支护结构变形（共8篇）
支护结构变形 篇1
从基坑支护计算方法目前的情况来看,连续介质有限元法用于基坑变形预报还只是处在辅助手段的水平上,很多问题有待于进一步的研究,而且大多数研究采用的都是非线性弹性土体本构模型。事实上,现在的基坑越来越深,施工时基坑的变形也越来越大,采用弹性土体本构模型显然与实际情况出入较大,尤其在软土地区更是如此。本文采用扩展了的修正剑桥模型,利用ANSYS软件对基坑变形进行数值计算及模拟预测,来推测基坑开挖的变形过程。
1 扩展后的修正剑桥模型
1.1 本构方程
由于修正的剑桥模型假设适用于具有适应流动规则特性的材料,故塑性函数与屈服函数相同,可用F表示,则本构方程为:
其中,[Dep]为弹塑性矩阵;[D]为弹性矩阵;A*为硬化参数Ha的函数。
1.2 屈服函数
屈服轨迹的方程式为:
其中,
1.3 状态边界面公式
状态边界面公式为:
其中,k为渗透系数;λ为待定参数。
2 有限元模型的建立
2.1 工程概况
车站围护结构标准段设计为800 mm厚地下连续墙,兼作使用阶段的主体结构侧墙,连续墙间采用十字钢板接头止水,墙趾埋深有26 m和27 m两种,沿深度方向设4道钢管支撑,其中第1道为ϕ580(t=12 mm)钢管支撑,其余3道为ϕ609(t=16 mm)钢管支撑,最大支撑轴力在第3道支撑,为2 400 kN。其土层分布与支撑剖面如图1所示。端头井部分地下连续墙埋深分别为29 m和30 m,采用圆形锁口管柔性接头,设有500 mm厚的内衬墙,按连续墙与内衬墙共同受力设计。沿深度方向设5道钢管支撑:其中第1道为ϕ580钢管支撑,其余4道为ϕ609钢管支撑,最大支撑轴力在第4道支撑,为2 800 kN。施工期间标准段地面荷载不得大于20 kPa,端头井地面荷载不得大于30 kPa。
2.2 建立模型基本假定
1)如前所述,该工程基坑长度长,宽度相对较窄,因此可按平面应变问题考虑,利用对称性取1/2截面进行建模;
2)假定土为正常固结黏土,即目前承受的荷载为历来承受过的最大荷载;
3)开挖以前由地下连续墙施工引起的地应力和位移场的变化不予考虑,土体的初始地应力假定为静止土压力,静止土压力系数按照Brooker的建议取k0=0.95-sinφ;
4)因为软土的低渗透性,模型中不考虑地下水的渗流作用,水的作用在土的自重中予以考虑;
5)土体和地下连续墙采用八节点减缩单元,支撑采用二节点仅压杆单元,墙体和支撑材料的本构关系均采用线弹性;
6)土体采用扩展后的修正剑桥模型,破坏准则采用q=Mp;屈服函数采用
7)土体和支护之间接触面的处理将影响有限元模拟结果的合理性,若采用接触面单元,则该单元的参数难以确定;为简化有限元的计算,本文在土体和支护之间采用接触加摩擦的处理办法,摩擦系数统一取0.2;在水平地应力大的地方产生滑动需要的剪切力较大,反之亦然。
2.3 模型计算简图
如上所述,计算区域坑内宽度取9 m,坑外宽度取63 m,为深度的4.1倍,以考虑基坑开挖对周围环境的影响。有限元模型中共计850个土体单元,4个支撑单元和52个墙体单元,其网格划分如图2所示。模型中左边边界根据对称性约束水平位移;右边边界我们认为不管水平方向还是竖直方向都已经不受开挖影响,故将两个方向都约束;下边界两个方向都约束;上边界和挖除土体的外表面为自由边界。
荷载情况:仅在墙后考虑均布荷载10 kN/m2。
2.4 设计参数的选用
混凝土地下连续墙弹性模量E=3×107 kN/m2,泊松比v=0.17;钢支撑弹性模量E=2.1×102 kN/m2,泊松比v=0.17;土体层厚、重度、孔隙比直接来源于《工程地质勘察报告》;λ和k根据各层土体的三轴压缩回弹曲线e—lnp计算求得;M根据公式6sinφ/(3-sinφ)求得,有限元计算时钢支撑中的预应力采用施工时实际施加的预应力值(见表1)。
2.5 计算结果分析
计算结果数据见图3～图6。图3给出了支护水平位移有限元计算结果曲线,支护的最大水平位移随着开挖深度的增大而增大,且其最大水平位移的位置随着施工的进行逐步下降,随着支撑开始作用,支护的变形呈现出凸肚子的形状,有限元法可以很好的模拟出这种趋势;图4给出了有限元计算与实测的墙后土体沉降曲线,沉降最大值大且沉降区域较集中,影响区域大概在2H左右(H为基坑开挖深度);图5给出荷载情况下有限元计算的坑内-15.7 m处的土体隆起曲线,支护旁的土体受到较大的剪切变形,坑内则是比较均匀的隆起,这也和我们的假定有关。我们假定土体与支护存在摩擦,随着开挖的进行,土体应力的释放,坑内土体隆起,带动支护上移,导致了墙后支护边土体的轻微隆起;图6给出了支撑轴力随着基坑开挖变化的曲线,我们发现,平面有限元法有效的预测了支撑1轴力随着施工的进行不断增加,而随着支撑2与支撑3作用的发生,其轴力就开始下降甚至达到没有轴力的情况;而支撑2在支撑3参加工作以前轴力不断上升,且轴力增加幅度较大;随着支撑3加入体系参加工作,其轴力变化幅度变缓(实测值开始振荡而计算值开始缓慢下降);支撑3的情况则与支撑2比较类似;支撑4因为加入体系后的工况较少,只能看出其轴力的上升过程。
3 结语
1)平面有限元法可以考虑基坑开挖过程中各种复杂的边界条件和荷载,可以较好地预报基坑开挖时支护结构本身的变形及周围地表的沉降,其计算结果和实际结果吻合得较好,可以预见有限元法将是今后基坑支护设计计算中合理可行的方法。2)扩展的修正剑桥模型在参数选择适当的情况下能够模拟软土地区深基坑的开挖施工过程。土体与墙体的接触面采用接触加摩擦的处理办法可以简化计算模型,且能得到比较合理的计算结果。3)目前用于描述土体形态的模型有多种,但对工程问题较为适用的并不多,而且其参数的确定比较困难。考虑软土的流变特性,在软土深基坑变形预报计算中若能在剑桥模型的基础上考虑土体的流变特性将会得到更为符合实际的结果。
摘要：以某地铁站基坑开挖支护为例,运用二维平面应变有限元法,以扩展了的修正剑桥模型为基础,利用ANSYS模拟了计算基坑开挖过程中不同阶段的支护水平位移、地表沉降、基坑隆起以及支撑轴力,指出其计算结果和实测结果吻合得较好,有限元法将是今后基坑支护设计计算中合理可行的方法。
关键词：基坑,支护结构,有限元,数值计算
参考文献
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[2]刘兴旺.软土地区基坑开挖变形性状研究[J].岩土工程学报,1999,21(4):455-460.
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[5]吴宏伟.深基坑开挖中的应力路径[J].土木工程学报,1999,32(6):53-58.
[6]张浩.深基坑支护结构形式与选择[J].山西建筑,2007,33(35):128-129.
