地铁深基坑传力构件的受力性能研究

任伟

摘 要：针对郑州奥体中心站深基坑上部土钉墙+下部灌注桩内支撑的支护特性，提出了一种传力构件。运用有限元模拟了深基坑支护结构的整体受力性能，对比了未施加传力构件与施加传力构件的整体变形特性。模拟结果表明，施加传构件，能够有效地减小土体的变形，提高边坡的稳定性，是地铁深基坑支护结构的一种较为有效的安全辅助措施。

关键词：深基坑;支护结构;传力构件;受力性能

0 引言

对于地铁深基坑边坡稳定性分析的研究，近几十年来国内外学者也投入了大量的精力，同时也取得了比较丰硕的研究成果[1-4]。深基坑开挖过程中的基坑稳定问题和支撑内力是一个比较受关注的岩土问题，通常常用的方法包括：极限平衡法和有限元法。本文以郑州奥体中心站深基坑为工程实例，针对上部土钉墙+下部灌注桩内支撑的支护特性，提出了一种传力构件，运用有限元法对比了未施加传力构件与施加传力构件的整体变形特性，分析了传力构件的合理性，为相似的地铁深基坑支护结构提供了借鉴。

1 深基坑边坡稳定性的有限元分析

在边坡稳定性分析中，有限元是一种常用的方法，采用有限元软件可以比较高效地分析和解决实际工程问题，并能够得到比较可靠的运行结果。通过有限元网格划分，将复杂的边坡看作由有限个单元组成的整体，单元与单元之间由节点相互联系。

根据虚功原理，均质堤防土体中体系外力的虚功与内力的虚功等于零，即变形体内的应力在虚应变上所做的功与体积力和面积力在虚位移上所做之功相等，即：

式中：为各有限单元法中土体单元中的虚位移场;为虚应变;为土体单元受到的面外荷载;为土体单元受到的体积外荷载。

有限元法能够将基坑边坡的稳定和位移的发展联系起来。在基坑开挖的现场观测中只能测出位移的发展，无法测出安全系数，将基坑边坡的稳定性和位移的发展联系起来就可以依据位移估计安全性的变化，这对施工过程中监测和控制边坡的稳定性是非常重要的。

2 深基坑传力构件的受力性能分析

运用有限元软件进行数值模拟，土层的主要物理力学参数见下表1。钢筋混凝混凝土灌注桩和传力构件的参数见表2，在数值模拟时，对排桩进行了简化，实际工程采用的灌注桩直径1.2 m、间距1.4 m，按刚度等价换算混凝土地下连续墙（强度折减系数0.35），传力构件主要为钢材，其材料参数参考HRB400钢筋。

2.1 未施加传力构件的整体变形分析

建立的有限元模型划分网格如图1所示。施加约束如下：底部固定约束、左右两侧轴向约束、前后两侧轴向约束、上部自由，将支撑轴力均布到围檩上，第1道混凝土支撑施加轴向位移约束，第2、3、4、5道分别施加压力25 kPa、20 kPa、20 kPa、20 kPa，竖向施加重力加速度。

通过数值模拟计算，得到了位移三维云图，如图3所示，并进一步给出了基坑顶、一级坡平台、二级坡平台（冠梁顶）、基坑底等位置处的水平剖面云图，分别如图2所示。

从图2可以看出，在土体主动土压力的作用下，桩顶以上土钉墙段会产生向基坑方向的位移（即图中的x轴的负向位移），最大水平位移为0.014 98 m，即14.98 mm，该数值与实测最大水平位移15.1 mm非常接近，误差仅为0.79%。从图2可以看出，上部土体的位移云图呈圆弧状分布，和土体的滑移线形状接近。上述结果验证了采用有限元模拟的合理性。

2.2 施加传力构件的整体变形分析

建立的传力构件有限元模型如图3所示。边界条件与未施加传力构件相同。通过数值模拟计算，得到了基坑顶、一级坡平台、二级坡平台（冠梁顶）、基坑底等位置处的水平剖面云图，如图4所示。

从图4可以看出，施加传力构件后与施加传构件之前的基坑顶、一级坡平台、二级坡平台（冠梁顶）、基坑底等位置处的水平剖面云图变化规律一致。由于传力构件施加在二级坡的底部，对地表的位移的影响较小，地表的最大水平位移为14.01 mm，比未施加传力构件时的14.98 mm减小了6.5%。在二级平台处，施加传力构件后的最大水平位移9.24 mm，比未施加传力构件时的11.72 mm减小了21.16%，减小幅度比较大。

上述结果表明，施加传构件，能够有效地减小土体的变形，提高边坡的稳定性，是地铁深基坑支护结构的一种较为有效的安全辅助措施。

2.3 传力构件的受力性能分析

传力构件的截面尺寸为100 mm*100 mm的正方形截面，通过数值模拟得到的传力构件的应力云图如图5所示，传力构件受到的最大应力為78.7 MPa，对应集中力为787 kN，需要的传力构件的净截面为3 839 mm2，采用I22b工字钢可以满足要求（净截面为3 955 mm2），间距5.0 m。

3 结论

施加传力构件，能够有效地减小土体的变形，提高边坡的稳定性，是地铁深基坑支护结构的一种较为有效的安全辅助措施。计算结构表明：施加传力构件后，地表的最大水平位移为14.01 mm，减小6.5%，二级平台处的最大水平位移9.24 mm，减小21.16%。

参考文献：

[1]张戈，毛海和.软土地区深基坑围护结构综合刚度研究[J].岩土力学，2016，37（5）：1467-1474.

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