明挖公路隧道基坑鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬分析

金生吉， 陳 華，*， 舒 哲, 2， 何麗娟

(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110870； 2. 中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司， 北京 100176)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市用地日趨緊張，交通壓力越來(lái)越大，單純依靠地面交通已無(wú)法滿(mǎn)足人們的出行需求，因而向地下尋求發(fā)展空間成為一種必然趨勢(shì)。為此，我國(guó)許多城市都開(kāi)始大力修建地下公路隧道，城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)由原來(lái)的“單點(diǎn)建設(shè)、單一功能、單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)”逐步向“多功能集成、規(guī)?；ㄔO(shè)”轉(zhuǎn)變[1]。由于城市地下公路隧道大多數(shù)建設(shè)在人口密集的地方，施工場(chǎng)地受限，周邊環(huán)境復(fù)雜，且與一般基坑相比，公路隧道基坑長(zhǎng)寬比很大，常被視為長(zhǎng)條帶狀形基坑，給公路隧道明挖基坑工程的施工帶來(lái)了困難與風(fēng)險(xiǎn)，因此，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中必須嚴(yán)格控制基坑的變形。通過(guò)鋼支撐的架設(shè)及預(yù)加軸力的施加，能夠很好地控制基坑變形[2-5]。在采用明挖法施工的基坑中，鉆孔灌注樁+鋼支撐的支護(hù)體系作為一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)形式得到了推廣。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土支撐(澆筑時(shí)間長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)后不能立即發(fā)揮支撐作用、拆除后會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲)相比，鋼支撐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、安裝方便以及可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，并且可以按照設(shè)計(jì)要求及時(shí)施加預(yù)應(yīng)力，因而得到了廣泛應(yīng)用[6-10]。

張國(guó)亮[11]根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果提出了臨近鐵路不對(duì)稱(chēng)超載基坑的設(shè)計(jì)建議與控制措施； 姚愛(ài)軍等[12]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了建筑物超載對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響； 王培鑫等[13]基于臨近鐵路坑中坑偏載基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律，研究了在基坑土體開(kāi)挖過(guò)程中鋼支撐對(duì)保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定所起到的作用。本文以沈陽(yáng)市南北快速干道工程(公路隧道深基坑)為依托，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中橫向鋼支撐的軸力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并采用有限元軟件MIDAS/GTS對(duì)基坑施工過(guò)程中鋼支撐在不同工況下的軸力變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析，以期為類(lèi)似基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

沈陽(yáng)市南北快速干道工程(南段隧道)，全長(zhǎng)3 348.67 m，雙向4車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km。本區(qū)段屬于城市主干線(xiàn)，基坑兩側(cè)主要為多層居民樓和高層商業(yè)樓等，距離基坑僅10～15 m。從市政工程的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃考慮，經(jīng)過(guò)比較和論證，確定在隧道結(jié)構(gòu)頂部修建綜合管廊，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁、格構(gòu)柱加水平橫向鋼支撐體系，隧道深基坑采用半蓋挖順做法施工。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

2 支護(hù)體系設(shè)計(jì)方案

公路隧道基坑開(kāi)挖深度為17.8 m，標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)挖段寬為21.4 m。圍護(hù)樁采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30的φ800 mm@1 200 mm規(guī)格的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)23.8 m，基坑底板以下入土深度為6.0 m; 基坑側(cè)壁各樁之間架設(shè)φ8 mm@150 mm×150 mm的鋼筋網(wǎng)，并噴射C25混凝土找平加固; 樁頂澆筑0.8 m×1.0 m混凝土冠梁，隧道中央設(shè)置2排鋼筋混凝土格構(gòu)柱，基礎(chǔ)底板厚1.4 m。共設(shè)置4道支撐，其中第1道為0.8 m×0.6 m的混凝土支撐，間距為8 m；第2、3、4道均為φ609 mm×16的鋼支撐，端部支撐在兩側(cè)圍護(hù)樁的雙拼鋼圍檁上，間距為4 m，第2、3、4道鋼支撐距第1道混凝土支撐頂面的豎向距離分別為5.9、9.9、13.9 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位： mm)Fig. 1 Profile of retaining structure of foundation pit (unit： mm)