支护结构变形 篇2
淮南矿业集团谢桥煤矿1242（3）工作面位于西翼C组采区西翼13-1煤层四阶段，东起西翼C组采区下山，西至F5-1边界断层，北邻1232（3）运输顺槽，南至13-1煤-650m底板等高线，工作面标高-651～-551m，可采走向长2920m，倾斜长360m，煤厚2.7m～6.0m，均厚4.8m，煤层倾角11°～16°，平均14°，可采出量905.2万吨，为淮南矿业集团迄今为止斜长最长工作面。
2、1242（3）高抽巷现有支护状况
1242（3）高抽巷原为锚网支护，巷道变形后采用U29型钢支架支护。在动压影响下U型钢支架大多扭曲、断裂，为加大支护强度将支架顶部补打锚索，帮部补打护棚锚杆，但支护状况并没有明显改观，巷道变形无法得到有效控制，造成巷道顶板下沉严重、两帮位移量局部达到1000mm、底臌量平均达到1200mm，以致打运及出货系统无法正常使用。为了保证巷道正常掘进，必须对巷道进行拆刷架、并反复卧底。
3、1242（3）高抽巷支护技术方案
为了确保该巷正常掘进及工作面回采期间巷道能够正常使用，必须解决目前巷道变形、底鼓的现状。结合高抽巷现场的围岩条件和现有支护状况，制定了高强度的支护方案。
4、技术方案
4.1、由原来的单一的锚网支护变更为锚网索支护。
4.1.1、锚杆强度在以前基础上进行加强。
巷道支护锚杆由原来的?20×2000mm锚杆变更为?22×2500mm锚杆。并将锚杆间排距由以前的800×800mm加密为700×700mm。并在巷道底角及底部增加4根锚杆。
锚杆材质均为MG400。MG400锚杆相当于4级建筑螺纹钢，其力学性能指标为：屈服强度不小400MPa，抗拉强度不小于570MPa，延伸率不小于18%，从而提高锚杆支护强度。顶、帮锚杆设计锚固力分别为100KN和80KN，预紧力矩设计不低于180N.m。
4.1.2、锚索强度在以前基础上进行加強。
由于原来巷道顶部未使用支护锚索造成巷道顶板下沉严重，为此加大锚索支护强度。巷道支护锚索顶板按“…5555…”型式，在巷道两帮按：…222…“型式布置。锚索间排距1000×800mm，每根锚索铺设300×300mm×16mm钢垫片。
5、在锚网索支护基础上进行补强加固措施如下：
当过断层、顶板较为破碎、稳定性差、岩性变软、或有淋（滴）水现象、或锚索锚固段深入到稳定的岩层里小于1200mm等情况时，必须停止施工，采取增加锚索长度。如锚杆支护无法保证支护效果，采取架棚支护，并进行喷注浆加强支护。
5.1、喷注浆加固机理
喷注浆加固的原理就是利用浆液充填岩壁内的裂隙，将松散破碎的岩体胶结成整体，其加固机理主要体现在以下3个方面：第一、它可以改善岩体结构的力学性能，提高岩体的整体强度，增加岩体自身的承载能力；第二、浆液可以封堵岩体内裂隙、隔绝空气防止风化，避免岩体强度因水和空气的影响而大幅降低.
5.2、注浆支护参数
巷道全断面布置注浆孔，间排距为1200×1400mm，每循布置8个注浆孔，孔深2.5m，孔径42mm。注浆管规格：Φ26.75×3.25×1500mm，注浆压力：2～3MPa，注浆稳压时间3～5分钟。注浆液为单液水泥浆，水灰比为1：1，水泥采用32.5#矿碴水泥。
6、采用上述支护方案，有以下几个问题需要引起注意：
6.1、在施工期间，现场必须配备相关量具，加大对锚杆、锚索支护质量的监督，确保支护质量符合设计要求。
6.2、对于在施工过程中存在的相关问题，及时采取相应措施。例如底板施工底角及底部锚杆后仍存在底臌量较大的问题，必须在原有基础上对底板全断面进行底板锚杆施工，如仍不能达到要求，就必须施工底板锚索配钢带进行加强支护。
通过对该巷道采取了高强度的支护，目前该巷掘进期间地压治理取得了初步成效，避免了因支护强度不够造成的地压、围岩变形明显的现象，为该工作面顺利回采奠定了基础。
（作者单位：淮南矿业集团谢桥煤矿生产技术科）
黄土深基坑支护结构变形优化研究 篇3
随着我国西部地区大量公路、铁路以及高层建筑的兴建,工程技术人员所遇到的基坑、边坡问题也越来越多[1,2,3]。目前西安地区的地铁建设正全面铺开,在地铁深基坑支护体系的选型上,大都按照沿海软土地区的变形控制标准进行设计,并没有考虑黄土的自稳性较好这一特征。本文针对具体工程实例,用启明星软件对围护结构进行优化分析,指出设计中应注意的问题。
1 工程概况
地铁车站位于西安市北郊未央大道与凤城五路丁字交叉路口东侧,基坑总长为185 m,基坑宽18.5 m～24.3 m,基坑开挖深度平均16.5 m,车站主体标准宽度19 m,基坑安全等级一级。基坑采用明挖顺作法施工,围护结构采用钻孔灌注桩加桩间旋喷止水帷幕,基坑内设三道钢支撑。基坑平面如图1所示。
2 计算参数的取值
已知主体支护结构采用ϕ800@1 200钻孔灌注桩+钢管内支撑,桩间土采用挂网喷射混凝土,桩顶设置钢筋混凝土冠梁,灌注桩总长为22.5 m,入土深度为6 m,第一道钢支撑距冠梁为1.7 m,第二道钢支撑距第一道钢支撑为5.7 m,第三道钢支撑距第二道钢支撑为5.1 m,第三道支撑距坑底为4.0 m,水平间距6.0 m,局部区域水平间距4 m。 围护桩及冠梁均采用C30混凝土,弹性模量E=30 GPa,泊松比ν=0.20,容重25 kN/m3。钢支撑直径为600 mm,壁厚14 mm,采用Q235-B材料,弹性模量E=200 GPa,泊松比ν=0.26。
围护结构外的土体,根据现场勘测结果,将部分性质相近的进行合并,合并后的土层大致分为5层,同时考虑施工中基坑附近的施工荷载,在地表处距基坑壁30 m范围内施加均布荷载20 kN/m2。
3 支护体系的优化分析
采用同济启明星深基坑支挡结构分析软件对影响基坑变形的因素进行分析。该软件对挡土墙结构的位移及内力的计算采用有限元的方法,并考虑分步开挖施工各工况实际状态下的位移变化,实际工程中的支护结构剖面图和最大位移图分别如图2,图3所示。下面对影响支护结构变形的各个因素进行分析。
3.1 钻孔灌注桩入土深度对围护结构变形的影响
设计中围护桩入土深度为6 m,在其他因素不变的条件下,分别取入土深度D=3 m,6 m,9 m,12 m,15 m,20 m六种情况进行了计算,绘制出围护结构侧向变形的最大值与围护结构入土深度变化关系曲线(如图4所示)。从图4中我们可以看出:
1)当入土深度小于某一临界深度时(本例为9 m),随着入土深度的增加,最大位移急剧下降,说明合适入土深度能有效的减小基坑位移。2)当入土深度大于某一临界深度时(本例为9 m),随着入土深度的增加,最大位移几乎无变化,因此在基坑设计优化时,临界入土深度的计算尤为重要。
3.2 混凝土灌注桩桩间距对围护结构变形的影响
设计中钻孔灌注桩桩间距为1.2 m,在其他因素不变的情况下,分别取桩间距为0.9 m,1.2 m,1.5 m,1.8 m,2.1 m,2.4 m六种情况进行了计算,绘制出围护结构侧向变形的最大值与钻孔灌注桩桩间距变化关系曲线(如图5所示),从图5中我们可以看出:
1)当桩间距为0.9 m时,位移最小,为16.2 mm,当桩间距为2.4 m时,位移最大,为37.4 mm。2)最大位移基本上和桩间距成直线关系,斜率K=14.13,即桩间距每增加1 m,最大位移就会增加14.13 mm。由此可见,在其他条件不变的情况下,桩间距对基坑位移的影响是比较显著的。
3.3 地面荷载对围护结构变形的影响
设计中地面超载取为20 MPa,在其他因素不变的情况下,分别取地面荷载值为0 MPa,5 MPa,10 MPa,15 MPa,20 MPa,25 MPa,30 MPa七种情况进行了计算,从围护结构侧向变形的最大值与地面超载变化关系曲线可以看出:
1)当地面荷载为0 MPa时,位移最小,为17.1 mm,当桩地面荷载为30 MPa时,位移最大,为22.3 mm。2)最大位移的变化基本上和地面荷载成直线关系,斜率K=0.173,即地面荷载每增加1 MPa,最大位移就会增加0.173 mm。由此可见地面荷载对基坑变形的影响较大,因此,在施工过程中,应尽量避免在基坑周围进行堆载。
3.4 支撑间距对围护结构变形的影响
设计中第一道钢支撑间距为6 m,第二、三道钢支撑间距为4 m。在其他因素不变的情况下,我们取三道钢支撑为同一间距,分别为3 m,4 m,5 m情况进行了分析,分析结果表明:当钢支撑的间距从3 m增加到5 m时,桩体的水平位移呈增大趋势,但是在3 m～5 m的间距范围内,最大位移只相差1.7 mm。可见,在保证基坑稳定性的情况下,钢支撑的间距对减小基坑水平位移的能力是有限的,因此以减小钢支撑的间距来减小基坑的变形的方法作用不明显。
3.5 支撑预加轴力对围护结构变形的影响
在其他因素不变的情况下,分别对支撑预加轴力为1/3设计数据、2/3设计数据、1倍设计数据、4/3倍设计数据四种情况下,围护结构水平位移的最大值进行了分析,分析结果表明:随着支撑预加轴力增大,围护结构的桩体最大水平位移也随之减小,分别为21 mm,20.5 mm,20.1 mm,19.7 mm。这样我们就可以得出以下结论:在基坑开挖及支护的同时,通过计算适当的支撑预加轴力,对于控制基坑围护结构的位移有较好的效果,同时能够保证基坑围护结构的安全。但是若预加轴力过大,对于减小围护结构水平位移的效果不是很明显,通常为基坑设计轴力的30%～45%左右施加最为经济。
4 结语
本文通过对西安黄土地区地铁深基坑围护体系的变形进行的优化分析,提出了围护结构变形的影响因素以及在今后设计中为控制其变形,应注意的设计方面的因素,这对于节省工程工期和节约工程造价都有着重要意义,希望能为今后黄土地区类似深基坑的设计提供一定的帮助。
参考文献
[1]朱亚林,孔宪京,邹德高,等.深基坑预应力锚杆柔性支护的非线性有限元分析[J].岩土力学,2005,26(2):323-327.
