基于原位试验的基坑支护结构受力及变形研究.pdf

江西建材质量控制与检测802023年6 月基于原位试验的基坑支护结构受力及变形研究戴名扬，丁俊男核工业江西工程勘察研究总院有限公司，江西 南昌 330046摘 要：文中以某地区超深基坑工程为研究对象，设置微型钢管桩支护结构，通过原位开挖试验得到支护结构在开挖过程中的结构受力情况。研究发现，在基坑开挖过程中，支护结构的内排桩和外排桩所受到的弯矩分布相似，与基坑开挖的深度没有直接关系，但在开挖深度较浅时，内排桩相较于外排桩对于基坑的稳定性起到了主要的影响，随着开挖深度的逐渐增加，两者对基坑稳定性造成的影响逐渐相同。稳定性较差的土层在开挖时会导致支护结构受到较大的弯矩；岩体在开挖时会造成较大的震动，导致支护结构桩身受力增大。预应力锚索能够降低支护结构所受到的弯矩，在工程应用中合理布置预应力锚索，能有效降低施工风险。关键词：基坑；支护结构；原位试验；预应力锚索中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1006-2890（2023）06-0080-04Study on the Stress and Deformation of Excavation Support Structures Based on In-Situ TestsDai Mingyang,Ding JunnanNuclear Industry Jiangxi Engineering Survey and Research Institute Co.Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330046Abstract:This paper focuses on a super-deep excavation project in a certain region,with the installation of a mini steel pipe pile support structure.Through in-situ tests,the structural stress of the support system during the excavation process is obtained.It is found that the bending moment distribution in the internal and external braced piles of the support structure is similar during excavation,and it is not directly related to the depth of excavation.However,at shallow excavation depths,the internal braced piles have a major impact on the stability of the excavation compared to the external braced piles.As the excavation depth gradually increases,the impact of both on the excavation stability becomes similar.Excavation in unstable soil layers can result in significant bending moments on the support structure,while rock excavation can cause substantial vibrations,leading to increased stress on the pile body of the support structure.Pre-stressed anchor cables can reduce the bending moments on the support structure,and the rational arrangement of pre-stressed anchor cables in engineering applications can effectively decrease construction risks.Key words:Excavation pit;Support structure;Iin-situ test;Pre-stressed anchor cables作者简介：戴名扬（1991-），男，江西南昌人，本科，工程师，主要研究方向为水工环境地质。