3 鋼支撐軸力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 軸力計(jì)的安裝與布設(shè)

為防止基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁體變形過(guò)大，采用鋼支撐對(duì)圍護(hù)樁的變形進(jìn)行約束。鋼支撐施加預(yù)加軸力的作用機(jī)制是利用鋼材輕質(zhì)、高強(qiáng)、理想彈塑性的特性，預(yù)先給鋼支撐施加一定的軸力，用來(lái)抵抗基坑側(cè)向土壓力，從而達(dá)到控制基坑變形的效果[14]。軸力計(jì)安裝在鋼支撐端部和鋼圍檁的接觸部位，軸力圓筒風(fēng)葉一側(cè)先焊接在鋼支撐端頭，待鋼支撐吊裝就位后，把軸力計(jì)的另一側(cè)頂壓到預(yù)先焊接在鋼圍檁上厚25 mm的加強(qiáng)墊板上，且中心要對(duì)準(zhǔn)，避免支撐承受附加彎矩。軸力計(jì)安裝圖如圖2所示。軸力計(jì)所受約束力的大小即為鋼支撐軸力。沿基坑縱向每42 m布設(shè)1個(gè)支撐軸力監(jiān)測(cè)斷面，在每個(gè)斷面的上中下3道鋼支撐端頭處安裝1個(gè)軸力計(jì)。本次采用由天津盛克威公司生產(chǎn)的FXR-1040振弦式軸力計(jì)進(jìn)行鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)，其具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)集中荷載反應(yīng)靈敏以及測(cè)量穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 軸力計(jì)安裝圖Fig. 2 Installation of axial force meter

3.2 軸力監(jiān)測(cè)原理與數(shù)據(jù)分析

在基坑土體開(kāi)挖過(guò)程中，基坑的穩(wěn)定性與鋼支撐的架設(shè)時(shí)間、架設(shè)部位及預(yù)加軸力的大小有很大的關(guān)系。因此，在進(jìn)行鋼支撐的架設(shè)和軸力計(jì)的安裝時(shí)，需同時(shí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和施工要求。因軸力計(jì)在不同施工工況下受到的荷載不同，故測(cè)量出的自振頻率也在不斷變化，可用式(1)計(jì)算軸力

F=k(f02-fi2)。

(1)

式中：k為軸力計(jì)出廠(chǎng)標(biāo)定系數(shù)；f0為軸力計(jì)初始頻率;fi為軸力計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頻率。

我國(guó)支撐軸力設(shè)計(jì)值以朗肯土壓力、側(cè)向土壓力按梯形分布、豎向彈性地基梁法等理論為計(jì)算基礎(chǔ)[15]。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定： 預(yù)壓力應(yīng)分級(jí)施加，重復(fù)進(jìn)行，支撐預(yù)加軸力取支撐軸向壓力標(biāo)準(zhǔn)值的0.5～0.8倍。本工程支撐軸力的設(shè)計(jì)值為1 800 kN，預(yù)警值取80%的設(shè)計(jì)值，其中第1道鋼支撐預(yù)加軸力初次取22%的設(shè)計(jì)值(約400 kN)，第2道鋼支撐預(yù)加軸力初次取27%的設(shè)計(jì)值(約500 kN)，第3道預(yù)加軸力初次取17%的設(shè)計(jì)值(約300 kN)。

選取WB-012、WB-018和WB-024具有相似工況的3個(gè)斷面處的鋼支撐軸力進(jìn)行研究，在3個(gè)支撐斷面處的圍護(hù)樁體中，具有可以監(jiān)測(cè)樁體水平位移的測(cè)斜管。鋼支撐軸力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3所示。