[2]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.
[3]龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.
支护结构变形 篇4
关键词：深基坑,挡土板,变形
1 引言
随着我国经济的快速发展,城市化进程的大步推进,城市建筑的数量和密度逐渐增加,大量的工程建筑及地下工程必然带来大规模的基坑工程。基坑工程作为一个基本的岩土工程课题,在开挖过程中不仅涉及土体自身的强度、稳定及变形,还涉及到土与支护结构之间的相互作用问题。同时基坑开挖过程中工程事故屡见不鲜,在深基坑工程中尤为突出。
本文通过PLAXIS有限元软件,以实际工程为例,分析深基坑支护结构在基坑分层开挖过程中的变形情况。
2 实例分析
2.1 本构模型选取
在土的本构模型方面,PLAXIS提供了多种模型,除了摩尔一库仑模型外,还可以选用一种改进的双曲线塑性模型一硬化土模型,为了模拟正常固结软土与时间相关的对数压缩性质,可以选用蠕变模型,即软土蠕变模型。除此之外,PLAXIS还提供了用来分析节理岩石的各项异性行为的节理岩体模型,改进的剑桥模型,软土模型等。考虑到基坑开挖过程中塑性区的产生,本文采用Mohr-Coulomb模型和HS模型来模拟土体的应力应变关系。
2.2 基坑参数
本文以实际工程中某一基坑断面为研究对象,该断面设计开挖宽为20m,深度12m。用0.35m厚的混凝土地下连续墙来支撑周围的土体,混凝土的弹性模量为35GP。地下连续墙由2排锚杆支撑,第一排锚杆长16m,倾角53°,施加120KN的预应力,第二排锚杆长14m,倾角45°,施加200KN的预应力,地面工荷载为8KN/m2,距离开挖边界位置2m。
2.3 数值模拟模型建立
为方便计算,将实际断面简化:模型设置为平面应变,单元15节点,这一问题可以用一个宽80m、高25m的几何模型来模拟,具体模型见下图1。模型中,采用板单元替代挡土板;锚杆采用点对点锚杆以及土工格栅替代;地下水位在地表以下3m;土层共有三层,从上至下分别为回填土3m、砂土15m、泥岩,自上而下各土层均采用摩尔-库伦模型和土体硬化模型分别进行有限元分析,根据实际工程地质条件,土层具体参数如下:两种计算模型中的材料类型皆为排水的,回填土的水位以上的容重为16KN/m3,水位以下的容重为20KN/m3回填土的水平和竖直渗透系数都为1m/天,砂土的水平和竖直渗透系数都为0.5m/天;回填土和砂土的内摩擦角分别为30°和34a;剪胀角分别为0和4°;界面折减因子分别为0.65和0.75;内聚力分别为C=0,C=1KN/m2。摩尔库伦计算模型中回填土的弹性模量为8000KN/m2砂土的的弹性模量为30000KN/m2,泊松比皆为0.3;土体硬化模型中回填土和砂土的三轴固结排水实验割线模量分别为22000KN/m2和43000KN/m2;卸载一再加载模量分别为66000KN/m2和129000KN/m2。采用三角单元进行网格划分,全局疏密度设置为中等;考虑结构单元拐角处的点可能产生很大的位移梯度,对板单元底部以及土工栅格设置加密线加密,具体网格见图2。
2.5 数值模拟结果及分析
实际工程采用边施工边降水,故模型考虑孔隙水压,采用边施工边降水。考虑到施工开挖实际上是一个多阶段过程,模型总共包括6道工序,首先建造挡土板达到设计深度,为了分布安装锚杆,共分6个施工步开挖土体,开挖过程中,均设置降水施工步,同时为防渗,挡土板与土层接触位置设置防渗界面。
图3为开挖完成后经放大后的网格变形,我们可以看出利用土体硬化模型的算出来的地下连续墙和开挖底部的拱起位移都小于摩尔库伦模型的计算结果,由图4 (a)水平位移可看出,挡土板上部水平位移相对较大,下部水平位移相对较小,水平位移最大值为2.908cm,小于设计规定的支护结构最大水平位移为0.5%H6cm,H为基坑深度。图4 (b)为挡板的水平向位移,其大小为25.68mm,满足设计要求。
3 结论
深基坑作为较为常见的岩土工程课题,对其设计及施工要格外重视。本文通过对具体深基坑工程断面进行模拟,得出如下结论:(1) Plaxis有限元软件可以正确模拟基坑边降水边施工,模拟结果良好;(2)由于土体卸载性质对开挖有很大的影响,HS模型比摩尔库伦模型可以给出更真实的模拟结果,对于实际工程更加实用。
参考文献
[1]王江洪,王春波,卢广宁.PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用[J].山西建筑.2007(35).
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支护结构变形 篇5
国外对基坑支护结构研究有较早的历史,早在20世纪中期,Terzaghi和Peck根据地铁支护结构的实测资料,提出著名的Terzaghi-Peck表观土压力理论[1—3],这个理论后来被很多国家的基坑支护设计广泛采用。而在中国,基坑工程从20世纪80年代开始兴起,由于高层建筑地下室建设和地铁工程建设的需要,出现大量的基坑工程。基坑工程本身涉及岩土和结构工程,且在当时,在很多情况下,基坑支护结构属于临时工程,最终没有得到重视,基坑支护结构的受力计算和理论研究一直没有形成系统。在20世纪末期,随着中国的城市化进程飞速发展,掀起基坑工程热潮。随着基坑开挖深度的增加,以及工程事故的发生,基坑支护结构研究才引起建筑工程界的重视。之后,深基坑支护结构研究得到长足的发展和重视。
开挖深度大于或等于4 m的基坑为深基坑,深基坑进一步划分为:稍深基坑(4 m≤H≤6 m)、中深基坑(6 m<H≤13 m)、颇深基坑(13 m<H≤18m)、甚深基坑(18 m<H≤23 m)、特深基坑(23 m<H≤30 m)和超深基坑(H>30 m)[4]。基坑支护是指用于支护垂直岩土坡的桩、墙及支撑或锚杆等组成的支护结构。
诸多学者对有关深基坑支护结构研究进展做了分析,如丁翠红[5]等对深基坑支护结构土压力分布规律及土压力计算方法研究进展进行综述,并分析其中存在问题及今后研究方向;刘艳军[6]等介绍深基坑变形控制的国内外研究现状,阐述了基坑变形机理,分析和探讨了基坑变形设计计算方法、基坑变形预测方法和基坑工程施工监测,对目前深基坑变形控制存在的一些主要问题和发展趋势进行了探讨;范建[7]等则对基坑变形预测方法做了概述。最近十年,深基坑支护结构研究有了长足的发展,但未见文献分析目前深基坑支护结构内力和变形研究概况,本文将从以下三个方面开展此项工作,并分析当前研究存在的问题和未来研究方向。
1 支护结构与岩土体的相互作用
深基坑开挖及支护不仅涉及岩土力学中典型的变形、强度和稳定性问题,还涉及到支护结构与岩土体的相互作用问题[8—12]。支护结构与岩土体的相互作用是影响支护结构内力与变形的重要因素。因此,深基坑支护结构计算要考虑基坑周边一定范围内岩土体与支护结构的协同作用。
深基坑工程是一门系统工程,支护结构类型多,目前主要有钻孔灌注桩、土钉强、钢板桩和地下连接墙等[13]。不同支护结构体系与岩土体的相互作用机制不同。因此,本文从以下三个方面阐述支护结构与岩土体相互作用。
1.1 土压力
土压力问题是土与结构物相互作用的结果,是岩土工程的基本问题,也是岩土工程设计中首要确定的内容。传统的支护结构设计理论仅考虑三种极限状态下的土压力,即主动、被动和静止土压力,这些古典土压力理论的完全弹性、平面滑裂面和墙背光滑等假设导致计算结果与实际情况相差甚远[14]。认识传统土压力理论的缺陷后,很多学者对土压力计算方法进行了改进:用极限分析方法研究古典Coulomb直线破坏机理问题[15,16];考虑土拱效应的土压力理论研究[17];考虑开挖卸荷影响的土压力[18、19]和考虑墙面摩擦效应的土压力研究[20];考虑多种影响因素的土压力研究[21];从地基强度理论方面研究土压力系数[22];考虑水压力的土压力以及关于水土压力分算与合算问题研究[23—25];从概率角度研究岩土体参数对土压力的影响[26];被动土压力理论研究[27,28]等等。支护结构设计的静力平衡法、等值梁法和杆系有限元数值模拟方法都是将土压力视为外力形式作用于支护结构[29]。