0 引言基坑支护结构的设计和施工对工程的安全和稳定起着决定性作用，但由于地下工程环境复杂，基坑支护结构在实际应用过程中通常会面临支护结构变形等问题，因此，对基坑支护结构的受力及变形进行研究具有实际意义。目前，许多学者针对基坑支护结构开展了研究工作。史豪杰等1对深圳公路下穿改造工程进行数值模拟研究，发现深基坑支护结构的受力和变形与其结构形式、尺寸、施工工艺以及土层性质等因素密切相关；彭智佳等2使用 PLAXIS对地铁车站深基坑进行数值研究，发现基坑的变形会受到基坑开挖深度以及基坑上部车辆动荷载的影响；朱琦等3对京沪高速的深基坑工程开展多目标层次分析和模糊综合评判，确定了最优支护形式，并结合监测结果和数值模拟，分析了土体和支护结构的力学和变形特征；周盛全等4利用 ABAQUS分析膨胀土基坑支护结构受力变形，考虑受热和吸湿膨胀效应，对比有无膨胀力的情况，研究悬臂式和内撑式支护体系的变形规律，为膨胀土地区基坑工程提供参考；周萌等5开展基坑开挖变形分析，对比实测与软件结果，研究圆形基坑拱效应规律，指出拱效应对支护结构的影响，分析不考虑拱效应的安全富余量；徐建等6采用有限元模拟了镇江某深层基坑的支护结构受力情况，将结果与现场实测结果进行对比分析，发现拱效应降低了支护结构承受的弯矩，径向位移和环向应力在岩层倾斜的影响下呈上游到下游增大的趋势。从上可知，已有对支护结构的研究大多都是基于数值模拟展开的，本文以某地区超深基坑工程为研究对象，通过原位试验得到的数据对基坑支护结构的受力及变形进行研究分析，为基坑支护结构的设计和施工提供更加科学可靠的依据。1 项目概况该工程所在的土层是由素填土、粉质黏土、粗砂、强风化花岗岩下亚带、强风化煌斑岩、块状碎裂岩以及微风化花岗岩组成的土岩组合地层。地下水位标高以及稳定水位埋深范围分别为15.7920.22m和2.164.29m，测试桩的地下水位标高为15.83m。该工程采用的支护结构为微型钢管桩，从地表向下分为三段，长度分别为12.2、11.7以及16.3m，钢管的直径和厚度分别江西建材质量控制与检测812023年6 月为166mm和7mm，第一段支护结构贯穿了素填土、粉质黏土、粗砂、强风化花岗岩、强风化煌斑岩以及块状碎裂岩，第二段支护结构和第三段支护结构均贯穿了块状碎裂岩以及微风化花岗岩。具体支护结构的参数见表1。表1 支护结构参数段数结构类型编号承载力设计值/kN第一段预应力锚索A1240A2270A3380A4360A5297第二段全长黏结锚杆B1280B2280B3246B4246预应力锚索C1233第三段全长黏结锚杆B5218B6218B7202B8203B91902 试验设计2.1 试验方法根据基坑工程实际情况，在其支护结构从上至下分别每隔1.05m和1.1m安装应变片及土压力盒，以便在开挖过程中，对支护结构所受到的应力以及应变进行实时监测，根据应变片和压力盒所反馈的应变数据，可以计算得到对应的弯矩大小。2.2 试验过程将应变片和土压力盒安装完毕后即可开始基坑开挖，本次开挖过程共分为三段，第一段开挖时长为95d，开挖深度为12.75m；第二段开挖时长为37d，开挖深度为8.2m；第三段开挖时长为68d，开挖深度为11.3m。3 桩身弯矩分布特征3.1 第一段开挖过程支护桩弯矩分布规律为研究基坑开挖过程中支护结构的受力及变形，需对上述试验开挖过程中不同深度支护结构所受到的力弯矩进行分析，第一段基坑开挖过程中的内、外排桩桩身弯矩分布如图1所示。（a）内排桩（b）外排桩图1 第一段开挖过程中内、外排桩桩身弯矩分布图由图1 可知，内、外排桩在开挖过程中，其桩身所受到的弯矩和深度之间的关系是相似的，在桩身上部弯矩较小，中部弯矩较大，底部弯矩接近于0，此处土体只能发生较小的侧向变形。开挖深度对桩身所受弯矩存在影响，当深度从0 增大到6.75m时，内、外排桩所对应深度的桩身所受到的弯矩增大，此处土层为素填土、粉质黏土、粗砂和强风化花岗岩下亚带，表明此类土层在开挖时稳定性差，导致该处土层发生较大的侧向变形；当深度从6.75m继续增大，不同深度所对应的弯矩逐渐变小，特别是当深度超过8.6m时，桩身所受的弯矩几乎没有发生较大的变化，深度超过6.75m后，所对应的土层种类为强风化煌斑岩以及块状碎裂岩，具有较好的稳定性。