型鋼斜撐在深基坑工程中的應用

孫錦劍

摘 要：本文介紹了杭州市某基坑工程采用型鋼斜撐的工程案例，對比了型鋼斜撐的理論計算、數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場實測結果，驗證了型鋼斜撐用于基坑工程的可行性，以期為今后型鋼斜撐用于基坑支護體系提供了新的思路。

關鍵詞：深基坑;支護體系;型鋼斜撐;數(shù)值模擬

中圖分類號：TU753文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0099-03

Abstract： This paper introduced an engineering case of using section steel diagonal bracing in a foundation pit project in Hangzhou， compared the theoretical calculation， numerical simulation calculation and field measurement results of section steel diagonal bracing， verified the feasibility of using section steel diagonal bracing in foundation pit engineering， so as to provide a new idea for the application of section steel diagonal bracing in foundation pit support system in the future.

Keywords： deep foundation pit;supporting system;inclined strut;the numerical simulation

隨著我國城市化進程不斷加快，城市建設中巖土工程越來越受到廣泛的關注[1]。在爭取最大的地下空間開發(fā)的同時，如何加快工期和節(jié)約成本也越來越受到重視。斜撐支護體系可以為深基坑工程施工提供最大的作業(yè)空間，在深基坑工程施工中具有很高的應用價值[2]。常規(guī)的鋼管斜撐一般分為兩類：一類是鋼管斜拋撐;另一類是前撐注漿鋼管樁[上?？辈煸O計研究院（集團）有限公司專利]。目前，這兩類鋼管斜撐已在基坑工程中被廣泛應用，而型鋼直接插入硬土層中但不注漿的斜撐方式在深大基坑工程中的應用幾乎屬于空白。該類型鋼斜撐是對前撐注漿鋼管的改進，仍屬于上?？辈煸O計研究院（集團）有限公司專利。

本文結合杭州富陽地區(qū)某深基坑工程項目，介紹了型鋼斜撐用于深大基坑工程（兩層地下室）的成功案例，同時分析了理論計算、有限元數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測之間的一致性，以為型鋼斜撐用于深大基坑項目提供一定的參考。

1 工程概況

本工程位于浙江省杭州市，擬建1～2層地下室，基坑開挖深度為5.75～9.60 m，基坑周長約為1 460 m（見圖1），開挖面積約為47 000 m2?；影踩燃墳槎??；颖眰葹楝F(xiàn)有道路，西側為河道，南側為空地，東側為道路及已建建筑。道路下有一定數(shù)量的管線。本場地基坑影響范圍內(nèi)的地質情況如表1所示。

2 支護設計概況

本工程基坑整體開挖面積較大，基坑北側局部為地下一層，該區(qū)域采用鉆孔灌注樁雙排樁懸臂的支護形式;西側和南側為地下兩層，采用鉆孔灌注樁結合可回收錨桿的支護形式;基坑東側為地下兩層，距離紅線較近，且紅線外為道路和已建建筑，采用鉆孔灌注結合前撐型鋼斜撐的支護形式。地下一層與地下二層高差采用高壓旋噴樁重力壩。對于斜撐區(qū)域，鉆孔灌注樁直徑為900 mm，樁長為14.0 m，樁間距為1 100 mm，止水采用CSM雙輪銑水泥土攪拌墻，型鋼斜撐采用H350×350×12×19型鋼，長20 m，斜撐間距3.5 m，鋼材型號為Q235。

3 斜撐理論計算

型鋼支撐的計算主要包括兩個方面：一是支撐的穩(wěn)定性及強度計算;二是型鋼插入土層中部分承載力計算。本文采用啟明星計算得到支撐的軸力為616 kN，其穩(wěn)定性和強度安全系數(shù)計算公式為：

式中：[F1]為穩(wěn)定性安全系數(shù);[F2]為強度安全系數(shù);[f]為鋼材抗壓強度設計值;[N]為支撐軸力;[A]為型鋼面積;[An]為型鋼凈截面面積;[?]為軸心抗壓構件的穩(wěn)定系數(shù)。

經(jīng)計算，兩個方向的穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為3.63和1.65（規(guī)范要求安全系數(shù)為1.0），兩個方向強度安全系數(shù)均為4.85（規(guī)范要求安全系數(shù)為1.0），故均能滿足要求。

插入土中部分的型鋼長度約為7.6 m，其中7.2 m在第④層圓礫層中，0.4 m位于第⑩層全風化泥質粉砂巖。其中，第④層圓礫層的極限側阻力為170 kPa，第⑩層全風化泥質粉砂巖的極限側阻力為150 kPa，極限端阻力為6 000 kPa，插入土中部分的型鋼承載力為1 600 kN。規(guī)范要求的承載力安全系數(shù)為1.6，計算得到的安全系數(shù)為2.6，遠大于規(guī)范要求值。