(a) WB-012監(jiān)測(cè)斷面

(b) WB-018監(jiān)測(cè)斷面

(c) WB-024監(jiān)測(cè)斷面

Fig. 3 Relationships between axial force of steel support and time

根據(jù)圖3以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

1)對(duì)于WB-012和WB-018 2個(gè)支撐斷面，在每層土體開(kāi)挖結(jié)束后，均按施工要求及時(shí)架設(shè)了鋼支撐，雖然支撐軸力在不斷增大，但均未超過(guò)支撐軸力的預(yù)警值； 而對(duì)于WB-024支撐斷面，由于在第2層土體開(kāi)挖結(jié)束后，受施工場(chǎng)地條件的限制，未能及時(shí)安裝第2道鋼支撐，此時(shí)明顯看到第1道鋼支撐軸力迅速增加到1 480 kN，達(dá)到了設(shè)計(jì)軸力值的82.2%，已超過(guò)預(yù)警值。此外，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的WB-024斷面處圍護(hù)樁體內(nèi)測(cè)斜管的水平位移量可知，WB-024斷面處地下連續(xù)墻正在向基坑內(nèi)迅速形變?？梢?jiàn)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，支撐軸力的大小與樁體的水平變形具有相互制約、相互作用的關(guān)系。因此，在基坑每層土體開(kāi)挖完成后，應(yīng)及時(shí)架設(shè)鋼支撐，并按設(shè)計(jì)方案要求施加預(yù)應(yīng)力，改善圍護(hù)墻體的受力條件，有效控制圍護(hù)樁體向基坑內(nèi)側(cè)的持續(xù)變形。

2)由于3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面具有相同的水文地質(zhì)條件和相似的施工工況，所以其軸力變化曲線(xiàn)也相似。除WB-024斷面處因第2道鋼支撐未能及時(shí)架設(shè)而引起了軸力超過(guò)預(yù)警值外，其余支撐軸力值均滿(mǎn)足規(guī)范要求。WB-024斷面第2道鋼支撐最大軸力監(jiān)測(cè)值為1 150 kN，占設(shè)計(jì)軸力值的63.9%，占預(yù)警值的79.8%(其中預(yù)警值為1 440 kN，為設(shè)計(jì)值的80%)，說(shuō)明鋼支撐軸力設(shè)計(jì)偏于保守，支撐體系的軸力設(shè)計(jì)方案仍存在一定的優(yōu)化空間。從圖3可以看出，鋼支撐軸力與基坑開(kāi)挖時(shí)間關(guān)系密切，除各關(guān)鍵施工階段外，同一斷面處的上下3道支撐軸力曲線(xiàn)均有波動(dòng)現(xiàn)象，這主要是由現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械振動(dòng)引起的。

3)隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，主動(dòng)土壓力逐漸增大，使得圍護(hù)樁體向基坑內(nèi)側(cè)變形加快，在剛開(kāi)始安裝架設(shè)各層鋼支撐時(shí)，每道支撐軸力在短期內(nèi)均呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，支撐軸力的變化也反映了支撐斷面處圍護(hù)樁體向基坑內(nèi)側(cè)位移大小的變化趨勢(shì)。在第2道鋼支撐架設(shè)完成后，第1道鋼支撐軸力的增長(zhǎng)有所變緩，這表明下層鋼支撐架設(shè)并按施工要求預(yù)加軸力后，可以有效抑制上層支撐軸力的持續(xù)增長(zhǎng)。在3道鋼支撐全部架設(shè)完成后，3道鋼支撐軸力變化曲線(xiàn)在波動(dòng)中出現(xiàn)了緩慢下降的趨勢(shì)，說(shuō)明軸力出現(xiàn)了衰減現(xiàn)象，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)沈陽(yáng)已進(jìn)入秋冬季，氣溫下降較快，而鋼材的線(xiàn)膨脹系數(shù)對(duì)溫度變化較敏感，導(dǎo)致鋼支撐產(chǎn)生了明顯的熱脹冷縮現(xiàn)象，鋼支撐的收縮卸載了部分支撐軸力，從而引起了支撐軸力不足及衰減； 另外，地下連續(xù)墻后的土體在鋼支撐軸力的預(yù)壓作用下發(fā)生了流變現(xiàn)象，使得土體應(yīng)力重新分配并達(dá)到新的平衡，同時(shí)在基坑土體全部開(kāi)挖完成后，在基坑底板澆筑了厚1.2 m的混凝土，硬化后分擔(dān)了上層小部分鋼支撐軸力，這也是導(dǎo)致軸力出現(xiàn)衰減現(xiàn)象的原因之一。