1.2 接触力学分析方法
支护结构与岩土体的接触面存在着非连续性,而在实际工程中往往简化为连续介质问题,这种简化处理必然带来计算误差。目前接触行为的分析方法主要有两种:一是经典的接触力学分析方法,二是数值分析方法。在接触问题研究的初始阶段,仅局限于接触面规则刚体之间的弹性接触,应用范围非常有限。Hertz于1881年提出经典的Hertz弹性接触理论。在该理论的基础上,许多学者系统研究了不同受力条件和不同几何形状的接触问题[30,31]。Boussinesq给出了光滑刚体与均匀各向同性弹性半空间表面接触的应力解,还根据势能原理导出压凹回转体的轴线与弹性半空间变形前的边界正交时轴对称问题的解答[32、33]。这个时期弹性接触研究存在大量假设:如接触刚体之间不发生刚体运动;接触物理的变形是小变形,接触点可以预先确定;应力应变关系为线性;接触表面光滑等。这些假设导致理论研究与实际情况仍存在很大差异。Gladwell于1980年发表文章主要考虑集中的或大范围的无摩擦接触和粘着接触[34]。Johnson于1985年在专著中讨论弹塑性体和黏弹性接触问题。由于解析方法研究接触问题的复杂性,一些复杂接触问题始终没有得到解决。
1.3 数值分析方法
随着计算机技术的高速发展,20世纪60年代以后出现了以有限元为代表的数值技术分析方法,为建立复杂接触力学模型研究奠定基础,并使接触问题线性研究上升到高度非线性研究。目前,求解这类接触问题主要有以下三种方法:(1)直接法;(2)接触力学方法;(3)接触面单元法。
直接法又称为数学规划法,是基于势能或余能原理,利用变分不等式等现代数学方法将接触问题转化为一个约束二次规划问题进行求解[35]。接触力学方法是通过对接触边界约束问题的适当处理,将约束优化问题转化为无约束优化问题求解。根据无约束优化方法的不同,一般分为Lagrange乘子法和罚函数法,Lagrange乘子法方法容易出现病态,罚函数法只能近似满足接触边界条件,为此发展了修正的Lagrange乘子法[36]。接触面单元法在接触问题的接触边界上引入接触面单元,通过增量和迭代调整单元本构模型中的参数,模拟其应力应变关系。长期以来,诸多学者提出各种接触面本构模型和计算模型[37—43]。目前,常用的接触面单元有两节点链杆单元,无厚度接触面单元(Goodman单元、无厚度等参接触面单元),有厚度薄层单元(Desai薄层单元)和摩擦接触单元。
2 支护结构内力与变形计算方法
深基坑支护结构内力与变形是支护结构与周围岩土体相互作用的结果,支护结构变形是基坑变形的主要组成部分。一般情况下,深基坑支护结构可简化为一个受侧向土压力作用的受力结构,目前对这种结构主要有三种基本算法:极限平衡法、弹性地基梁法和有限元方法。
2.1 极限平衡法
极限平衡法是基坑支护结构设计较早使用的方法,由于计算简单,可以手算,目前仍有采用[44,45]。极限平衡法主要考虑力的平衡,取单位宽度受侧力荷载作用的梁系进行计算,如等值梁法、静力平衡法、二分之一分割法以及刚性支承连续梁法等。国内较多采用等值梁法和静力平衡法。极限平衡法考虑的土压力既有Terzaghi-Peck的经验表观土压力,也有经典的理论土压力方法,如郎肯土压力法等。
2.2 弹性地基梁法
弹性地基梁法针对极限平衡法中挡墙内侧坑地被动土压力计算问题提出改进。其概念是由于挡土墙位移有控制要求,内侧土体不可能达到完全的被动状态,因此计算中引用承受水平荷载桩的横向抗力的概念,将外侧土压力作为施加在墙体上的水平荷载[46]。土压力一般采用经典的土压力理论,如郎肯土压力理论或库仑土压力理论。基坑面以上的支撑可看作为以弹性支点,基坑以下的土层可用一系列的土弹簧的作用替代(图1)。把支护结构看作一个弹性支承的地基梁,对弹性地基梁的解法通常采用解析法、结构力学方法和有限元数值法等。
弹性地基梁法计算简单,计算方法程序化实现容易,并可通过不同工况的前后衔接模拟基坑的开挖过程,因此成为现行规范的推荐方法。
2.3 有限元方法
基坑工程是一种系统工程,常规分析方法很难反映诸多因素的综合效应。近年来发展的有限元方法,可以分析深基坑的整体性状,即把包括地基土在内的整个深基坑作为一个空间结构体系,考虑开挖过程、支护结构与岩土体共同作用、渗流、时间等因素的影响,综合分析支护结构的内力和变形。有限元方法把墙、土都划分为单元,土体可以采用相应的本构模型。模拟可以采用平面有限元,也可以采用空间有限元。
平面有限元分为竖直面分析和水平面分析。竖直面分析是将基坑开挖影响范围内的各构件离散为有限元单元,根据施工工况逐次模拟地基的应力、应变和位移状态,求解过程与一般弹性力学有限元方法类似;水平面分析的主要对象是水平的撑锚体系,将竖直面分析求得的支撑反力作为外荷载,并利用支点位移作为边界条件进行计算。在二维杆系数值模拟研究方面,郑刚[47]、杨雪强[48]等做了一些工作。
空间有限元也称为三维有限元。随着人们对基坑空间效应认识的不断深入,基坑工程的三维空间性质日益得到人们的关注[49]。刘继国[50]等用FLAC3D三维快速拉格朗日差分程序,对武汉长江过江隧道武昌明挖暗埋段深基坑的开挖与支护进行了数值模拟。王晓伟[51]等借助FLAC3D三维有限差分软件对悬臂地下连续墙支护结构变形坑角效应及其主要影响因素进行了研究,给出了支护结构变形坑角效应影响系数和坑角效应影响范围,提出了考虑深基坑坑角效应的支护结构变形计算方法。宋二祥[52]等采用ANSYS对润扬长江大桥北锚碇基础施工开挖中50 m特深基坑的三维非线性有限元分析。潘泓[53]等引入空间桩单元和空间曲梁单元,把深基坑支护结构中的环梁支护结构体系假设为带桩和环梁的空间框架,建立了简化的三维杆系有限元模型,并编制了相应的计算程序,并对变形分析。陈晓平[54]根据深基坑支护系统中支护桩—支撑—土的共同作用特征建立了三维杆系有限元分析模型,该模型不仅能够描述支护结构的空间效应和角效应,而且可以通过计算直接给出设计所需的信息,实例分析结果验证了模型的适用性和有效性。陆余年[55]等对上海软土地区长峰商城逆作法施工超大深基坑建立三维有限元分析模型,探讨支护结构变形规律及内力特征。
3 支护结构内力与变形监测
在深基坑开挖和基础施工期间,必须对支护结构进行内力和变形监测,以确保周围建筑物和施工的安全,也是优化支护结构设计的需要。因此,深基坑支护结构内力与变形监测一直是工程技术人员所关注的重要问题。秦俊生[56]等对北京亚奥国际广场深基坑支护结构内力进行监测。潘培强[57]对广州市轨道交通三号线客村站深基坑支护结构内力和变形进行监测,并根据监测结果优化设计方案。杨圣春[58]等对深圳地铁前海湾地区交通枢纽工程深基坑支护结构水平位移进行监测。谢军[59]等对广州珠江黄埔大桥嵌岩地下连续墙支护结构施工过程内力和变形进行监测。朱彦鹏[60]等对郑州楷林大厦深基坑桩锚与土钉墙联合支护结构的变形进行监测分析。姜晨光[61]等介绍深基坑桩锚支护结构变形监测方法和影响变形的因素。马莉[62]等介绍自由设站监测深基坑支护结构变形的新方法。
4 讨论与分析
在深基坑开挖过程中,支护结构体系不断变化,每次开挖时既有土体被挖掉,也可能有新的构件施加,是一类典型的变形体系施工力学问题。仅仅考虑最后一个状态与考虑逐次开挖不断迭加各次开挖的成果进行分析所得的结果是完全不同的[63]。因此,本文讨论的三个方面是相互联系的。深基坑开挖与支护过程是一个动态系统工程,岩土体开挖过程和支护结构添加过程影响支护结构与岩土体之间的相互作用,这对相互作用改变必然影响支护结构本身的内力和变形特征,对前一个开挖—支护工况支护结构内力和变形行为监测有利于计算下一个开挖—支护工况支护结构内力和变形特征,可进一步优化设计方案。
