水平方向土方开挖对支护结构内力的影响

摘要：现有基坑理论和软件对支护结构内力的分析计算，仅考虑垂直方向的土方开挖过程，对于水平方向的土方开挖过程是没有考虑到的。本文分析土方水平方向开挖过程对内支撑支护结构体系的内力的影响，并结合工程实例，得出水平方向土方开挖过程对支护结构内力有较大的影响。

关键字：支撑内力；土方开挖；支护结构内力；

Abstract: the existing foundation theory and software of supporting structure of internal force calculation and analysis, only consider the vertical direction turkmen excavation process, for the horizontal turkmen excavation process is not considered. This paper analyzes turkmen excavation process horizontal inner supporting supporting structure system of the influence of the internal force, and combined with the engineering practice, the level that direction turkmen excavation process of supporting structure has a major effect of internal force.

Keywords: support internal force; Turkmen excavation; Supporting structure internal force;

中图分类号：TV551.4文献标识码：A 文章编号：

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：k ――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。

现行的基坑理论和软件，都是假设一个开挖面的深度，然后根据开挖深度计算土压力和支护结构内力，即仅考虑了垂直方向土方开挖的过程。对水平方向土方开挖的过程，也就是土方从基坑的某一侧挖到另一侧的过程，究竟这个过程对支护结构的内力有没有影响？怎么样影响？规范和软件都是没有考虑到的。支护结构的内力是否只跟开挖深度有关？下面举个简单的例子，说明对于采用内支撑的支护型式，其支护结构的内力受水平方向土方开挖过程的影响十分明显。

一个长方形的小基坑，长30米，宽15米，深5米，采用钢板桩+内支撑的支护型式，支撑间距5米，平面及剖面如下图：

图1基坑支护平面图

图2 基坑支护剖面图

根据上述公式，钢管的水平刚度系数kT为：（α取0.8,A=5956mm2）

=2×0.8×2.1×10^5×5956×1000/(15000×5000)=26682N/mm

=26.682MN/m

根据水平刚度系数计算结果，输入软件（理正深基坑）后计算，其内力计算结果如下：顶部位移12.94mm，支撑轴力计算值N=321.32kN，弯矩173.63kN/m，剪力69.56kN。

图3

从图3可以容易看出，钢管内支撑的水平刚度系数公式中，系数“2”就是由于钢管的实际变形是基坑水平位移量δ的2倍，即基坑位移为δ，钢管的轴力相当于压缩了2δ的轴力，所以对于单元计算，要把钢管刚度提高一倍来与钢管实际内力相一致。

上述计算结果是按照理想情况下，土方一次性同时挖到指定标高，支护结构内力及位移的计算结果。但实际情况是，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①②③的过程：

图6

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。

图7

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）。

图8

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=83.384 MN/m,其水平刚度系数kT1为：kT1= k1*α*sa/s=13.34 MN/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。

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。

通过上述的计算，我们对基坑的计算结果进行梳理总结：

“”表示由工况①的内力值渐变过渡到工况③的内力值。

从上表归纳情况可以看出，在考虑基坑水平方向土方开挖过程的影响下，支护结构的位移和内力都比理想施工情况下要大。按照以上计算结果，实际情况与理想情况相比，支撑轴力增大了17%，坑顶最大位移增加了62%，最大弯矩增加了22%，最大剪力增加了29%。因此，若不加分析的采用理想情况下的计算结果，往往会导致支护结构的不安全，如果不是设计值与计算值还有一个1.25的系数，那么很多采用内支撑的基坑将会出现安全事故。

而且，根据经验，主动土压力并不是固定的，而是与支护结构的位移有关，位移较小的支护结构所受到的主动土压力要比位移较大的支护结构所受到的主动土压力要大。采用内支撑的支护结构，一般位移较小，故主动土压力一般较大，加上由于没有考虑水平方向土方开挖过程导致的支护结构偏不安全设计，基坑的安全度就更低了。因此，现有采用内支撑的计算理论和软件，由于没有考虑到水平方向土方开挖过程对支护结构内力的影响，其计算结果是偏不安全的。

由于实测数据不多，土方开挖对支护结构内力的影响的对比也没进行专门的试验，因此上述结论是否普遍成立还有待进一步研究。但从一些相关基坑工程的监测数据表明，的确出现支撑内力远大于设计值的现象，甚至产生了支撑压弯失稳。

总结：

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。

5、从安全角度出发，建议基坑理论和规范应考虑水平方向土方开挖过程对支护结构内力的影响。现阶段宜针对性的进行更广泛的试验和研究。

参考文献：

[1] 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）

[2] 《深基坑工程（第二版）》 汉、黄书铁、程丽萍，机械工业版，2002

[3] 理正深基坑支护结构设计软件

作者简介：李兆源（1979~），男（汉族），广东佛山人，大学本科，工程师