内、外排桩均在深度为58m时出现最大正、负弯矩，此处土层从土体转向岩体，表明土层从土体向岩体转换时会发生最大的侧向变形。在开挖到10.75m时，内排桩相较于外排桩在顶端具有更大的负弯矩，说明内排桩对基坑的稳定性发挥了主要影响。当深度逐渐增加时，内排桩相较于外排桩在深度为16m时的弯矩增幅更大，在68m时的弯矩增幅更小，两者在开挖过程中所产生的最大弯矩随着深度的增加逐渐向下移动。当预应力锚索 A1 锁定时，开挖深度达到4.5m，此时开挖深度2.15m处的内排桩所受的弯矩从-5kN m降低到-2kN m，开挖深度2.35m处的外排桩所受的弯矩从0.5kN m降低到-0.3kN m；当预应力锚索A3锁定时，开挖深度达到7.35m，此时开挖深度5.35m处的内排桩所受的弯矩从-14kN m降低到-11kN m，开挖深度5.35m处的外排桩所受的弯矩从12.2kN m降低到4kN m。由上述规律可以发现，当基坑开挖深度达到预应力锚索所在深度时，预应力锚索的锁定会大幅降低预应力锚索以上一部分的支护桩所承受的弯矩。内、外排桩弯矩图上的反弯点都出现在预应力锚索所对应的深度，表明预应力锚索对基坑抗变形能力有着较大的提升。3.2 第二段开挖过程支护桩弯矩分布规律为了持续观察基坑开挖深度对内、外排桩的影响，根据第二段基坑开挖时测得的试验数据，绘制出内、外排桩桩身弯矩分布图，如图2 所示。江西建材质量控制与检测822023年6 月（a）内排桩（b）外排桩图2 第二段开挖过程中内、外排桩桩身弯矩分布图由图1 和图2 可知，随着开挖深度的增加，第二段内、外排桩的弯矩分布与第一段开挖时的弯矩分布大致相似，且内、外排桩在第二段基坑开挖深度增加时，仅支护结构上部即04m处的弯矩存在差异，内排桩及外排桩在其余开挖深度处所受到的弯矩基本相同，二者所受到的弯矩范围分别为-1024kN m和-724kN m。在基坑开挖深度达到20.95m时，内、外排桩在58m范围内出现最大的负弯矩和最大的正弯矩，表明第一段支护结构在基坑开挖深度小于20.95m时结构中部承受的土压力最大。第二段基坑开挖过程内排桩及外排桩反弯点出现的位置与第一段基坑开挖时的位置一致，均为预应力锚索所处的深度，表明预应力锚索在基坑开挖深度小于20.95m时，仍然具备良好的协助作用。3.3 第三段开挖过程支护桩弯矩分布规律为了持续观察基坑开挖深度对内、外排桩的影响，根据第三段基坑开挖时测得的试验数据绘制出内、外排桩桩身弯矩分布图，如图3 所示。（a）内排桩（b）外排桩图3 第三段开挖过程中内、外排桩桩身弯矩分布图由图1、图2 以及图3 可以发现，当开挖深度达到32.25m时，支护桩结构的桩身弯矩相较于第一段和第二段开挖出现了较大幅度的增长，内排桩的桩身弯矩范围达到-2133kN m，相较于第一段开挖时的弯矩增幅达到了32%，相较于第二段开挖时的弯矩增幅达到了64%；外排桩的桩身弯矩范围达到了-2129kN m，相较于第一段开挖时的弯矩增幅达到了41%，相较于第二段开挖时的弯矩增幅达到了67%，此时内排桩和外排桩的桩身弯矩范围差距较小，表明随着开挖深度的增加，抵抗基坑变形方面，内排桩和外排桩所起到的作用逐渐相同。与第一段开挖和第二段开挖相比，在第三段开挖过程中，随着基坑开挖深度的不断增大，在桩身上部即04m范围内的弯矩出现了较大的波动，并不像前两端开挖时预应力锚索的锁定能将桩身弯矩控制到0，其主要原因是，在进行第三段开挖时，土层已进入微风化花岗岩，开挖时会造成较大的震动，导致支护结构桩身受力增大。4 结语为了探究基坑支护结构的受力及变形，本文以某地区超深基坑工程为研究对象，开展了原位基坑开挖试验，从地表向下（下转第85 页）江西建材质量控制与检测852023年6 月蒸压加气混凝土砌块粉末密封7d，内部放射性元素比活度会产生一定变化，但是对内照射指数的影响程度较低。因此，可以判断出静置密封放射性衰变时间在7d左右最为合理。3.3.2 对外照射指数的影响通过极差分析可以判断，在外照射指数影响因素中，最大影响因素为材料粒径以及重量。要求材料粒径低于0.16mm，重量控制在300400g。为减少其影响效果，需要将监测时间控制在5h左右，且密封静置放射性衰变时间控制在7d左右。经过检测最终可以判断，在各种环境因素的影响下，外照射指数与内照射指数虽然在顺序方面存在较大不同，但是，所产生的结果意义能够保持一致，对外照指数的影响程度较低。但从放射性元素的比活程度来看，由于放射性比活动较低，导致外照射指数影响因素要比内照射影响因素较高，受到的影响范围更广。4 结语综上所述，本文应用全自动低本底多道 能谱仪，分析了新型墙体材料放射性检测及影响因素。