分析表明,深基坑开挖—支护过程是一个动态的过程,但目前仍盛行的经典土压力理论的一些基本假设从根本上限制研究支护结构与岩土体的相互作用机制。如郎肯土压力理论假设墙背直立、光滑、忽略了土与支护结构的相互作用,库伦土压力理论虽然考虑了土与墙背的相互作用,但只能应用于无黏性土,而且这两个理论要求都是在极限平衡状态下的土压力,与实际情况不相符合。动态施工过程必然引起土压力动态调整,这种复杂的相互作用过程,用经典土压力理论去解释已不再适用。深基坑支护结构设计计算中,常常要把土压力简化为线性分布或集中力,而实际土压力应该是非线性分布而且实时变化的[52,64,65]。土压力是作用于支护接结构上的主要荷载,但经典土压力理论应用于支护结构设计计算存在很多不足之处,如何合理地计算土压力是基坑设计面临的关键问题。支护结构与岩土体相互接触问题在数学和物理上的双重复杂性,使得接触问题研究多局限于简单工况。接触问题的非线性性质和摩擦问题的耗散性质决定在数值方面和理论方面实现三维非线性接触仍是很困难的。
极限平衡法把超静定问题转化为静定问题求解,没有考虑支护结构变形对土压力的影响。弹性地基梁法可以视为仅限平衡法的改进,但没有从根本上改变极限平衡法。上述两种方法都没有将支护结构和周围环境视为一个整体系统来研究,无法反映支护结构与岩土体相互作用,也无法考虑深基坑的空间效应。深基坑本身是一个具有长、宽、深尺寸的三维空间结构,因而其支护体系设计是一个复杂的三维空间受力问题。因此深基坑支护结构设计计算必须考虑支护结构与岩土体相互作用和空间效应[12,51,66—76]。空间有限元方法能模拟分析支护结构与岩土体相互作用和空间效应,但二维有限元不能充分体现支护结构的空间效应。三维有限元方法能分布模拟不同工况下支护结构与岩土体整个系统的应力场和变形场特征,根据这个工况整个系统应力场和变形场特征不断优化设计方案和施工方案等,确保整个基坑工程安全、合理、有效地进行。该方法要求根据监测结果不断反演支护结构和岩土体参数,为下一工况计算提供基础数据,但参数较复杂,受反演方法限制,参数难以获得,且计算工作量较大[77—79]。
深基坑支护结构变形和内力监测是确保基坑施工安全的重要措施,也是进行信息化设计和施工的前提。影响深基坑支护结构内力和变形的因素众多[61],必须对支护结构本身和相邻环境系统监测。目前一些监测方法不能全面、客观地反映结构的变形动态、无法准确地判断其未来的变形趋势,而且昂贵的测量仪器增加了监测成本[62]。根据监测结果反演出合理的支护结构和岩土体物理力学参数,减少因试样的选取或试验方法的差异而造成的误差,为更好地指导现场信息化施工做出贡献[80]。因参数众多,目前反演方程仍存在诸多不足之处[69]。
5 未来研究方向
根据以上分析,相应地提出以下三点未来研究方向。
(1)考虑深基坑支护结构与岩土体非线性相互作用,研究土压力非线性分布规律,探讨三维接触问题的非线性性质和摩擦问题的耗散性质。基坑工程是一项动态系统工程,支护与岩土体的接触问题是经典的非连续性接触问题。因此,必须考虑动态性和非线性,从理论和数值模拟方面研究相互作为问题、土压力分布规律和接触问题。
(2)考虑深基坑支护结构内力与变形时空效应,并将支护结构与周围一定范围岩土体视为一个系统,开展三维计算方法研究。随着城市化进程的飞速发展,空间利用程度较高,不同建筑密切相关,基坑工程要重视本基坑支护结构对相邻建筑的影响。因此,考虑支护结构空间效应,将支护结构与周围一定范围岩土体视为一个系统研究是深基坑支护结构设计计算的必然趋势。
(3)深基坑支护结构内力与变形三维系统监测方法和计算参数非线性反演方法研究。对深基坑支护结构内力与变形实时监测,及时捕捉大量的岩土体信息,并通过反演方法计算和修正计算参数,预测下个工况出现的新行为、新动态,为施工期间进行设计优化和合理组织施工提供可靠信息。低成本、简单高效、准确、对施工扰动小的三维实时监测能及时有效地监测出支护结构的三维动态,为支护结构安全提供可靠而详实的变形信息是未来深基坑的一个研究方向[81]。基于非线性系统科学理论,研究非线性反演方法是岩土工程领域的参数反分析的发展趋势。
摘要：深基坑支护结构内力与变形研究已经成为岩土工程研究中的一个新领域。介绍了深基坑支护结构内力与变形的国内外研究现状,阐述了支护结构与岩土体相互作用、支护结构内力与变形计算方法和支护结构内力与变形监测研究进展,对目前深基坑支护结构内力与变形研究存在的一些主要问题进行了探讨,并提出以后的发展方向。
支护结构变形 篇6
深基坑支护结构施工早期考虑的仅是深基坑本身施工的安全，也就是它在施工过程中的设计安全度控制;随着基坑范围和深度的扩大，深基坑对周边环境的影响越来越明显，周边建(构)筑物、管线、道路沉降、断裂造成的损失也越来越大，保护周边环境设施的变形控制越来越重要，深基坑的特殊性和事故突发性，使得设计和施工过程均需从不同角度进行支护结构的安全度控制和变形控制。
1 深基坑支护结构在施工过程中的控制要求
基坑支护结构应满足的功能要求是:1)保证基坑周边建(构)筑物、地下管线、道路的安全和正常使用。2)保证主体地下结构的施工空间。基坑支护结构工作的极限状态有两种:一种是超过承载能力(包括抗剪切、抗倾覆、抗滑移、抗弯矩能力)极限状态的破坏状态;另一种是超过正常使用极限状态的失效状态。分别对应安全度控制和变形控制。在深基坑工程中，支护结构变形超过一定程度，即超过规定的正常使用极限状态，安全度控制是防止超过承载能力极限状态的基坑支护结构断裂、倾覆、滑移、垮塌失稳;变形控制是防止超过正常使用极限状态时导致基坑周边建(构)筑物的不均匀沉降、地下管线断裂、道路塌陷等，一般情况，超过承载能力极限状态所造成的后果比超过正常使用极限状态更严重。在土质较好时，保护周边环境的允许变形较大，使得正常使用极限取值可以较大，深基坑支护结构以安全度控制为主，而在软土地区变形要求往往占主导地位，正常使用极限取值较小，设计和施工过程中不但要分清基坑支护结构控制的关键因素，对支护结构及周围环境的变形关系作出准确预测，而且有必要建立设计安全度控制与设计变形控制之间的关系，以便更好的进行施工过程的安全度控制和变形控制。
设计方案的安全度控制是设计计算的承载能力极限状态，即支护结构的抗剪切破坏、抗倾覆破坏、抗滑移破坏、抗弯破坏的极限状态值乘以一定的安全系数，使支护结构有一定的安全储备而达到安全的目的。而在施工过程中如何确保设计要求的安全度，满足设计要求、开挖支护时确保设计工况和根据实际基坑开挖后的状况同设计进行设计方案的循环改进，也就是协同设计实现动态设计，实现对设计安全度的验证、反馈和修改，使设计方案更加安全、经济合理、方便施工，是施工过程安全度控制的主要内容。支护结构的施工过程安全度控制和设计过程安全度控制从不同角度对支护结构安全可靠性进行了控制，施工过程安全度控制是以设计过程安全度控制为基础的，反映了设计的要求和工况，满足了设计循环改进需求，施工过程安全度控制使得设计过程安全度更加符合实际，更好的满足地下主体部分的施工、保护周边环境和降低基坑事故率。
设计和施工过程安全度控制的主要目的均是防止支护结构失稳，保证主体地下结构的施工有安全的空间，施工过程安全度控制可分为两个部分:一部分是支护结构强度控制，也就是支护结构本身施工质量控制，防止因其强度、刚度达不到设计要求而折断;另一部分是支护结构稳定性控制，主要控制周围环境地质、水文条件以及周边环境条件变化对支护结构稳定度的影响，涉及支护结构的平衡问题，以排除事故隐患，防止支护结构倾覆和滑移造成的失稳为控制目标。基坑的安全等级越高，如确定为一级时，就越需要更严格的控制。