2017年9月15日，基坑第2層土體開(kāi)挖結(jié)束，因受到施工場(chǎng)地條件的限制，未能及時(shí)架設(shè)第2道鋼支撐，導(dǎo)致樁體在2017年9月20日9 m深度處水平位移達(dá)到8.25 mm。因此，在基坑每層土體開(kāi)挖完成后，要盡量減少無(wú)支撐暴露時(shí)間，及時(shí)架設(shè)鋼支撐。在第2道鋼支撐架設(shè)完成后，開(kāi)始開(kāi)挖第3層土體，此時(shí)樁體最大變形的位置下移。在基坑最后1層土體的開(kāi)挖過(guò)程中，樁體水平位移變化速率明顯降低，這是由于樁體的變形受到混凝土支撐和3道鋼支撐的協(xié)同作用，從而受到了約束。同時(shí)，在架設(shè)鋼支撐的3個(gè)位置處，因樁體受到預(yù)加支撐軸力的頂推作用，這些位置的變形均有微量收縮。最終樁體的水平位移在12 m深度處附近(約為基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)深度的2/3)達(dá)到最大值14.30 mm，遠(yuǎn)小于24 mm的預(yù)警值，表明本工程所采用的鉆孔灌注樁+橫向4道鋼支撐的支護(hù)體系發(fā)揮了很好的基坑圍護(hù)作用，既可以保證基坑開(kāi)挖期間的安全，也極大提高了基坑在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性。不同施工階段樁體的水平位移曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 不同施工階段樁體的水平位移曲線(xiàn)(2017年)

Fig. 4 Horizontal displacement curves of pile body under different construction stages in 2017

4 鋼支撐軸力模擬計(jì)算

本工程選用MIDAS/GTS有限元軟件建立隧道深基坑三維空間模型，并對(duì)基坑土體分層開(kāi)挖的全過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。在模擬分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體的穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，采用摩爾-庫(kù)侖模型進(jìn)行土體本構(gòu)關(guān)系的研究，以此得出鉆孔灌注樁+鋼支撐基坑支護(hù)體系鋼支撐的軸力變化特點(diǎn)。

4.1 基本假設(shè)

4.1.1 對(duì)于圍護(hù)樁的基本假設(shè)

在用MIDAS/GTS軟件建立基坑模型時(shí)，通常會(huì)采用梁?jiǎn)卧蜆秵卧M圍護(hù)樁體。但鑒于本次研究的公路隧道深基坑中，圍護(hù)樁排布密集且數(shù)量較多，若仍采用常規(guī)的梁?jiǎn)卧蜆秵卧M(jìn)行分析，則會(huì)產(chǎn)生大量的劃分網(wǎng)格，從而給計(jì)算造成困難。而由圍護(hù)樁與圍護(hù)墻的等剛度轉(zhuǎn)換原則可知： 因二者具有相似的結(jié)構(gòu)形式與受力特性，所以能夠?qū)⒙?lián)排的鉆孔灌注樁等效為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。結(jié)合本工程的施工特點(diǎn)以及以往的模擬經(jīng)驗(yàn)，采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)單元分析時(shí)，可以簡(jiǎn)化后期的計(jì)算過(guò)程，而且用此結(jié)構(gòu)單元計(jì)算出的結(jié)果比較合理可靠，所以本模擬計(jì)算中將圍護(hù)樁等效為地下連續(xù)墻。其中，地下連續(xù)墻本構(gòu)模型采用彈性模型進(jìn)行分析。按等剛度轉(zhuǎn)換原則可推導(dǎo)出如下計(jì)算公式：

(2)

(3)

式中：D為鉆孔灌注樁直徑，取800 mm；t為樁間凈距，取400 mm；h為等效轉(zhuǎn)換后的地下連續(xù)墻厚度。

將D和t代入式(3)，可得h=586 mm，為方便后期的計(jì)算及保證模擬結(jié)果的可靠性，將灌注樁等效厚度h按600 mm進(jìn)行計(jì)算。

4.1.2 對(duì)于鋼支撐的基本假設(shè)

