用钢筋混凝土支撑代替钢支撑的深基坑支护特性研究

1、用钢筋混凝土支撑代替钢支撑的深基坑支护特性研究刘树亚1，潘晓明1， 欧阳蓉2， 余志江21.深圳市地铁集团，广东深圳518026 2.深圳市市政设计研究院， 广东深圳518029摘要： 为控制基坑的稳定性和施工对周边环境影响， 国内局部城市建设行政主管部门要求深基坑第一道支撑必须采 用钢筋混凝土支撑。 为研究钢筋混凝土支撑代替钢支撑前后的基坑受力变形性状，以深圳地铁某基坑工程为例，利用 有限元软件ABAQUS， 对钻孔灌注桩围护结构+内支撑体系进行了有限元分析。 分析时，土体采用Mohr-Coulomb理想 弹塑性模型， 围护结构与土体之间采用接触模型，考虑了钢筋混凝土支撑设置在不同的支撑位置

2、， 分析了不同开挖阶 段支撑轴力及围护墙侧移的变化规律。结果说明：深基坑第一道支撑采用钢筋混凝土与采用钢支撑对基坑的受力变形 影响不显著； 但根据基坑受力变形性状， 钢筋混凝土支撑假设设在基坑中部可充分利用其抗压性能， 减小围护结构变形 和弯矩。关键词：基坑开挖;钢筋混凝土支撑;钢支撑；有限元分析中图分类号：TU47文献标识码：ASupportingcharacteristicsofdeepfoundationpitsusingreinforced concretesupporttoreplacesteelsupportLIUShu-ya1PANXiao-ming1 OUYANGRong2 Y

3、UZhi-jiang21. ShenzhenMetro Group Co., Ltd., Shenzhen 518026, China;2.Shenzhen MunicipalDesign &Research instituteCo., Ltd.,Shenzhen518029,ChinaAbstract: Inordertocontrolthestabilityandconstructionimpactonthesurroundingenvironmentinfoundationpitengineering, theadministrativedepartmentsinchargeofcons

4、tructioninsomeprovincesinChinarequirethatthefirstsupportindeep foundationpitsmustusereinforcedconcretebracing. Tostudythedeformationcharactersusingreinforcedconcretetoreplacesteelsupport,Shenzhensubwayfoundationpitistakenasanexample.ThefiniteelementsoftwareABAQUSisusedto simulatetheinfluenceofthesti

5、ffnessattenuationofbracingssystemonthesurroundingstructureduringtheexcavation process. Inthefiniteelementanalysisprocess,theMohr-Coulombelastic-plasticmodelisappliedtosoil,andnonlinearcontact analysisissetupbetweentheenclosurewallandthesoil.Consideringthespacingpositionofthereinforcedconcretebracing

6、s, bothrulesofthehorizontaldisplacementofenclosurewallandthebracingaxialforceareanalyzedatdifferentexcavation stages. Theresultshowsthatthefirstsupportusingreinforcedconcretebracingorsteelbracingindeepfoundationpitshaveno obviouseffect ondeformation.Butaccordingtothe deformationofdeepfoundationpitst

7、hecentralreinforcedconcretesupportscanreducedeformationandbendingmomentoftheretainingstructure.Keywords: foundationpitexcavation;reinforcedconcretebracing; steelbracing; finiteelementanalysis310岩土工程学报2021在较大空间整体效应，平面刚度大，结构变形小，可有表1计算方案 效保护基坑周边建筑物和地下管线平安。而采用钢支Table I Computational schemes 撑可加快施工进度，并能在

8、基坑开挖期间施加预压力， 可重复利用，对确保基坑稳定和施工平安也能起到积极有效作用341。鉴于地方建设行政主管部门的要求，深圳市地铁 三期工程所有基坑工程的第l道支撑均采用了钢筋混 凝土支撑。因此，研究用钢筋混凝土支撑代替钢支撑 的深基坑支护特性具有重要的意义。本文以深圳二期 工程大新站深基坑工程为例，建立二维有限元模型， 对钢筋混凝土支撑所处不同空间位置的围护结构侧 移、弯矩、剪力及支撑轴力的变化规律进行了分析和探讨。表2土层计算参数Table 2 Computational parameters of soils1工程概况11工程根本情况地层名(g0盎a，)庙aygo素填土1857157O

9、3224610901大新站位于深圳市南山区桃园路与前海路交叉路砾砂19246OO23310003口，站位所在地区为海积平原，地形略有起伏，地势砂砾黏土1801770326823041西高东低，现地面高程299380 m。车站呈东西走全风化18425026158158035强风化18952902526334033向。车站长215 m，基坑平均深度155 m，标准宽度中风化203150022860041191 m，盾构井段226 m，扩大段2345 m。围护结构采用钻孔灌注桩+旋喷桩止水帷幕+内支撑方案，钻孔8基 冠粱盗蜀桩直径1200 m，桩芯间距1 350 mm。车站主体标准段钻孔桩嵌入深度约