早期的深基坑设计方案是以安全度为目的进行控制的，但由于城市内的深基坑周边紧邻建(构)筑物、市政管线、道路等，对周边环境影响越来越大，支护结构还没有产生失稳前，周边环境设施已因超过允许变形而损坏，造成了很大的损失;周边环境设施的损坏反过来造成了支护结构的更大变形或失稳，如周边上水、排水、污水管线的破裂;因而现在的设计方案更注重保护周边环境设施，施工过程同样需要重视周边环境设施的保护。
施工过程的变形控制主要以保证基坑周边建(构)筑物、地下管线、道路的安全和正常使用为主要目的，可分为两个部分:一部分是深基坑支护结构的变形控制，当然这个变形必须是在支护结构允许的变形范围内;另一部分是周围环境的变形控制，如周围建筑物、地下管线、道路等的允许变形控制，在施工过程中突出对周围环境变形的主动控制，减少单独对支护结构的变形进行被动控制的压力。这两部分变形量控制是一个相互影响的过程，一般情况下，设计确定的基坑安全等级越高时，周围建筑物、地下管线、道路等允许最低变形量越小，支护结构的变形量控制范围也越小，反之则较大;有时为了减小支护结构的变形控制难度，即增大支护结构的变形量控制范围，常采用隔离和加固的方法提高周围建筑物、地下管线、道路等允许的最低变形量范围。施工过程中根据现场实际对周边环境进行主动变形控制是减少深基坑风险和事故损失，较为经济实用的一种控制途径。
2 深基坑支护结构的安全度控制
2.1 支护结构强度控制
1)支护结构强度和刚度在设计方案中已初步确定，施工过程中支护结构的强度控制主要是进行支护结构的施工质量控制，防止因支护结构(包括桩、墙、支撑、锚固系统等)的强度、刚度不足引起支护结构破坏而造成基坑倒塌。
2)支护结构虽是临时设施，但其施工质量很重要，特别是关键部位的强度和刚度，是安全度和变形控制的基础。在动态设计中，设计方案最初确定的支护结构安全度一般较小，如果支护结构本身存在质量问题，控制过程的难度会加大，后期补救所需费用会成倍增加，即使在设计工况下严格控制开挖过程也将难以保证支护结构的安全度和变形要求，一旦因支护结构本身出现质量事故，不仅损失很大，事后纠正和补救比较困难;因而在施工过程中要重视支护结构本身的施工质量，确保支护结构施工质量也是深基坑施工过程预防控制措施的重要部分。
施工过程应按批准的专项施工方案进行施工，必须要有相应的地下连续墙、钻孔灌注桩、水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、喷锚支护、桩锚支护、土钉墙等专项施工方案和相应的质量控制程序，确保按设计方案要求进行施工过程控制，施工质量的控制以支护结构施工过程中的质量通病为关键点进行控制，以减少质量通病，确保施工质量。
2.2 支护结构稳定性控制
支护结构稳定性控制指的是在实际工程地质、水文地质在基坑开挖产生变化的条件下支护结构的安全有效性控制，不仅与支护结构本身强度有关，还与支护结构外围工程地质、水文地质情况及其在施工过程中的变化有关，如因基坑土体的强度不足、地下水渗流作用而造成基坑失稳，包括基坑内外侧土体的整体滑动失稳;基坑底土因承载力不足而隆起;地层因承压水作用、管涌、渗漏等，导致基坑工程失稳破坏。因而支护结构稳定性控制是施工过程控制的重中之重。
目前，深基坑支护结构的设计的强度计算仍基于极限平衡理论，但支护结构的实际受力并不那么简单。工程实践证明，有的支护结构按极限平衡理论设计计算的安全系数，从理论上讲是绝对安全的，但有时却发生破坏;有的支护结构安全系数虽然比较小，甚至达不到规范的要求，但在实际工程中却满足要求。这与周围环境的影响是分不开的，这实际是基坑的稳定性控制问题没有处理好，不仅设计过程中要考虑支护结构的稳定性，施工过程中更要在获得实际开挖地质数据后协同设计考虑和处理好支护结构的稳定性，如果设计过程中没有处理好支护结构稳定性控制问题，存在的问题延续至施工过程中，就增加了在施工过程中进行稳定性控制的责任，对设计方案的动态设计需要认真配合，慎重对待。
虽然设计方案对支护结构的倾覆和滑移进行了充分考虑和验算，但在深基坑实际开挖过程中，实际的地质条件可能与原设计假定的地质条件有出入，开挖过程中改变了土体和周围地下水的状况，坑边堆载、动载的影响、外部雨水的影响，使基坑周边环境存在时空效应，基坑支护结构处于不断的动态平衡过程中，由于现场监测过程的滞后和不能获得反映实际状况较为全面的监测数值，在施工过程中不仅仅是按图施工，还必须强调和坚持程序施工、有针对性的预测预防、信息施工，根据开挖情况及时进行稳定性预测、实时监测，及时合理调整施工步骤，及时向设计反馈开挖实际状况，发现实际情况与原设计假设条件不一致、出现新的问题时，要及时与设计共同研究处理方案，较大的方案变化还要提交专家组讨论审查通过，以确保实际支护结构的安全有效性，即支护结构稳定性控制要确保支护结构体系不能留有后期难以补救的重大隐患和相应的防范措施不能缺失，对于在后期能及时补救和所需费用相对较小的实际问题，可以共同商定留置观察控制处理。在施工过程中尽量通过实际监测数据和施工观察经验的反馈为基坑支护的动态设计提供充分的依据，从而能优化设计，使支护结构设计达到安全、经济合理、施工便利的目的。
3 深基坑的变形控制
基坑开挖势必引起周围地基中地下水的变化和压力场的改变，导致周围地基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物及地下管线产生影响，严重时危及到安全和使用，与此同时，大量土方运输、周边堆载、雨水浸入也会产生较大影响，深基坑变形控制的目的虽能保证基坑周边建(构)筑物、地下管线、道路的安全和正常使用，但在目前情况下，考虑经济原因，一般主要是控制基坑支护结构的变形控制，只有在周边环境变形处理能较节省费用或相关设施重要程度较高时，才考虑对周边环境设施进行隔离或加固处理。
一般情况下，深基坑的允许变形控制量是根据基坑的深度和周围建(构)筑物、地下管线、道路等承受变形能力的情况，由设计确定深基坑的安全等级和支护结构的变形量;而在施工过程中不仅需要按设计要求控制支护结构的变形量，而且要同设计确定周围建(构)筑物、地下管线、道路的允许变形量并随时监控。施工前不但要对围护墙体及周围环境的变形作出准确预测，而且有必要建立支护结构变形控制与周边环境变形控制之间的关系，通过提前预测和及时监控，进行积极主动的控制。
一般情况下，变形控制是在支护结构安全度控制的基础上进行的变形量控制，如果周边环境预测的允许最低变形量大于支护结构的实际变形量，可在对周边环境进行一定程度的监控情况下，实施深基坑的安全度控制即可。如果基坑较深或开挖面积较大，周边环境允许最低变形量较小，支护结构变形量难以满足要求时，或支护结构变形控制较难时，则需要对周边环境内的最低允许变形量的建(构)筑物或地下管线或道路采取加固、隔离措施，提高周边环境内的最低允许变形量，以降低深基坑变形控制的难度。
在深基坑开挖过程中，土体的含水率、内摩擦角和粘聚力三个参数是可变值，需要采用原位测试手段进行现场测试，如现场十字板剪切试验，协同设计共同确定现场的实际土体参数，进行支护结构参数的反分析计算，如发现问题应及时进行修正，以防止因支护设计方案问题使支护结构产生较大的变形。
一般深基坑周围环境复杂，场地条件差，随着基坑深度和面积不断加大，深基坑的变形控制越来越难。实际上开挖后的土体是一种动态平衡状态，也是一个土体逐渐松弛的过程，随着时间的增长，土体强度逐渐下降，并产生一定的变形，水的影响使深基坑的变形控制更加复杂。变形控制过程需要特别注重减轻水的危害性，把水的问题处理好，特别是高地下水位、砂质土地基，由于止水、截水、降水、排水不当或失效，造成周围地面、建筑物、管网等沉陷、变形、开裂等，处理好水的问题是变形控制的重中之重。
