內(nèi)支撐體系溫度效益對深基坑變形的影響分析

□文/王 瑩

城市建設(shè)的迅速發(fā)展，極大地促進了地下空間資源的開發(fā)和利用，三維地下空間已作為一種主要的自然資源加以開發(fā)[1]。周邊環(huán)境復雜的大型超深基坑工程，圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐體系暴露的時間往往相對較長，會受到環(huán)境溫度變化的影響。環(huán)境溫度變化包括大氣溫度隨季節(jié)和晝夜溫差的變化以及混凝土支撐結(jié)構(gòu)施工時產(chǎn)生的水化熱。當支撐體系過長時間暴露在大氣中時，受熱脹冷縮的作用和支撐體系本身的約束，支撐桿件會產(chǎn)生附加應力和變形。

關(guān)于溫度效應對混凝土基坑支護體系的影響，很多學者做了大量的研究。吳勝興[2]總結(jié)了目前幾種混凝土結(jié)構(gòu)溫度應力的計算方法，對影響混凝土溫度應力的幾個主要因素：徐變與應力松弛、彈性模量、內(nèi)外約束、裂縫以及混凝土的干縮變形等分別進行了討論。鄭剛等[3]在彈性抗力法分析因溫差所引起基坑支護系統(tǒng)內(nèi)力變化研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮支撐-圍護樁-土相互作用的基坑支護水平支撐溫度應力的簡化分析方法。陸培毅等[4]通過有限元數(shù)值模擬，提出將溫度場耦合到應力場中來分析基坑支護支撐的溫度效應。胡琦等[5]通過對日本東京新豐洲變電所深基坑工程實測結(jié)果的反分析，確定了溫度場對環(huán)形深基坑圍護結(jié)構(gòu)受力變形影響的分析方法，指出溫度場對深基坑圍護結(jié)構(gòu)受力變形的影響不僅是溫度場與應力場的熱力耦合問題，同時也是水、土、圍護結(jié)構(gòu)共同作用的問題。

上述研究多是計算環(huán)境溫度變化對整個圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響且大多數(shù)局限于理論分析，數(shù)值分析時將基坑圍護體系的變形簡化為平面應變問題。本文以在建實際工程為依托，利用三維有限元軟件，著重分析了在溫度效應作用下內(nèi)支撐體系的變形情況，為今后天津地區(qū)類似基坑圍護結(jié)構(gòu)的受力變形分析提供了一種參考方法。

1 工程概況

某工程位于天津市南開區(qū)水上公園北路和衛(wèi)津路交口，基坑周長約為1 280 m，占地面積約88 000 m2，深度約16 m。整個基坑開挖歷時較長，導致支撐體系長時間暴露于大氣中。根據(jù)天津市氣溫變化統(tǒng)計資料，考慮到季節(jié)變換和晝夜交替的影響，基坑開挖過程中，溫度變化極限值約為15 ℃。

工程周邊環(huán)境較為復雜，北側(cè)水上公園北路下方為地鐵3號線的線路及天塔站；東側(cè)、南側(cè)緊鄰衛(wèi)津南路和天塔道；西側(cè)緊鄰在建的某高層建筑項目?；硬捎勉@孔灌注樁（鄰近地鐵站處采用地下連續(xù)墻）+兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐進行支護，其中鋼筋混凝土內(nèi)支撐為桁架式支撐。由于基坑深度大，止水帷幕已隔斷深部承壓水。

2 數(shù)值模型建立

由于基坑跨度較大，為分析模擬溫度變化對支撐體系變形的影響，采用ABAQUS 進行三維數(shù)值分析并采用MIDAS 進行復核。由于主要考慮支撐平面內(nèi)受溫度影響的變形，計算中忽略重力影響?；炷翖U件均采用線彈性梁單元，桿件節(jié)點為剛性連接?；又械闹ёo樁與冠梁共軸線，支護樁的存在會大大約束冠梁軸向變形，因此冠梁的軸向變形可忽略不計，模型中對支撐體系的冠梁施加了軸向變形約束。見表1和圖1。

表1 有限元計算參數(shù)

圖1 支撐三維數(shù)值模型

3 結(jié)果分析

3.1 ABAQUS計算結(jié)果

3.1.1 第一道支撐變形

基坑東側(cè)最大水平變形為26.6 mm，西側(cè)最大水平變形為21 mm；北側(cè)最大水平變形為18.7 mm；南側(cè)最大水平變形29.4 mm；地鐵站位置處最大水平變形為4.5 mm。見圖2。

圖2 第一道支撐變形

3.1.2 第二道支撐變形

基坑東側(cè)最大水平變形為12.1 mm，西側(cè)最大水平變形為37.8 mm，北側(cè)最大水平變形為14.5 mm，南側(cè)最大水平變形34.1 mm；地鐵站位置處支撐最大水平變形為4.3 mm。見圖3。

圖3 第二道支撐變形

3.2 MIDAS/GTS復核結(jié)果

3.2.1 第一道支撐

基坑東側(cè)最大水平變形為26.2 mm，西側(cè)最大水平變形為24.7 mm，北側(cè)最大水平變形為19.6 mm，南側(cè)最大水平變形24.1 mm；地鐵站位置處支撐最大水平變形為5.6 mm。見圖4。

圖4 復核第一道支撐變形

3.2.2 第二道支撐

基坑東側(cè)最大水平變形為10.2 mm，西側(cè)最大水平變形為37.8 mm，北側(cè)最大水平變形為14.9 mm，南側(cè)最大水平變形為34.3 mm；地鐵站位置處支撐最大水平變形為5.2 mm。見圖5。

圖5 復核第二道支撐變形

4 結(jié)論

在溫差較大的情況下，溫度的變化會對基坑支護支撐體系的變形產(chǎn)生較大影響，是不可忽略的。因此，基坑開挖過程中，當基坑周邊情況復雜、對變形控制要求較為嚴格時，應將溫度效應作為一種設(shè)計條件予以考慮。