因此，無論是穩(wěn)定性強度還是承載力均滿足設計要求。

4 數(shù)值模擬計算

4.1 原理及方法

本文采用Hardening-Soil模型模擬土的本構關系。該模型是一種改進后的模擬巖土行為的模型，相對于理想彈塑性模型（Mohr-Coulomb模型），Hardening-Soil模型采用三個不同的輸入剛度即可更準確地描述土體剛度，即三軸加載剛度E50、三軸卸載剛度Eur和固結儀加載剛度Eoed。該模型與Mohr-Coulomb模型相比，其優(yōu)勢不僅在于它使用了一條雙曲應力-應變曲線，而非雙線性曲線，還在于對應力水平依賴性的控制，即所有剛度隨著壓力的增加而增加，更符合實際情況。

Hardening-Soil模型本質上是一個雙曲線的應力-應變關系，其屈服函數(shù)為：

式中，[f]是應力的函數(shù)，而[γp]是塑性應變的函數(shù)，其計算公為：

式中：[q]為三軸加載下的偏應力;[qa]為抗剪強度的漸進值;[E50]和[Eur]分別為與圍壓相關的主加載模量和卸載再加載模量，其計算公式為：

Hardening-Soil模型的帽蓋型屈服面定義為：

式中，[α]是一個與[Knc0]相關的輔助模型參數(shù)，[p=-（σ1+σ2+σ3）/3]，[pp]為等向預固結應力。

由于圍護樁與周邊土體兩種材料的剛度相差甚大，有限元分析中采用了接觸面單元，考慮到計算中的收斂性，單元類型采用非線性彈簧單元，屈服準則采用線性庫侖模型。在接觸面的節(jié)點處設置切向和法向兩根彈簧來模擬樁土間的接觸特性，其切向和法向剛度分別為[Ks]和[Kn]。利用虛功原理，可以建立節(jié)點力和節(jié)點位移的關系表達式：

式中：[F]為節(jié)點力向量;[δ]為節(jié)點位移向量;[θ]為局部坐標軸與整體坐標軸的夾角;[Dc]為剛度矩陣;[B]為角度矩陣;[BT]為角度矩陣的轉置矩陣。

4.2 模型的建立

采用二維有限元平面應變模型進行分析，豎向臨空面采用全自由度約束，底部和側面采用固定約束，分析單元類型與本構模型見表2。有限元計算模型見圖2。

結構參數(shù)：鉆孔灌注樁的彈性模量取20 000 MPa。

在開挖基坑之前，場地存在初始應力場，故首先按土體自重應力場來模擬場地存在的初始應力場。在上述應力場基礎上，初始化所有位移與應變?yōu)榱悖瑑H保存其變化的應力場作為基坑施工模擬的初始應力場。計算中結合設計工況，按表3所列工況進行計算分析。

4.3 計算結果分析

數(shù)值模擬的結果如圖3所示。由數(shù)值模擬結果可以看出，基坑開挖到底后基坑變形對管線和已建建筑存在一定影響，但基坑開挖對其的影響是在可控范圍內(nèi)的?；幼畲笞冃伟l(fā)生在坑底，最大位移為13.9 mm。模擬的斜撐型鋼軸力曲線如圖4所示。斜撐的軸力為210 kN/m，按支撐間距3.5 m考慮，支撐軸力為735 kN，該值與啟明星計算結果基本一致。

4.4 現(xiàn)場實測

在基坑施工過程中，對該項目進行了基坑監(jiān)測，測斜結果如圖5所示。由圖可知，基坑最大位移為21.0 mm。同時，根據(jù)現(xiàn)場的軸力監(jiān)測，斜撐軸力均小于200 kN。結合上節(jié)的啟明星理論計算值和數(shù)值模擬值可知，三者的最大位移均出現(xiàn)在坑底附近，且位移值也基本一致，數(shù)值模擬結果相對較小。支撐軸力值現(xiàn)場實測值小于啟明星計算值和數(shù)值模擬值。

5 結語

本文通過杭州市的一個基坑工程案例，對比理論計算、數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場實測，驗證了型鋼斜撐用于基坑工程的可行性。

參考文獻：

[1]劉楷.一種內(nèi)支撐支護體系在深基坑施工期的數(shù)值模擬及分析[D].濟南：山東大學，2016：6-7.

[2]趙帥權.在深基坑中斜撐支護體系的應用研究[J].工程技術，2020（1）：107.