加强施工过程的监测控制，减少施工的盲目性，及时发现施工过程中的异常并预警，预测基坑及结构的稳定性和安全性及变形趋势，提出工序施工的调整意见及应采取的安全措施，保证整个工程安全、可靠推进。施工过程中变形监测的重点是:支护结构的测斜位移、邻近建筑物的沉降、倾斜和裂缝及发生时间和发展过程的监测;邻近构筑物、道路、地下管网设施的沉降和变形监测;基坑开挖后的基底隆起观测;地下水位监测;裂缝观测。目前的基坑监测还不能满足现场要求，可靠性低，要注意采用多项监测手段，利用发生事故前支护结构位移、受力、周边环境沉降、裂缝等都有变化的特点，使其监测结果能互相验证。同时需要有经验的工程师每天进行肉眼巡视，主要对地圈梁(帽梁)、邻近建筑物及邻近地面的裂缝、沉降和支护结构工作位移、流土、渗漏或局部管涌等不良现象的发生和发展进行检查、记录和分析，形成有效的监测系统，使工程设计和施工设计紧密结合，以达到保证工程和周围环境安全和及时调整优化设计及施工的目的。
解决好基坑周边堆载的问题，施工过程中基坑周边可利用的空间较小，迫不得已在基坑周边堆载，但设计方案没有考虑这些荷载，使得周边堆载常常不符合设计要求的工况，特别是有较大的动荷载时，更容易造成基坑支护结构的变形过大。解决这个问题需要将施工方案和设计方案相结合，或在设计方案阶段考虑施工过程中的实际堆载，或施工方案中控制周边堆载，满足设计要求和工况，总之设计和施工要紧密配合，及时在设计方案或施工方案确定前解决此类问题，不留隐患。
4 结语
深基坑支护结构安全度和变形控制是一个系统工程，施工过程的控制是实施、验证、修改设计方案，并优化设计的过程，也是判断施工方案是否合理、施工过程能否按设计工况实施、改进循环的过程，提前预测、预防、动态设计、信息施工是深基坑支护结构安全度和变形控制经济实用的方法，并且实施过程需要通过不断的循环改进才能降低深基坑风险，确保最终的施工质量。
摘要：主要就支护结构在施工过程中的安全度和变形控制作了具体分析,就如何在施工过程中进行设计安全度和变形控制,进行了相应的探讨,并阐述了相应措施及施工要求,以期确保深基坑施工安全和质量。
支护结构变形 篇7
基坑开挖必然引起近邻建筑物发生沉降变形和基坑支护结构的水平位移[1]。如果建筑物发生不均匀沉降, 建筑物的结构就会产生相应的反应[2]。在此利用NCAP-2D二维有限元数值分析方法, 对工程实例在基坑开挖中引起的水平位移量和邻近建筑物沉降量的变化进行了数值模拟, 并与实际监测值进行了对比分析, 不过由于岩土体的复杂性、土与支护结构相互作用不易模拟以及其他某些未知因素的影响, 距真正应用于工程实践还较困难[3]。
1 工程概况
1.1 场地实际情况。
本工程场区地形基本平坦, 基坑槽深12.0m, 占地2400m2, 支护面积约2340m2, 根据地勘报告, 场区地质情况为:表层为厚度为3.80~6.0m的人工堆积渣土 (1) 层, 砂质粉土 (2) 层, 粉质粘土 (3) 层, 砂砾、砾石 (4) 层。基坑北侧相隔10m为已建的办公楼, 受其影响, 施工难度较其他支护部分较困难, 所以整个基坑支护的关键在于北侧, 遂决定在该侧进行有限元二维模拟, 对水平位移量和建筑物沉降量进行计算。
1.2 支护方式。
基坑支护设计步骤是:首先根据土质情况及现场环境按经验设计土钉参数, 用楔形滑移面法作初步验算。基坑支护中秃顶受力情况从上到下大致是按梯形分布的, 以此为据, 土钉的分布也是上、下短, 中间长。由于各个断面受力情况不同, 设计的支护形式也相应有所不同。考虑到靠近原有建筑物处, 其施工难度较其他支护部分较困难, 所以本文选取其最危险断面进行介绍并作相应模拟分析。
2 数值分析方法的建立
土钉支护的要点是分层开挖, 随挖随支, 决不超前。基坑工程首先打入微桩, 随后的基坑开挖分八步进行, 一到八步分别开挖至地表下1.5m, 3m, 4.5m, 6m, 7.5m, 9m, 10.5m, 12m。
模型计算参数的取值可参考文献[4], 填土弹性模量为34MPa, c=0.02MPa, 内摩擦角为15°;砂质粉土弹性模量为111MPa, c=0.015MPa, 内摩擦角为35.6°;粉质粘土弹性模量为256MPa, c=0.025MPa, 内摩擦角为25°;砾石弹性模量为2754MPa, c=5MPa, 内摩擦角为45°。
微桩按等刚度转换为相应的连续墙结构, 厚度为0.75m, 可认为其弹性模量为74000MPa, v=0.2。喷射混凝土面层的弹性模量为20000MPa, v=0.2。锚杆弹性模量取值为210000MPa, 横截面积为0.0000484m2, 抗拉强度为38000MPa。
3 数值计算结果与分析
俞建灵[5]认为, 基坑开挖对周边环境影响最大的四个因素为:地表沉降、支护结构变形、基坑回弹 (及坑底隆起) 和墙外地层固结沉降, 其中地表沉降=支护结构变形+坑底隆起+墙外地层固结沉降 (施工前期已完成) , 因而, 分析支护结构的变形和坑底隆起, 对于基坑工程具有十分重要的意义。
3.1 结构侧向变形随分步开挖的变化。
经过对不同施工阶段支护结构侧向变形的比较分析, 得出结论:在施工初期, 开挖深度不大的情况下, 支护结构的侧向变形形式基本为上部大、下部小的倒立三角形形式, 主要体现在开挖后第三步, 这种变形有点类似于结构上悬臂梁的变形;随着施工的进行, 支护结构的侧向变形值增长缓慢, 但是变形形式却发生了变化, 有施工初期的倒立三角形逐渐变为R形;施工后期与施工初期比较, 可以发现, 除了支护结构的侧向变形形式不同外, 另一不同点在于它们的最大侧向变形点也不同。施工初期, 其最大变形值在支护结构的顶端;随着施工的进行, 其最大侧性变形点逐渐下移, 到达施工末期, 我们可以看出, 其支护结构最大侧向变形点位置基本在坑底上方大约3m处。
3.2 坑底隆起随分步施工的变化。
经过对模型开挖过程中坑底变形的研究和分析, 我们可以发现, 坑底隆起值施工初期很小, 直到第二步开挖, 其最大隆起之仅为0.00499m。随着基坑开挖的继续进行, 坑底隆起值逐渐增大。但是, 坑底隆起最大值并没有出现在最后一步, 最后一步的坑底隆起最大值值 (0.01525m) 远比第七步的坑底隆起最大值 (0.03252m) 小。追查其原因, 可以发现, 在第三~七步开挖时, 其坑底均有较厚的粉土和粘土层, 这两种土弹模较小, 往往容易引起较大变形;而第八步 (最后一步) 施工时, 坑底已是砾石层。
4 动态模拟与实际监测值的比较
通过对模拟值选取的1052号节点与相应的监测点位置相近的侧向变形值的比较, 可以看出:模拟的侧向变形在施工中期远较实际监测值大, 在施工初期与施工末期, 则比实际监测值小。但最终变形量还是比较接近的, 而且, 两者的基本形状均为R型。
5 结论
5.1在基坑开挖施工阶段, 围护结构的水平位移和基坑周边建筑物的沉降就开始发生, 并且随着施工的进行, 变形越来越大。运用弹塑性平面有限元可以较好的模拟基坑的施工, 其计算结构基本是可信的。
5.2基坑周边建筑物的存在, 会加大支护结构变形。在一定的范围内, 建筑物离基坑越近, 对基坑的变形影响越大, 反之, 则影响比较小。因此, 周边有建筑物的基坑部位应适当地提高围护结构设计强度, 从而能有效减少围护结构变形。
5.3采用有限元方法可以很好的模拟基坑开挖过程, 计算值与实测值相差不大, 模拟结果与实际结果不符的原因, 可能是弹塑性有限元没有考虑时间效应和土体粘性的影响, 加之假设基坑模型为平面应变模型, 忽视了空间作用的影响, 这并不能完全反映基坑开挖的情况, 采用三维立体模型效果会更好。
摘要：基于有限元数值分析方法, 建立了遵循时空效应的逐层开挖、随挖随支的分步施工模拟方法, 对北京某基坑支护的实际工况进行了分析, 重点研究了基坑开挖引起的水平位移量和邻近建筑物沉降量的变化, 并与实际监测值进行了对比分析。模拟结果能够反映基坑逐层开挖过程土工结构体和施工荷载的逐渐变化与相互影响。
关键词：有限元分析,基坑支护,变形控制
参考文献
[1]刘建航, 侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1997.
[2]赵延林, 高全臣, 衡朝阳.基坑开挖对邻近建筑物沉降影响的数值模拟[J].黑龙江科技学院学报, 2005.