10、7 m，盾构井扩大段钻孔桩嵌入深晕弼皤瑚霸陋一一。第1遭捧琢加应力：20kN 研_一一一一-钢管横掉度约8 m。旋喷桩与钻孔桩有100 mm的咬合，桩径广 为600 mm，嵌固深度不小于基坑底以下5 m。F |归雠E辩=看 L一豇一一_J12基坑支护方案l，r。 围护结构竖向布设3道水平钢管支撑，钢管内支I葚 |鐾湍黜枞4-一 LJ一4-撑采用西=600 mm，t=16 mm，可施加预压力；第l一 道支撑中心标高在地表下25 m，第2道支撑为地表I茧，n踟1509嘞1 罗19l【m下80 m，第3道支撑为地表下125 m。i岩一超垡鼍疃焦为分析比拟内支撑采用钢筋混凝土和钢管情况下_一2nJ 一

11、一一 DO L2I咐19100l： j 鲫基坑支护特性的变化，采用深圳地铁常用的800 mmKt单f口：mitt900 mm混凝土内支撑进行分析比拟。图1围护结构剖面及地层特征因此，按以下4个方案进行计算分析，见表l。Fig1 Section ofenclosure s1时ucn珊and soil strata13地质情况场地地质构造主要表现为燕山期花岗岩岩浆侵入 作用，花岗岩在风化作用下形成残积层，上部沉积海2计算模型积的淤泥层，海冲积的砂层，地表为人工填土。车站21有关假定和计算前提 勘察没发现断层，下部基岩特别是在中等风化岩、微 (1)设地外表和各土层均呈匀质水平层状分布： 风化岩中节理

12、裂隙较发育。车站范围内上覆第四系全 (2)各土层的应力应变响应均在弹塑性范围内变 新统人工堆积层、海积层、海冲积层、花岗岩残积层， 化，钻孔桩和内支撑的刚度较大，认为在弹性范围内 下伏燕山期花岗岩，主要地层计算参数如表2，地层 变化：厚度及基坑围护结构断面如图l所示。(3)设土体与钻孔桩边界面上为库仑摩擦；(4)计算中未考虑旋喷桩帷幕；增刊刘树亚，等用钢筋混凝土支撑代替钢支撑的深基坑支护特性研究3ll(5)未考虑围檩作用，假定钢支撑与钻孔桩为铰剪应力；t为摩擦系数，取值为03：P为接触面法向 接，混凝土支撑与钻孔桩为刚接。压力。22计算范围、单元模型及网格划分勇厦力由于基坑模型对称，计算模型尺

13、寸为60 mX 540滑穆 妒m，即沿地层深度方向(x方向)取60 m，沿y方向540 m。土体材料采用莫尔一库仑理想弹塑性本构模j黠结滑j型，选取实体单元CPE4来模拟：钻孔灌注桩采用梁 单元B21模拟【5矧，围护结构与土体之间采用接触模型模拟。 J图3界面摩擦特性二一J“ iFig3 Friction characteristics of interface十接触面之间传递可设置极限摩阻力，当极限摩阻十力大于接触压力乘以库仑摩擦系数，桩土之间不会发i生滑动，反之，桩土之间发生剪切滑移。!钻孔桩外侧可直接与土体设置接触对，而对于内旷。侧土体，由于要分层开挖的相对关系，需要分别设置 接触对，即

14、每层开挖土体均需要与钻孔桩建立接触对，图2有限元计算网格对于文中4次开挖，桩内侧需要建立5个接触对，4Fig2 Computational mesh of finite element个开挖土体的接触对和嵌入土体的接触对。 钢支撑或钢筋混凝土支撑均采用梁单元B21模拟，钢筋混凝土支撑与围护桩刚性连接，钢支撑与围3计算结果分析 护桩铰接。剖分后的土体、钻孔灌注桩、支撑的有限根据基坑开挖的步骤，分别对方案一、方案二、 元网格如图4所示，共有1419个单元，1521个节点。 方案三、方案四进行数值分析，分别计算4种方案下 其中，土体1365个单元，钻孔灌注桩24个单元，支 围护结构的水平位移、弯矩、

15、剪力以及支撑轴力的变 撑30个单元。模型的边界条件为：除了上外表为自有化规律。围护桩水平位移向基坑内变形值为正，反之面外，其余左侧面和底部均施加水平和法向约束，右为负：围护桩弯矩外侧受拉为正，基坑内侧受拉为负：侧采用对称边界。围护桩剪力顺时针为正，逆时针为负。23计算参数31水平位移分析土层的计算参数见表2，钻孔灌注桩与钢筋混凝图47为各方案在不同开挖工况下，围护结构沿土支撑强度等级C30，弹性模量E=300 GPa，密度为深度下的水平位移变化曲线。图4为开挖至25 m处P=2500 kgm3，泊松比为02；钢管支撑弹性模量时，围护结构的变形曲线，从图中可以看出，各方案E=210 GPa，密度