因桁架單元只能反映支撐軸力的變化情況，而梁?jiǎn)卧粌H可以反映基坑開(kāi)挖過(guò)程中支撐軸力的變化特性，而且可以得到支撐過(guò)程中結(jié)構(gòu)所受的彎矩與剪力，所以最終采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬鋼支撐結(jié)構(gòu)，采用彈性模型的結(jié)構(gòu)形式對(duì)鋼支撐進(jìn)行模擬計(jì)算，并以集中力的形式對(duì)鋼支撐進(jìn)行軸力預(yù)加載。

在用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行邊界條件設(shè)置時(shí)，需要限制基坑底部土體的隆起(豎向位移)、水平位移及基坑側(cè)壁土體的水平位移，而對(duì)于基坑周邊的地表沉降則無(wú)需限制，這些邊界條件均可以通過(guò)軟件的設(shè)置窗口來(lái)完成。根據(jù)地質(zhì)勘察得到的基坑土體物理力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)、支護(hù)體系設(shè)計(jì)方案以及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)(見(jiàn)表2)，以WB-018斷面為例，在沿基坑縱向長(zhǎng)96 m的一段區(qū)間內(nèi)，建立整個(gè)基坑的三維模型，長(zhǎng)×寬×高為180 m×100 m×50 m，如圖5所示。

表2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of retaining structure of foundation pit

圖5 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型

Fig. 5 Three-dimensional models of retaining structure of foundation pit

4.2 鋼支撐軸力模擬結(jié)果與分析

根據(jù)本工程隧道深基坑的實(shí)際施工情況，采用MIDAS/GTS進(jìn)行模擬時(shí)，遵照分層開(kāi)挖的施工工序進(jìn)行計(jì)算分析，共分為5個(gè)階段：

1)對(duì)即將開(kāi)挖的土體進(jìn)行初始地應(yīng)力計(jì)算，并進(jìn)行鉆孔灌注樁(地下連續(xù)墻)的施工及第1道混凝土支撐的澆筑； 2)開(kāi)挖基坑第1層土體至6.7 m，并在5.9 m深度處架設(shè)第1道鋼支撐； 3)開(kāi)挖基坑第2層土體至10.7 m，并在9.9 m深度處架設(shè)第2道鋼支撐； 4)開(kāi)挖基坑第3層土體至14.7 m，并在13.9 m深度處架設(shè)第3道鋼支撐； 5)開(kāi)挖至坑底17.8 m，清槽后做防水墊層，并綁扎鋼筋、澆筑基礎(chǔ)底板。

通過(guò)模擬基坑不同開(kāi)挖階段，得出的鋼支撐軸力云圖分別如圖6—9所示。

圖6 開(kāi)挖至6.7 m時(shí)第1道鋼支撐的軸力云圖

Fig. 6 Axial force nephogram of the first layer support when excavating depth is up to 6.7 m

(a) 第1道鋼支撐

(b) 第2道鋼支撐

Fig. 7 Axial force nephograms of the first and second layer support when excavating depth is up to 10.7 m

(a) 第1道鋼支撐

(b) 第2道鋼支撐

(c) 第3道鋼支撐

圖8開(kāi)挖至14.7 m時(shí)第1道、第2道和第3道鋼支撐的軸力云圖

Fig. 8 Axial force nephograms of the first, second and third layer support when the excavating depth is up to 14.7 m

圖9 開(kāi)挖完成后各道鋼支撐的軸力云圖

Fig. 9 Axial force nephogram of every layer support after excavation

在用MIDAS/GTS對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程模擬時(shí)，可以看到： 同一監(jiān)測(cè)斷面中，當(dāng)下層鋼支撐架設(shè)并預(yù)加軸力后，會(huì)使得上層軸力有所減小，且同一層中兩側(cè)相鄰部位架設(shè)的鋼支撐軸力也會(huì)被削弱； 在每道鋼支撐架設(shè)完成時(shí)，軸力值呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，之后隨著土體的不斷開(kāi)挖，軸力值會(huì)出現(xiàn)緩慢下降的現(xiàn)象，并逐步趨于穩(wěn)定。受基坑時(shí)空效應(yīng)的影響，在約距基坑設(shè)計(jì)開(kāi)挖總深度的2/3處圍護(hù)樁的變形最大，因此，在模擬計(jì)算出的3道鋼支撐軸力中第2道支撐軸力最大。3道鋼支撐軸力模擬值僅為設(shè)計(jì)值的41.5%～61.7%，說(shuō)明該基坑支護(hù)體系的設(shè)計(jì)偏于保守，因此，可對(duì)鋼支撐軸力的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