结果表明，通过对新型墙体材料放射性的试验检测，可以判断材料放射性程度主要受粒径、质量、检测时间以及密封静置放射性衰变时间四个因素影响；对不确定度进行探究，可得到内、外照射指数的实际影响因素。另外，我们需要重视新型墙体材料的可持续性发展，在加工处理的过程中，尽可能采用放射性较小的天然材料，减少对人体的健康危害，实现我国建筑行业的可持续性发展。参考文献 1 张亚玲.民用建筑工程放射性检测与防控措施J.建设科技，2022（23）：132-134.2 刘天祥.浅谈建筑材料放射性检测J.福建建材，2015（8）：27-28.3 严文勋，封亚辉，张秀，等.进口锆英砂放射性检测参考样品的研制J.中国资源综合利用，2022，40（10）：29-31.4 原秀芳.用于水泥和混凝土中粉煤灰放射性检测分析J.中国水泥，2022（5）：99-102.5 韩建，吕旭.高纯锗 能谱仪在石材放射性检测过程中的不确定度评定研究J.化工管理，2021（33）：158-160.6 柏光山，王迪.新型墙体材料放射性检测影响因素研究J.河南建材，2016（5）：36-37.配置了三段安装了应变片和土压力盒的微型钢管桩作为支护结构，分三次进行了总时长200d的基坑开挖，总开挖深度达到了32.25m，通过对试验数据的分析得到了如下结论。（1）在开挖内排桩和外排桩的过程中，其桩身所受到的弯矩和深度之间的关系相似，在桩身上部弯矩较小，在桩身中部弯矩较大，到了桩身底部弯矩几乎接近于0。（2）土层的类型对于支护结构所受到的弯矩存在一定的影响，稳定性较差的土层会导致支护结构受到较大的弯矩；在开挖岩体时，造成的震动会导致支护结构桩身受力增大。（3）当开挖深度较浅时，内排桩相较于外排桩，其对基坑的稳定性起到了主要作用，随着开挖深度的逐渐增加，两者对基坑稳定性造成的影响逐渐相同。（4）预应力锚索能够稳定降低支护结构所受到的弯矩。参考文献 1 史豪杰，张泽辉，张志同.深基坑支护结构受力与变形数值模拟及影响因素分析J.公路与汽运，2023（1）：86-90，94.2 彭智佳，张守昆，王永康，等.车辆动荷载下偏压深基坑支护结构受力变形分析J.路基工程，2021（6）：161-165.3 朱琦，李帅，魏东旭，等.基坑支护结构的综合选型及受力与变形特性J.科学技术与工程，2020，20（32）：13369-13378.4 周盛全，王玮健，周大卫，等.膨胀土基坑支护结构受力变形数值模拟研究 J.安徽理工大学学报（自然科学版），2020，40（6）：8-13.5 周萌，高飞，何刚，等.“拱效应”影响下圆形基坑支护结构变形规律研究J.中国水运（下半月），2023，23（4）：122-124.6 徐建，周爱兆，姜朋明.倾斜岩面深大圆形锚碇基坑支护结构受力与变形特性研究J.江苏科技大学学报（自然科学版），2019，33（4）：116-122.1B-7 轴交1B-A轴、1B-6 轴交1B-A轴的3 个试验点的深部地基土层为碎块状强风化花岗岩；结合以上3 个试验点的取值，当试验荷载值极差不超过平均值的30%时，取平均值为该土层承载力特征值，故该项目工程土层地基承载力为560kPa，均满足设计要求。6 结语综上所述，该工程1#楼3 个试验点的深部地基土层（碎块状强风化花岗岩）地基承载力特征值均为560kPa，均满足设计要求。综合以上试验数据，在建筑工程中采用本试验方法，较好地控制了试验数据的精度，且不受测试深度的影响，当地基基础超过一定深度，在对其承载力和变形检测时，深层平板载荷试验是一种即有效又直观的检测方法，可为类似工程施工提供参考。参考文献 1 刘秀军.深层平板载荷试验变形模量计算公式推导J.土木工程学报，2022，55（10）：93-100，116.2 尚许雯，尚银生，贾迎泽，等.深层平板载荷试验变形模量计算新方法J.山西建筑，2020，46（8）：1-4.3 伦玉宁.深层平板载荷试验传力装置的改进与应用研究J.建筑监督检测与造价，2019，12（3）：29-32.4 刘永志.深层地基平板载荷试验方案设计及成果分析J.建筑技术开发，2019，46（3）：22-23.5 章世强，崔伟杰，周建，等.深层平板载荷试验应用与探究J.中国建材科技，2022，31（6）：78-80.6 江小兵，吴红兵，张浩博.深层平板试验和单桩竖向抗压静载试验的对比分析J.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（1）：84-88.（上接第82 页）（上接第79 页）