某基坑支护中圆撑与角撑的应用对比分析

成守泽

(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建福州 350025)

0 引言

随着城市建设的进行，地下空间的利用得到更大的重视。基坑开挖深度越来越深，周边环境也越来越复杂，对基坑变形的控制要求也越来越高，对支护体系的选择提出了更高的要求。内支撑体系不需占用基坑外侧空间资源，可减小对周边环境的影响[1]。内支撑可提高整个围护体系的整体强度和刚度，对基坑变形可以有效控制[2-3]，在城市支护结构设计中得到了大量的应用。

由于基坑形状的不同，支撑体系的布置形式也会有所差异。所以，实际工程实践中，圆撑和角撑均得到了大量的运用。圆撑结构受力合理、便于土方开挖，适用于不规则形状基坑。角撑结构型式简单，可根据施工进度安排优先进行局部区域施工，节省工期。李松[4]采用有限元分析软件，对特大圆撑体系的变形特性进行了系统的三维模拟，研究了不同土体开挖次序下、不同工程地质条件下，特大圆撑深基坑地下连续墙的水平侧向变形特性。刘志方[5]采用灌注桩与角撑相结合的支护结构体系，保证了基坑及周边环境的安全及工程的顺利实施。但对于圆撑与角撑的对比分析研究，相对还比较少。本文通过对某基坑的支护形式对比，得出了圆撑支护的合理性，具有较高的实用价值。

1 工程概况

某工程拟建2层地下室，基坑周长约320m，面积约6400m2，开挖深度约9.5m。受周边环境限制，基坑支护结构不能超用地红线，因此考虑采用内支撑进行支护。基坑形状比较规则，结合场地条件，采取了圆撑和角撑两种支撑方案进行对比分析，支撑布置形式如图1～图2所示。

图1 圆撑平面布置图

图2 角撑平面布置图

根据地勘资料，支护结构系范围内的主要土层为①素填土、②粉质粘土、③残积粘性土及④全风化花岗岩。岩土层物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学指标表

注：*为经验值。

结合周边环境和土质条件，基坑支护采用灌注桩加一道混凝土内支撑。典型支护剖面如图3所示。

图3 基坑支护剖面图

2 有限元模拟

该基坑采用有限元分析软件Midas GTS NX，对圆撑和角撑两种支撑体系进行模拟。模型单元选择：土体采用硬化土模型；支撑和立柱采用梁单元；围护桩简化墙体采用板单元模拟。有限元网格划分如图4～图5所示。

图4 有限元计算模型

图5 结构体系有限元模型

为充分考虑结构体系中钢筋的作用，对比分析采用等效替换的方法，将钢筋的弹性模量折算为混凝土结构的弹性模量：

E折算后的混凝土弹性模量；

E0原混凝土的弹性模量；

Eg钢筋的弹性模量；

Sg钢筋的截面积；

Sc混凝土结构的截面积。

Midas GTS NX的析取功能对支撑结构体系，可以很方便地完成建模，但对于立柱桩，无法通过析取功能得到立柱桩与周围土体之间存在耦合问题。基于此，Midas GTS NX引入了植入式梁单元，可不需要共节点，方便建模。植入式梁单元嵌入母单元中，母单元可以是平面应变单元或实体单元。母单元被认为其本身包含了每个植入式梁的单元节点，多点约束、自动约束植入式梁的节点位移，以保证其与母单元的内部位移一致。

围护桩的建模相对比较复杂，可通过刚度等效的原则，将其转化为等厚的墙体，便于计算。等刚度转化公式为：

D围护桩的桩径；

t相邻围护桩间的净间距；

h墙体的厚度。

支撑梁截面尺寸：HL(1200×900)，ZL1(700×900)，ZL2(600×800)，CL(500×600)；围护桩：800@1400，桩长12.7m；冠梁：1000×900；混凝土弹性模量3.0×104N/mm2，泊松比0.2，重度24kN/m3。道路荷载按20kPa考虑，一般区域荷载按10kPa考虑。

3 计算分析

根据现场情况，对基坑坡顶水平位移、竖向位移，深层水平位移和地下水位进行了监测。监测点平面布置如图1所示。该基坑施工工期历时约10个月，现场实测数据如表2所示。

表2 现场实测数据

根据有限元计算结果，选取长边中点的数据进行分析，土体深层水平位移如图6所示。圆撑的深层水平位移和实测值较为一致，说明了有限元参数选取的合理性。圆撑最大水平位移10.64mm，角撑最大水平位移6.94mm，角撑能更好地控制变形。基坑长边中部，圆撑刚度比较薄弱，变形会更大；要控制变形，可对支撑梁刚度进行加强。

图6 深层水平位移图

图7为圆撑与角撑的围护桩弯矩对比图，圆撑的最大弯矩157.4kN·m，角撑的最大弯矩133.8kN·m，相差较小。支撑的布置型式虽然不同，但均只设置了一道支撑，桩承受的荷载是相同的，两种情况下的桩身弯矩较为一致，符合实际情况。

图7 围护桩弯矩图

角撑最大轴力2342.2kN；圆撑最大轴力3580.9kN，位于圆环支撑上。圆撑情况下，基坑开挖卸荷产生的作用力均由圆环支撑承担，而角撑只承担两侧的土压力作用。因此，圆撑受荷比角撑更大，与实际情况吻合。

表3为圆撑和角撑体系下的工程量差异对比。角撑的支撑梁长度比圆撑多39.8%，立柱桩数量比圆撑多20.0%，说明圆撑比角撑的工程造价省，有更好的经济性。同时，圆撑能提供的挖土空间比角撑大16.1%，有利于土方和主体结构的施工。圆撑需要在围护结构传力体系全部施工完成后，才能进行支撑拆除；角撑可根据现场施工进度，拆除局部支撑，施工灵活性更强。从整体的经济性和实用性来讲，圆撑具有更大的优势。

表3 圆撑与角撑工程量对比

注：开挖空间占比为圆撑或角撑围成的镂空区域占基坑总体面积的比列。增加率为角撑相对于圆撑的工程量增加比值。

4 结论

(1)通过建立有限元计算模型，对圆撑和角撑两种支撑体系下的基坑开挖过程进行了模拟，计算结果和实际情况吻合，说明模型参数选取合理。

(2)圆撑的围护桩变形比角撑大，但能满足基坑的变形要求。如果基坑变形控制要求严格，可通过加强圆撑支撑刚度，减少变形。

(3)圆撑的工程量比角撑省，具有更好的经济性，且能提供更大施工空间。该基坑优先选用圆撑支护，为类似基坑工程设计提供参考。