16、为p=7800 kgm，泊松比为0167。24接触单元处理下的钻孔灌注桩水平位移重合，桩水平位移沿深度逐 钻孔桩内外侧均与土体设置为接触关系，可采用渐减少，最大位移发生在桩顶，其值为17 mm。图5为开挖至80 m处，并增加第一道支撑下的无厚度的Goodman接触单元模拟。接触面的径向力学行为采用“硬接触模拟，即接触面之间可以传递无 水平位移变化曲线，其水平位移变化为“弓的变形 穷大的径向压应力，但不能传递径向拉应力(在径向特征，即中间大，两边小，最大位移均发生在开挖面 拉力的作用下接触面脱开)。接触面的切向力学行为采 附近。由表l，方案一、方案三、方案四的第一道撑 用库仑摩擦模拟。库仑摩擦模

17、型用于判断接触面时否采用钢支撑，且与钻孔灌注桩铰接，而方案二的第l 发生相对滑移，同时也用于分析相对滑移对钻孔桩的道撑采用钢筋混凝土支撑与灌注桩刚接，此时方案l， 影响【7l桩土直接的界面摩擦见图3所示。3，4水平位移曲线重合，其最大值为70 mm，方案 库仑摩擦模型可以定义如下：二下的最大水平位移较其他3个方案较小，最大值为lttrt。I s_flim=,uP。(1)61 mm。式中rm为计算所得的真实剪应力；f为最大允许312岩土工程学报2021笠水平位移，mm曲线与开挖至125 ITI的计算结果相近，此时，全部采0123456789 100用钢支撑的方案一最大水平位移值最大，为90 ra

18、in，开挖至2jm5方案四的最大水平位移值最小，为82 mm，方案二和方案三水平位移最大值，位于两者之间。一lO从钻孔灌注桩的水平位移变化曲线可以看出，各越鬟一15个方案在采用钢筋混凝土支撑时，由于钢筋混凝土支撑的断面较大，相应的刚度值比钢支撑的刚度值大，句0从而能有效的减少围护结构的水平位移，从上面的数25据可以看出，方案二采用钢筋混凝土支撑时，最大减图4第一次开挖，围护结构水平位移少的水平位移为09 mlTl，方案三为10 mm，方案四Fig4 Horizontal displacement ofretaining structures after first为08 mlTI。excava

19、tion从计算结果可以看出如下规律：第l道支撑不水平位移，mm论采用钢筋混凝支撑还是钢支撑，该处变形量变化O2468lO很小，支撑对控制围护结构侧向变形已经影响甚微。即使采用大纲度支撑，也不能有效抑制围护桩的侧向巧变形量。在本例中，开挖第l，2道支撑之间土体引 起第2，3道支撑处的水平变形量最大。也就是说，第一 m2道支撑的位置对控制水平变形相当重要：假设第2道皿，拦鞋船 一 坫支撑处土方先挖后撑，那么变形量更大。第2，3道支一 撑位置设置合理，对变形控制起有效作用；从数值看，篮将第2道支撑设为钢筋混凝土支撑引起的地层损失量一最小，控制变形效果最好，开挖结束后，围护桩的最图5第二次开挖围护结构

20、水平位移大位移发生在约06H处，为基坑深度。Fig5 Horizontal displacement of retaining structures after second水平位移，mmexcavationO2468lO。水平位移，mmO246810弓o一 m4，毯聪磐 一 ：2一 m一 加皿，倒髯密 一 峙一 笛一图7开挖至底，围护结构水平位移一签Fig7 Horizontal displacement of retaining structures after图6第三次开挖，围护结构水平位移excavationFig6 Horizontal displacement ofretainin

21、g structures after third32弯矩分析excavation图81l为各方案在不同开挖工况下，围护结构 随着开挖的继续，当开挖至125 m时，从图6可沿深度下的弯矩变化曲线，从图中可以看出，各开挖 以看出，钻孔灌注桩最大水平位移向下移动，最大水工况下，弯矩均呈“S形分布，即围护桩上部弯矩 平位移的位置处在第2道支撑和第3道支撑之间。方 为“+，下部弯矩为“一，前两次开挖，最大弯矩位 案一与方案四下的水平位移最大，最大值为82 turn， 置位于80 m处，随着开挖的进行，最大弯矩向下移方案三中由于第2道支撑采用钢筋混凝土支撑，其虽动，发生在125 m位置处。大水平位移最小，

