第一道支撑轴力增加量和第二道支撑减小量总和变化很小；支撑截面宽度增加后，第一道支撑轴力减幅和第二道支撑增量总和略有增大。表明不管增大支护桩直径还是增大支撑截面宽度，两道支撑轴力总和变化很小。

图6支撑轴力变化曲线

3.5土压力分析

图7为开挖至坑底时最大计算主动土压力。由图7(a)看出，对于已确定的计算模型，随着支护桩直径的增大，正土压力相应地增大，增幅均为 13.83 kN/m，这是因为计算的主动土压力，其大小为单位土压力值乘以支护桩间距。由图7(b)看出，随着支护桩直径增大，负土压力同样增大，且增幅在 31.42 kN/m～35.02 kN/m，增幅变化很小，负土压力增幅亦仅与支护桩间距有关。这表明对已确定的模型，计算所得的主动土压力与内支撑刚度无关，增加内支撑截面宽度对土压力基本无影响。

图7土压力变化曲线

图8 地面沉降值变化曲线

3.6地面沉降分析

图8表示地面沉降变化曲线，从图8看出，无论增大支护桩直径，还是增支撑截面宽度，相应的地面沉降在不同程度地减小。支护桩水平位移与地面沉降值的比值在0.86～0.96之间，平均值约为0.906，这一结果与王卫东等[12]研究得出的上海地区深基坑周边，最大地表沉降与最大墙体侧移之比平均值0.84比较接近。

4 结 论

采用弹性地基梁法结合增量法，对基坑支护结构截面尺寸选取问题进行分析，初步得出以下结论：

(1)单一地增加支护桩直径或增加支撑截面宽度，支撑弹性支点刚度系数均按线性增大。支撑弹性支点刚度系数增长率由支撑截面宽度增加优于由支护桩直径增加，表明增加支撑截面宽度对增大支撑刚度更有效。

(2)增加支护桩直径或增加支撑截面宽度，相应的支护桩变形均减小，但相比之下增加支护桩桩径对减小变形更明显。

(3)支护桩直径不变时，增加支撑截面宽度可使得支护桩抗弯弯矩减小，可降低支护桩抗弯配筋量。正、负剪力绝对值之和基本不变，但随着支撑截面宽度增加，设计所取的剪力峰值略有增大，支护桩抗剪配筋量略有增加。

(4)支护桩直径不变时，随支撑截面宽度增加，第一道支撑轴力减小，第二道支撑轴力增大；支撑截面宽度不变时，随支护桩直径的增加，第一道支撑轴力增大，第二道支撑轴力减小。但无论增加支护桩桩径或增加支撑截面宽度，两道支撑轴力总和基本不变。

(5)确定的计算模型，主动土压力增幅仅与支护桩间距有关。增加内支撑截面宽度对主动土压力无影响，其与内支撑刚度无关。

(6)增加支护桩直径或增加支撑截面宽度，均可不同程度地减小地面沉降。

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[2] 姚萍，赵升峰，章新. 灌注桩结合三轴止水及内支撑的基坑围护设计[J].岩土工程技术，2012，26(4)：173～176.

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DesignandAnalysisoftheSectionoftheSupportingStructureoftheSupportingFoundationPitintheFillingPileandConcrete

Zhao Shengfeng

(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co.，Ltd，Nanjing 210019，China)

In order to study the size selection of cross-section of foundation support system with bored pile and reinforced concrete inner support，elastic subgrade beam method along with incremental method are adopted. Take an Nanjing soft ground excavation engineering as example，a computational model is established，also，variation of horizontal displacement，internal force，ground settlement of support system are analyzed in different combination of diameter of supporting pile and width of inner support cross-section. The results show that，increasing the diameter of supporting pile is more effective than increasing the width of inner support cross-section in increasing the support stiffness and in decreasing the support structure deformation；increasing the support stiffness can decrease the flexural reinforcing steel amount of supporting piles and slowly increase the shear reinforcing steel amount；through increasing the support stiffness，first axial forces of strut decreases，and the sum of two axial forces of struts is basically unchanged；in the established computational model，active earth pressure is irrelevant to support stiffness；decreasing ground settlement can increase the diameter of supporting pile or width of inner support cross-section.

deep foundation pit；row pile；internal support；deformation of support structure；internal force of support structure

1672-8262(2017)05-83-05

TU443

A

2016—08—10

赵升峰(1986—)，男，硕士，工程师，注册土木工程师(岩土)，主要从事岩土工程设计与科研工作。

国家自然科学基金项目(41472283)；南京市测绘勘察研究院有限公司立项课题(2016RD05)。

本论文获得2017年“华正杯”城市勘测优秀论文三等奖。