4.3 模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

在基坑各層土體開(kāi)挖過(guò)程中，WB-018斷面處3道鋼支撐軸力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大值與模擬值對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)最大值與模擬值對(duì)比

Table 3 Comparison between monitored maximum value and simulated values of axial force of steel supports

鋼支撐層號(hào)監(jiān)測(cè)值/kN模擬值/kN比值第1道910.0745.61.22第2道1021.51110.40.92第3道735.4970.40.76

由表3可以看出： 監(jiān)測(cè)值與模擬值的比值為0.76～1.22，模擬結(jié)果存在一定偏差。這主要是在利用MIDAS/GTS進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，沒(méi)有考慮氣溫變化、施工機(jī)械荷載振動(dòng)和預(yù)加軸力損失等因素對(duì)鋼支撐軸力的影響，且在模擬計(jì)算時(shí)為了簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，采用了等剛度轉(zhuǎn)換原則; 另外，基坑土體的復(fù)雜性以及各層土體物理力學(xué)參數(shù)選取的不確定性導(dǎo)致了采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型對(duì)基坑各個(gè)開(kāi)挖階段的模擬存在偏差。但監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果在數(shù)值上總體比較接近，變化趨勢(shì)一致，表明建立的計(jì)算模型合理、參數(shù)選取恰當(dāng)，能夠反映基坑開(kāi)挖期間鋼支撐軸力變化的一般規(guī)律，可為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

5 結(jié)論與討論

本文針對(duì)沈陽(yáng)市南北快速干線(xiàn)隧道深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的鋼支撐軸力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并采用有限元軟件MIDAS/GTS進(jìn)行了模擬研究，得到如下結(jié)論與討論：

1)隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，主動(dòng)土壓力逐漸增大，在剛開(kāi)始架設(shè)各層鋼支撐時(shí)，每道支撐軸力在短期內(nèi)線(xiàn)性增長(zhǎng)。對(duì)于WB-024支撐斷面，因未能及時(shí)安裝第2道鋼支撐，使第1道鋼支撐軸力迅速增長(zhǎng)到1 480 kN，達(dá)到了設(shè)計(jì)軸力值的82.2%，超過(guò)了預(yù)警值。因此，在基坑每層土體開(kāi)挖完成后，應(yīng)及時(shí)架設(shè)鋼支撐，并施加合理的預(yù)應(yīng)力，以改善圍護(hù)墻體的受力條件，防止基坑失穩(wěn)。

2)當(dāng)3道鋼支撐全部架設(shè)完成后，3道鋼支撐的軸力變化曲線(xiàn)在波動(dòng)中呈緩慢下降的趨勢(shì)，說(shuō)明軸力值出現(xiàn)了衰減現(xiàn)象。這主要是因?yàn)榇藭r(shí)沈陽(yáng)已進(jìn)入秋冬季，氣溫下降較快，導(dǎo)致鋼支撐產(chǎn)生了熱脹冷縮的現(xiàn)象，鋼支撐的收縮卸載了部分支撐軸力； 另外，地下連續(xù)墻后的土體在鋼支撐軸力的預(yù)壓作用下，發(fā)生了流變現(xiàn)象，使得土體應(yīng)力重新分配并達(dá)到平衡，這也是導(dǎo)致軸力衰減的原因之一。

3)同一斷面處的上下3道支撐軸力變化曲線(xiàn)并不是一直呈單調(diào)遞增趨勢(shì)的，而會(huì)出現(xiàn)上下波動(dòng)現(xiàn)象，這主要是由現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械振動(dòng)引起的，且與早期鋼支撐預(yù)加軸力的損失也有一定的關(guān)系。

4)本文雖然對(duì)圍護(hù)樁+鋼支撐所組成的支護(hù)體系中鋼支撐的軸力進(jìn)行了研究，但計(jì)算與分析對(duì)象的分批加載軸力程度是固定的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步對(duì)不同預(yù)加應(yīng)力下圍護(hù)樁的變形特性進(jìn)行研究，為鋼支撐的理論研究及分析提供參考。

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