水平方向土方开挖对支护结构内力计算的影响分析

摘要：深基坑工程常处于密集的既有建筑物、道路工程、地下管线、地铁等地下工程的近旁。合理的支护结构对维持基坑及周围建筑物的稳定具有重要意义。目前， 现存的基坑支护结构内力验算公式及数值分析软件主要考虑垂直方向的土方开挖作用的影响，而忽略了水平方向的土方开挖的影响。本文根据具体工程实例，研究了不同工况下水平方向土方开挖对内支撑支护结构体系内力的影响机理。结果表明，水平方向土方开挖是支护结构内力变化及基坑稳定的关键，在工程设计中应给予充分的重视。

关键字：基坑；土方开挖；支护结构；内力计算；

中图分类号： TU47 文献标识码： A 文章编号：

0 前言

基坑工程是集岩土工程与结构工程为一体的系统工程，在设计和施工中，既要保证基坑本身的稳定与安全，又要注意基坑施工对相邻建筑物、构筑物的影响。因而，在进行基坑支护结构的设计施工过程中，有必要对其进行多方面的综合考虑。目前，现有的针对支护结构内力的计算理论和数值分析软件，仅考虑垂直方向的土方开挖对内力的作用过程，而忽略了对于水平方向的土方开挖过程的影响。本文根据具体工程实例，重点研究出水平方向土方开挖对支护结构内力的影响作用。

1 支护结构内力计算中存在的问题

目前，针对基坑支护结构内力计算多是采用弹性计算法。对于基坑周边荷载相同的支护结构及支撑体系，一般采用对撑形式并沿具有较大刚度的腰梁或冠梁进行等间距布置，其支撑水平刚度系数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。

在现有的支撑内力计算理论和软件中，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[1]。而对水平方向土方开挖的过程对支护结构的内力的影响往往不予考虑。但实际证明支护结构的内力变化受水平方向土方开挖过程的影响十分明显。

2 工程实例对比研究

某长方形的基坑，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，剖面如下图1：

图1 基坑支护剖面图

2.1 理想状态下的计算

根据公式（1），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，输入理正深基坑计算，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。

2.2实际状况下的计算分析

上述2.1节的计算是在理想状况下，即土方一次性同时挖到指定标高时，得出的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，而是局部开挖，从基坑的一侧按步骤地开挖到另一侧。因此，对于大部分实际工程，土方开挖步骤及变形过程如下：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。

从实际土方开挖过程分析可知，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，这种情况下，基坑右侧将会产生向基坑里面的位移δ1，而左侧往坑外位移了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，在单边开挖时，其支撑的实际水平刚度系数仅为理论公式值的一半，即相当于仅开挖的一侧发生了水平位移，而另外一侧保持稳定。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。

（1）根据上述结论，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：

a.工况①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。

b.工况①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。

（2）在工况②时，开挖面逐渐向左侧推进，左侧支护结构由于土方的开挖逐渐向坑内移动，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。

（3）在工况③时，基坑两侧均开挖到底部，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比初始开挖时的δ1略有减少，右侧支护结构弯矩和剪力都有增大。

a.工况③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。

b.工况③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，增加一个外荷载N’=N3-N1=376.13-273.7=103.03KN，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。上述的计算结果进行如表1：

表1 两种状态下的计算结果

“”表示由工况①的内力值渐变过渡到工况③的内力值。

2.3 计算结果对比分析

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，实际工程中支护结构的位移和内力都比理想施工情况下要大许多。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，极易采用内支撑的基坑将会出现安全事故。

根据相关工程经验[2]，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，且如果采用未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，则基坑的安全度会更低。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。

3 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，根据本文的研究可知，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，致使基坑的安全度大大降低，因此极易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）对本文的计算过程分析可知，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，而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，但结果较为准确。从安全角度出发，建议基坑支撑内力计算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，且宜针对性的进行更广泛的试验和研究。

参考文献：

[1] 汉,黄书铁,程丽萍.深基坑工程（第二版）[M].北京:机械工业版.2011.

[2]建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）[S].