[3]OU Chang-yu, LAI Chang-her.Finite～elementanalysis of dep excavation in layered sandyand clayer soft deposits[J].Can Geotech J, 1994, 31:204-214.
[4]黄运飞, 冯静.计算工程地质学[M].北京:兵器工业出版社, 1992.
深基坑钢支护水平变形控制 篇8
近年来随着城市建设的发展, 深基坑工程数量急剧增加, 在设计与施工技术上有很大的突破。这些深基坑工程往往处于城市中心地带, 周围有比较密集的建筑物、地下管线、道路等设施, 这对基坑技术提出了更高、更严的要求, 不仅要确保基坑自身的稳定性, 而且要满足变形控制的要求, 以确保基坑周围各种设施的安全。而如何安全、合理地选择地下室基坑支护结构及支撑体系, 并根据现场的实际特点进行科学的设计与施工是基坑工程要解决的首要问题。钢支撑结构支护是深基坑支护的一种重要方式, 具有支护安全、便于土方开挖、易于安装拆卸, 且施工工期短等优点, 但钢支撑支护若施工不当变形相对较大, 尤其是控制好其水平方向位移将是整个基坑支护施工的关键所在。福州金尊名都商住楼深基坑支护施工采用钢支撑体系, 比较成功地控制了的水平方向位移, 使地下室施工得以顺利进行。
2 工程概况
2.1 本工程位于福州市国货西路南侧, 总建筑面积30295 m2, 地上30层, 建筑高度96.70m, 地下一层, 地下室建筑面积3233m2, 形状不规则, 南北长70.8m, 东西宽63.7m。开挖后的基坑距离周边建筑物较近, 东侧离在建工程最小净距为15.0米, 距南侧八层居民楼的净距为15.0米, 相邻西向砖混结构民房的最小净距为21.0米, 离场地北侧的三层办公楼仅为4米 (见图1) 。本项目基坑开挖深度为4.50～5.80m, 属于深基坑, 且施工结束的工程桩为挤土效应显著的预应力管桩, 土方开挖时将有流塑性淤泥 (见表1) 涌出, 对基坑支护的稳定影响较大。本场地浅部地下水为 (1) 杂填土中的上层滞水和 (5) 中砂层中的地下水, 水位埋深1.50-3.30米。基坑南侧埋有市政污水管网且地表水比较丰富, 也不利于支护及土方施工。
2.2 本工程基坑钢支撑设计6道高低接φ609×12水平钢管支撑, 围檩、八字撑、角撑均采用350*350H型钢, 围护方式有两种可供施工单位选择:1.采用H350型钢 (长11米) 与搅拌桩组合;2.采用H350型钢 (长11米) 之间插钢板 (见图2) 。对这两种围护方式进行对比:采用搅拌桩组合结构, 虽止水性能较好, 但需两种打桩设备, 并要穿插施工, 工期相对较长, 造价相对较高;采用加插钢板组合, 施工速度快, 钢板拔出后可重复使用, 有一定挡水能力, 稳定性较好, 较为经济。因此采用第2种围护形式更为适合, 具体支护方式如图3所示。
本工程为一级基坑, 设计要求支护结构的水平位移限值为30mm, 将基坑变形控制好, 可减少对附近建筑物影响, 对提高工程质量、加快施工进度、降低工程造价意义重大。
1) 搅拌桩围护形式 2) 钢板桩围护形式
3 施工要点控制
3.1 基坑南侧埋有污水管网且地表水 (居民楼生活用水) 比较丰富, 施工期间无法马上截流改道, 基坑若出现大量渗水, 将出现土方沉降、塌方等事故, 并将引起支护水平位移。经与设计单位协商后决定南向围护桩局部调整为拉森钢板桩。拉森桩桩长为12米, 密排紧扣施工, 采用小锁扣打施工法逐根施打, 其桩与桩之间嵌合状态较密实 (见图4) , 能防止边坡及地下水渗流, 每根桩之间的锁扣按要求锁好。为了达到理想的止水效果, 施打拉森桩要控制好其垂直度, 首先轴线定位要准, 对易产生偏斜的地层和部位要控制打入的速度, 出现轴线偏差和扭转时要及时调整, 避免误差累积。
3.2 本工程除核心筒区域土方开挖6米外, 其余开挖深度均为4.5米, 若采用常规的上下接形式的两排支撑管空间高度为1.2米, 对底下土方开挖及结构施工均有难度, 而纵、横向支撑不在一个平面上, 整体刚度差。水平支撑钢管采用特制的“十字”接头形式, 为保证支撑稳定并将原先六条6道高低接改为8道十字接 (南北及东西方向各4道) , “十字”接头做法是先切割两段1.2米长H型钢, 叠加焊接连成一体, 两端采用750*750*20钢板封闭焊接, 中间凹槽用30*170*20加强钢板焊接顶紧, 四根水平支撑管采用开坡口与H型钢对接, 最后用100*100*20三角加强钢板焊接加固 (如照片1所示) , 这样接头既牢固又很大程度上方便了土方开挖, 开挖过程也减少机械对支撑的破坏。
3.3 每道水平支撑钢管安装完毕后, 部分支撑管有松动及局部下沉。按照以往预应力梁的施工经验, 在水平支撑钢管与围檩对接前, 对各节点的连接状况经确认符合要求后, 对水平支撑钢管施加200KN预应力:每根支撑加压前, 一端先焊接牢固, 油压千斤顶顶在另一端有H型钢封头的钢管端部, 预压力应分级施加, 加至设计值时, 应再次检查各连接点的情况, 必要时对节点进行加固。加压完后将支撑与围檩焊接固定, 然后再对加压端的八字撑进行焊接。 (如照片2、3所示) 。
3.4 由于部分H型钢围护桩施打时垂直度有偏差, 不能保证整排围护桩在同一立面, 安装围檩时, 围檩与围护桩之间就会产生间隙, 土方开挖后, 土体对H型钢围护桩产生推力, 将造成围护桩变形, 并进一步影响围檩的稳定。应对围檩与钢板桩之间较小的间隙用C20细石砼浇灌密实, 间隙较大的用钢块焊接。
3.5 设计图纸中采用Ф25钢筋三角形托架, 挖土时易被挖掘机钩到, 导致围檩跟着变形, 经与联系设计单位联系后进行优化, 改为槽钢牛腿托架形式。沿支护围护桩内侧开沟槽后, 在钢板桩上观测统一标高, 操作工人根据标高焊接10#槽钢牛腿, 并在下端采用加强钢板焊接牢固, 然后安装型钢围檩, 围檩和支撑做到标高一致, 呈一直线 (如图5所示) 。
3.6 在土方开挖过程中, 将有大量土方车在覆土后的水平支撑钢管上行驶走动, 土方车的碾压、土体的流动及挖土机作业时的作用力, 极易造成支撑钢管的下沉、变形, 特别是钢管对接接头处比较薄弱, 易造成支撑管焊接损坏。水平支撑钢管开坡口焊接处采用4块200*100*10加劲板焊接加固, 围檩对接处的四面均采用300*200*10加劲板加固 (如图6所示) ;要求支撑形成后, 在钢管面上覆土应不少于50cm后才能开始第一层土方开挖, 禁止挖土机停在水平支撑管上直接作业, 并在挖土机底下铺一片钢板以分散机械作业时对土体的作用力。
4 施工质量效果
土方开挖过程中, 在基坑边共设置30个监测点, 当土方开挖到设计标高后累计位移如表2所示:
由上表可以看出, 本工程的支护结构施工质量良好, 总体处于可控范围内。其中有2点超过预警值, 由于支护变形速率没有出现增大及不收敛趋势, 基坑周边变形稳定, 整个支护结构处于安全状态。另外, 对基坑周围的建筑物、道路、地下管线等设施的沉降也进行同步监测, 因本次基坑水平位移量小及较少抽取地下水, 故周边构筑物沉降变形均在允许范围内, 取得较好的社会效益。
5 结语
采用本支护体系相对于在深基坑支护中较常使用的钢筋混凝土排桩加止水桩支护方式相比, 具有材料可以回收不造成资源浪费, 工程造价相对较低, 施工工期短等优点, 具有较大的经济效益和推广意义。
本工程水平钢支撑在地下室底板浇捣完一周后拆除, H型钢与钢板在地下室顶板浇捣完两周后拔除, 配合地下室结构施工顺利完成支护任务。
摘要：通过工程实例, 本文介绍了福州金尊名都商住楼深基坑钢支护的施工技术。
关键词：深基坑,钢支护,变形控制
参考文献
[1]中国建筑科学研究院.JGJ120-99建筑基坑支护技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 1999.
[2]中冶集团建筑研究总院.JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2003.