0.引言

 

　　在城市中进行工程建设，特别是在建筑物密集的老城区，有时必须在已有建筑物（构筑物）旁开挖新基坑。在这些建筑物密集区开挖基坑不仅要考虑到基坑本身的安全，还要考虑到周围的建筑物、道路和管线的安全如何保障基坑和支护结构的安全。减小基坑和支护结构的位移，从而尽量减小对周围环境的影响是一个需要解决的课题。

 

　　1.现有支撑结构内力计算方法

 

　　在现有的基坑支撑内力计算理论和软件中，其支护结构内力，包括支撑内力，大部分是采用弹性法进行计算，对于周边支护结构荷载相同、支撑体系采用对撑并沿具有较大刚度的腰梁或冠梁等间距布置时，支撑水平刚度系数kT可按下式计算：

 

　　（1）

 

　　式中：kr——支撑结构水平刚度系数；

 

　　a——与支撑松弛有关的系数，取0.8～1.0；

 

　　E——支撑构件材料的弹性模量；

 

　　A——支撑构件断面面积；

 

　　L——支撑构件的受压计算长度；

 

　　s——支撑的水平间距；

 

　　sa——水平荷载计算宽度取排桩的中心距。

 

　　2.实际土压力开挖进程

 

　　土方开挖水平方向不可能在整个支护结构范围同时挖到一个标高，只能够一段一段局部的开挖，从基坑的一侧一步一步的挖到另外一侧。因此，对于大部分实际工程，土方开挖实际过程应该如下图的①→②→③的过程：

 

　　（1）基坑右侧先开挖，右侧发生δ1的位移，支撑产生大小为N1的轴力，同时对基坑左侧施加了N1的预应力，左侧发生往坑外δ2的位移，δ2相对于δ1较小。

 

　　（2）基坑继续往左边开挖，基坑左侧逐渐向坑内位移，基坑右侧位移逐渐减少，支撑轴力逐渐增加（N2>N1）。

 

　　（3）基坑两侧挖到坑底，基坑右侧最终变形量为δ3，左侧最终变形量为δ4，支撑最终轴力为N3。

 

　　从以上实际土方开挖过程可以看出，在①号工况时，右侧基坑已经开挖到坑底，但左侧还没有开挖，这时候基坑支护结构将发生如图①的位移，右侧往基坑里面位移为δ1，左侧网坑外位移了δ2，显然δ1>δ2，钢管支撑轴力为N1=EA*（δ1-δ2）/L。这时，对于右侧支护结构，其支撑刚度为k1=N1/δ1=EA*（δ1-δ2）/（δ1*L），由于δ2相对δ1较小，则k1=k=EA/L=83.384MN/m，其水平刚度系数kT1为：kT1=k1*α*sa/s=13.34MN/m。可以看出，单边开挖时，其支撑的实际水平刚度系数仅约为理论公式值的一半，相当于仅开挖一侧发生水平位移，另外一侧基本不动。而对于左侧支护结构，相当于在开挖前施加了一个N1的预应力。

 

　　3.实际开挖过程中支撑内力计算

 

　　根据上述结论，在①工况情况下，分别对基坑左右两侧支护结构内力进行计算如下：

 

　　①工况基坑右侧内力及位移：顶部位移δ1=21.95mm，支撑轴力计算值N1=273.7kN，弯矩126.82kN/m，剪力80.23kN。

 

　　①工况基坑左侧内力及位移（施加N1预应力）：顶部位移δ2=0.67mm，支撑轴力计算值N1=273.7kN，弯矩160.17kN/m，剪力54.72kN。

 

　　在②号工况时，开挖面逐渐向左侧推进，左侧支护结构由于土方的开挖慢慢的向坑内移动，支撑轴力N2逐渐增加，右侧支护结构的位移由于支撑轴力的增加而慢慢的减少。

 

　　在③号工况时，基坑两侧均挖到底，支撑轴力N3达到最大值，基坑左侧的位移也达到最大值δ4。基坑右侧位移δ3比刚刚开挖时的位移δ1略有减少，右侧支护结构弯矩和剪力都有增大。

 

　　③工况基坑左侧支护结构位移及内力：顶部位移δ4=7.4mm，支撑轴力计算值N3=376.13kN，弯矩212.42kN/m，剪力75.22kN。

 

　　③号工况时基坑右侧的位移及内力的计算，相当于在原有N1的支撑轴力基础上，增加一个外来N’=N3-N1=376.13-273.7=103.03KN的外力，此时，③号工况时基坑右侧位移及内力：顶部位移δ3=20.96mm，支撑轴力计算值N3=376.13kN，弯矩172.72kN/m，剪力90.15kN。

 

　　经计算，③号工况时，基坑右侧位移减少了约1mm，最大弯矩增大了约46kN.m，最大剪力增大了约10kN。

 

　　4.结论

 

　　（1）现有基坑支护结构内力计算理论及软件均没有考虑到水平方向土方开挖过程的因素，但从上文可知道，即使单纯从理论分析，对于采用内支撑支护的基坑，土方开挖过程对支护结构的内力是有较大的影响，内力一般要增大20%～30%。

 

　　（2）采用内支撑支护结构型式的基坑，支护结构位移量比较小，其实际主动土压力一般比理论计算要大，加上支护结构内力计算值的偏小，基坑安全度大大降低，故很多时候出现支撑轴力偏大甚至失稳的现象，对基坑安全构成极大的威胁。

 

　　（3）从上述分析过程可知，土方水平方向开挖过程一般仅对采用内支撑支护的结构内力有较大影响，对于采用拉锚的支护结构的内力一般影响不大。

 

　　（4）若要考虑水平方向土方开挖的影响，需要进行多步的计算和比较，计算起来有点复杂，但只要把这个计算模式集合到计算软件中，那么操作同样简单，而且更加安全。

 

　　参考文献

 

　　[1]张尚根，华瑞平，刘新宇，周早生.基坑支护结构内力及变形动态分析[J].工程勘察，2014，02：44-46.

 

　　[2]张尚根，赵佩胜.基坑开挖过程中支护结构内力及变形分析[J].工业建筑，2011，03：17-20.

 

　　[3]高文华，沈蒲生，杨林德.深基坑支护结构内力与变形时空效应分析的程序实现[J].土木工程学报，2013，02：86-90.