22、为69 lniTl，而方案二的最大水平位图8为开挖至25 m处时，围护结构的弯矩变化 移为76mm。曲线，从图8中可以看出，各方案下的钻孔灌注桩弯 当开挖至坑底时，围护结构的水平位移变化规律矩重合，由于开挖，造成基坑隆起，坑外土体向坑内增刊刘树亚，等用钢筋混凝土支撑代替钢支撑的深基坑支护特性研究 313移动，围护桩最大正弯矩为250 kNmm，最大负弯当开挖至坑底时，围护结构的最大弯矩值进一步 矩为一319kNmm。增加，此时，方案一的最大弯矩值最大为3789 图9为开挖至80 m处，方案二的第l道支撑采kNmm，方案四的最大弯矩值最小，为3063 用钢筋混凝土支撑，且与钻孔灌注桩刚接，减小了

23、围 kNmm。方案二和方案三的弯矩最大值，位于两者护结构的弯矩，其最大正弯矩为2382 kNmm，其之间。他方案下的最大正弯矩为2662 kNmm。从钻孔灌注桩的弯矩变化曲线可以看出，各个方 图10为开挖至125 m时，方案三的第2道支撑案在采用钢筋混凝土支撑时，由于钢筋混凝土支撑与 采用钢筋混凝土支撑，其最大弯矩值最小，其值为 钻孔灌注桩采用现场浇注形成刚性连接，且断面较大， 3042 kNmm，方案一和方案四的最大弯矩值最大，混凝土梁可以承受一定的弯矩，从而减少了围护结构为3368 kNmm，而方案二下的最大弯矩值为3263的最大弯矩。kNmm。剖聒船m群鞋船图11开挖至底，围护结构弯矩图

24、8第一次开挖，围护结构弯矩Fig1 1 Bending moment of retaining structures aRer excavationFig8 Bending moment ofretaining structures after first33支撑轴力分析excavation图12为基坑开挖至底时，不同方案的各道支撑的 轴力比照曲线。从图中可以看出，各方案的第2道支 撑的轴力值最大。第l道支撑轴力值相差不大，均在 800 kN附近：对于第2道支撑，方案三的轴力最大为2050 kN，方案四的轴力最小，为1068 kN。而对于第3道支撑，方案四的轴力最大，其他几个方案的轴力相差不大

25、。毯聒岛量图9第二次开挖，围护结构弯矩R Fig9 Bending moment ofretaining structures atter second羹 似excavation图12开挖至底，各道支撑的支撑轴力Fig12 Axial force ofeach support after excavation_，毯聪魍4结论本文深圳地铁二期工程大新站为例，对钢筋混凝图10第三次开挖，囤护结构弯矩土支撑分别设置在第1，2，3道支撑位置处以及全部Fig1 0 Bending moment of retaining structures after third采用钢支撑进行了方案比照，得出以下结论：

26、excavation(1)用钢筋混凝土支撑代替钢支撑，基坑的受力314岩土工程学报2021笠变形无显著变化；钢支撑或钢筋混凝土支撑都可以通 【2】刘国彬，王卫东基坑工程手册M】2版北京：中国建 过调整截面刚度到达控制变形的目的。第1道支撑采 筑工业出版社，2021(Lit；Guo-bin，WANG Wei-deng 用钢支撑与采用钢筋混凝土支撑对基坑围护结构水平 Manual for deep excavation engineeringM2ncl edBeijing：变形影响较小，加大第l道支撑刚度对控制围护结构 China Architecture&Building Press，2021(

27、in Chinese)变形不起主要作用。【3】高华东北京某深基坑开挖监测实例【J】岩土工程学报，(2)在本文案例中，第2道支撑设为钢筋混凝土2006,2a(增刊)：1 8531 857(GAO Hua-dongMonitoring支撑能充分利用铡筋混凝土抗压性能，减小围护结构of a de印excavation in BeijingJChinese Journal of变形和弯矩；开挖第l，2道支撑之间土体引起围护桩Geotechnical Engineering,2006,28(S0)：18531857(in第2，3道支撑处的水平变形量最大。也就是说，第2Chinese)。道支撑的位置对控制

28、水平变形相当重要；假设第2道支【4】孙凯，许振刚，刘庭金，等深基坑的施工监测及其数撑超挖后再架设，那么变形量更大：因此，第2道支撑采用钢筋混凝土支撑优于第l道支撑采用钢筋混凝土 值模拟分析忉岩石力学与工程学报，2004，23(2)：293支撑。298(SUN Kai，XU Zhen-gang,LIU Ting-jin，et a1(3)根据一般的基坑围护结构变形观测结果，围 Construction monitoring and numerical simulation 护桩的最大位移发生在O5H07之间(H为基坑 foundation of 811 analysis pitJChinese Journal of Ro