李中華

中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇 南京 210000

引言

近年來，隨著社會對安全重視的等級越來越高，基坑安全問題得到大家的廣泛關(guān)注。在基坑的支撐設(shè)計(jì)中，除了考慮由于基坑微變形導(dǎo)致的應(yīng)力變化，還應(yīng)考慮溫度變化而導(dǎo)致的應(yīng)力變化，然而現(xiàn)行規(guī)范中并沒有明確提出溫度對鋼支撐的影響問題，規(guī)范認(rèn)為，長度大于40m的支撐應(yīng)考慮10%左右的內(nèi)力變化影響，但在許多基坑實(shí)例中發(fā)現(xiàn)由于短暫的溫度變化而導(dǎo)致內(nèi)力變化的數(shù)值大約占設(shè)計(jì)值的20%～30%。那么對于面積大、支撐長的深基坑，對溫度應(yīng)力的變化考慮不足往往也是事故發(fā)生的因素之一。

對于支撐溫度應(yīng)力的問題，首先鋼支撐沿軸線變形量不可忽略，其次需分析不同層鋼支撐受溫度應(yīng)力變化的影響，最后，我們假設(shè)土體符合Winkler地基模型，溫度變化引起的圍撐結(jié)構(gòu)位移在豎向呈線性分布。綜上，本文將采用文獻(xiàn)[4]中涉及的計(jì)算方法，依托濟(jì)南黃河隧道深基坑工程進(jìn)一步討論溫度變化對鋼支撐軸力的影響。

1 工程概況

工程場地位于鵲山西村北側(cè)，距離黃河北岸大堤約670m，現(xiàn)狀主要為池塘、林地。現(xiàn)狀地面標(biāo)高約為23.0～25.0m，基坑工程起點(diǎn)位于道路里程EK3+520.510處，終點(diǎn)位于右EK3+672.710處，含穿黃隧道盾構(gòu)始發(fā)井與公軌合建部分，包括大盾構(gòu)始發(fā)井及小盾構(gòu)接收吊出井，運(yùn)營后兼做設(shè)備用房及公軌車輛通行空間。

基坑寬度34.14～50.0m，長度152.2m，主體頂板覆土厚度約3.0m，底板埋深約26.2～31.0m。圍撐結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻厚度1.2m，深度47.0～51.5m；基坑最大開挖深度約為31.2m，順作法施工，采用水下C35鋼筋混凝土，在基坑深度范圍內(nèi)設(shè)5～7道支撐(砼支撐和鋼支撐組合使用)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 濟(jì)南黃河隧道主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2 工程地質(zhì)條件

2.1 巖土層分布特征

擬建場地根據(jù)鉆探揭露，在勘探深度內(nèi)地層共分15大層，主要為第四系全新統(tǒng)沖積、沖洪積粉質(zhì)黏土、粉土、砂層及中生代燕山期晚期侵入巖輝長巖。表層局部為人工填土，地層1中土的類型為：黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、細(xì)砂、鈣質(zhì)結(jié)核、全風(fēng)化輝長巖石等，擬建場地各主要土層分布及力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 地層物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表

3 基坑內(nèi)鋼支撐溫度應(yīng)力計(jì)算方法

3.1 基本假定

在計(jì)算的過程中，滿足以下假定：

3.1.1 地連墻因支撐軸力變化產(chǎn)生的水平位移很小，相應(yīng)地連墻后土體變形也很小，處于彈性變形，和溫度相關(guān)的圍撐結(jié)構(gòu)坑底水平向變形為零；

3.1.2 地連墻后土體符合Winkler 地基梁模型；

3.1.3 溫度引起的支撐伸長和縮短與地連墻后土體的彈性變形相互協(xié)調(diào)；

3.1.4 基坑支撐和地連墻連接處都有冠梁或者腰梁，使得結(jié)構(gòu)形成整體；

3.1.5 假設(shè)協(xié)調(diào)第i層支撐水平位移Yi的樁后土體豎向范圍為hi；

3.1.6 支撐溫度變化TΔ一瞬間完成，支撐簡化為一維桿件；

3.1.7 由于溫度變化引起的水平位移Yi；相對于各層支撐豎向距離hi很小，假設(shè)圍撐結(jié)構(gòu)水平變形線性變化。

3.2 計(jì)算簡圖與步驟

本文背景工程鋼支撐溫度應(yīng)力計(jì)算簡圖如圖2。

圖2 鋼支撐溫度應(yīng)力計(jì)算簡圖

根據(jù)上圖及文獻(xiàn)[4]，濟(jì)南黃河隧道工程鋼支撐溫度應(yīng)力按下述步驟來進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算第n道鋼支撐初始溫度應(yīng)力N0

其中，α為鋼支撐熱膨脹系數(shù)；

ΔT為溫差，℃；

Ec為鋼支撐彈性模量，kN/m2；

Ac為鋼支撐截面面積，m2。

計(jì)算第n道鋼支撐水平位移nY，采用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

其中，m為土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，kN/m4，其余參數(shù)詳見計(jì)算簡圖。

計(jì)算第n道鋼支撐溫度應(yīng)力jnN：

其中，L為支撐長度，m。

迭代循環(huán)。迭代過程（上標(biāo)j表示同一層支撐，是迭代變量）反應(yīng)以上土和支撐協(xié)調(diào)變形過程，最終達(dá)到平衡。從第n層支撐開始，將式（1）初溫度應(yīng)力N0帶入到式（2）得到，將帶入式（3）得，再將帶入式（2）得到，如此反復(fù)直到和相差不大，即得到要求的軸力變化ΔN和水平位移nY。

計(jì)算第n-1層支撐溫度應(yīng)力。對于n-1層支撐，將式（1）N0和第n層Yn帶入式（4）得到：

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 計(jì)算參數(shù)

按照上述計(jì)算過程，根據(jù)本工程的基本特點(diǎn)，取基坑深度為28.35m，h1=5.5m，H1=5.477m，h2=9.61m，H2=10.977m，h3=7.763m，H3=20.587m，按照規(guī)范[1]及規(guī)范[2]5.7.5的規(guī)定，結(jié)合本工程地質(zhì)特點(diǎn)，取土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，m=14MN/m4支撐長度L=35.6m，熱膨脹系數(shù)α=1.2×10-5，鋼支撐彈性模量Ec=2×108kN/m2，鋼支撐間距D=3.5m，計(jì)算鋼支撐在由于天氣變化、晝夜更替所導(dǎo)致的溫差ΔT=5℃～45℃時(shí)的應(yīng)力變化值。

4.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算過程來計(jì)算濟(jì)南黃河隧道深基坑鋼支撐，計(jì)算結(jié)果見表2及圖3。需要說明的是：本文所采用的計(jì)算方法十分保守，由于基本假定所造成的計(jì)算值與實(shí)測值誤差為10%左右，工程中實(shí)際運(yùn)用時(shí)可適當(dāng)折減計(jì)算結(jié)果；其中由m取值所引起的誤差不可避免，應(yīng)利用現(xiàn)場實(shí)測資料反推出m值，再帶入本文計(jì)算方法中計(jì)算，最大限度地將由m取值所引起的誤差降到最低。

圖3 鋼支撐溫度—應(yīng)力關(guān)系圖

表2 鋼支撐溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

通過上述計(jì)算結(jié)果可知，鋼支撐溫度應(yīng)力與溫升呈線性關(guān)系，滿足公式N=kΔT。對于本工程而言，k1=58.114，k2=41.346，k3=32.035。根據(jù)工程特點(diǎn)，由于地連墻頂部有冠梁、中部有兩道腰梁的影響導(dǎo)致地連墻的中部及頂部變形較??；由于底部有土體的嵌固作用，故地連墻底部變形最??；地連墻變形越大，對鋼支撐端部的約束就越強(qiáng)，因此，鋼支撐端部受到的約束有強(qiáng)到弱分別為地連墻的上部、中部及底部，鋼支撐溫度應(yīng)力受溫度影響由大到小為第1道支撐、第2道支撐及第3道支撐。

5 施工現(xiàn)況及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

5.1 施工現(xiàn)狀

截至2018年10月25日，濟(jì)南黃河隧道北岸工作井及后續(xù)始發(fā)段第一道鋼支撐架設(shè)完成，可以全面反映此層鋼支撐應(yīng)力變化情況；第二道鋼支撐只架設(shè)了一部分，數(shù)據(jù)不足，因數(shù)據(jù)本身也存在一定偶然性，故不足為證。本文以第一道鋼支撐為例，來驗(yàn)算上述所得出的鋼支撐溫 度應(yīng)力關(guān)系是否滿足實(shí)際。

5.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由于2018年10月17日～2018年10月23日濟(jì)南黃河隧道北岸工作井及后續(xù)始發(fā)段內(nèi)土方暫停開挖，影響鋼支撐軸力的主要因素之一土壓力變化微弱，故此時(shí)鋼支撐的應(yīng)力變化主要取決為溫度變化。在2018年10月18日我們進(jìn)行了三次測量，測量時(shí)溫度分別為3℃、8℃、13℃、18℃。表3和圖4記錄了溫差為5℃、10℃、15℃時(shí)第一道所有鋼支撐的應(yīng)力變化值[3]。

表3 第一道鋼支撐溫度應(yīng)力變化情況

圖4 第一道鋼支撐溫度應(yīng)力變化情況

由上圖可以看出溫差越大，鋼支撐的應(yīng)力變化也越大。

為了更為直觀、準(zhǔn)確的驗(yàn)算由溫差引起的溫度應(yīng)力的變化關(guān)系，于2018.10.19隨機(jī)選擇了第一道鋼支撐中的ZCL26-02、ZCL10-02、ZCL02-02進(jìn)行更為密切的監(jiān)測。表4和圖5記錄了每隔2℃時(shí)ZCL26-02、ZCL10-02、ZCL02-02的實(shí)際應(yīng)力值。

表4 ZCL26-02、ZCL10-02、ZCL02-02不同溫度下應(yīng)力值

圖5 ZCL26-02、ZCL10-02、ZCL02-02應(yīng)力值與溫度關(guān)系曲線

由上圖可以明顯看出鋼支撐應(yīng)力變化同溫升呈明顯線性關(guān)系。

6 結(jié)束語

本文以濟(jì)南黃河隧道深基坑工程為背景，采用多層支撐軸力影響的簡化計(jì)算方法，研究不同程度溫度變化對深大基坑支撐軸力變化的影響，可以得到以下結(jié)論：

根據(jù)本文所用方法計(jì)算出由于天氣變化、晝夜更替所導(dǎo)致的溫差所引起的鋼支撐應(yīng)力變化同溫升呈線性關(guān)系，滿足公式N=kΔT；

鋼支撐端部約束越強(qiáng)，溫度變化對軸力的影響越大。