随着我国现代科技和城市建设的飞速发展, 建筑施工技术越来越成熟, 高层建筑需求越来越大, 基坑支护难度也随之变大, 施工方必须通过施加水平支撑以满足基坑顶部、深层土体的位移在规范允许范围内, 从而保证基坑周围建 (构) 筑物、道路等设施在基坑回填之前, 不会因基坑开挖或降水导致大的沉降变形而影响到这些设施的正常使用。同时, 支护结构虽作为一个临时性结构, 其造价占据全部工程造价的比例不可小觑。因此, 在基坑支护结构设计阶段, 应以安全为前提, 选择最优支护方案, 以达到降低造价、便于施工和缩短工期的目的, 这就使得技术人员必须改变原先的研究思路, 经过多次现场试验和深入研究, 使越来越多新的技术在实践中产生并迅速发展。

近些年来, 因相关地方法规及施工现场实际情况的限制, 放坡、桩锚支护等体系的应用受到影响, 内支撑式支护结构逐渐成为深基坑支护结构中水平支撑体系的首选, 成熟的内支撑结构将对基坑安全起到越来越重要的作用。评价一种支撑结构的优劣一般是以质量、造价和工期作为标准, 传统的钢筋混凝土内支撑、型钢支撑、钢管支撑在这些方面均存在不足之处, 装配式预应力鱼腹梁内支撑系统应运而生。

装配式预应力鱼腹梁内支撑系统是从国外引进并发展的一项新技术, 该系统采用现场装配连接, 无需焊接, 可显著缩短支护工期。而且预应力鱼腹梁可根据需要调节基坑的变形, 是一种能够兼顾安全、经济及工程进度的支护系统。目前, 因国内工程人员对该系统认识不足, 使其应用受到很大限制。基于此, 本文结合海口市某基坑工程, 对装配式预应力鱼腹梁支撑系统进行研究分析。

1) 系统组成装配式预应力鱼腹梁内支撑系统 (简称IPS) 主要由鱼腹梁结构、对撑结构、角撑结构、连系杆、三角形节点及立柱等组成, 它是一个完整的立体支撑系统。其中, 鱼腹梁结构由围檩、腹杆、预应力钢绞线组成, 如图1所示。

2) 工作原理在三角键处对钢绞线进行锚固并对钢绞线施加预应力, 预应力通过腹杆传到围檩上, 使鱼腹梁结构受到向基坑外的作用力, 在这个作用力下, 基坑将向外产生预先变形。开挖后, 基坑外水土压力作用将会被预应力的作用减小甚至抵消, 从而有效保证基坑开挖过程中的稳定性。

某项目位于海口市, 占地面积约2 385.75m², 总建筑面积50 535.36m², 建筑上部采用框架-剪力墙结构, 基础为桩+筏基础, 设3层地下室, 室外标高±0.000=4.50m (秀英高程) , 现场地面标高约4.00m, 基坑开挖深度约15.50m, 周长约240m, 面积约3 420m², 其侧壁安全等级均为一级。

根据勘察报告, 基坑设计主要涉及以下土层: (1) 层杂填土全场地范围内均有, 厚1.2～2.2m, 松散状, 欠压实, 工程性能差, 均匀性较差; (2) 层中砂分布于局部场地, 厚0.6～3.5m, 饱和, 松散状, 实测标贯击数N=6～8击, 平均7击, 地基承载力特征值f_ak=150kPa;譻) 层淤泥质粉质黏土分布于全场地, 厚度0.80～5.70m, 实测标贯击数N=1～2击, 地基承载力特征值fak=70kPa; (4) 层粗砂分布于全场地, 厚1.50～4.80m, 饱和, 中密, 实测标贯击数N=16～19击, 平均17击, 地基承载力特征值f_ak=220kPa; (5) 层粉质黏土分布于全场地, 该层没有揭穿, 厚36.70～66.40m, 硬塑-坚硬状, 为超固结土, 局部已半固结成岩, 实测标贯击数N=16～52击, 平均33击, 地基承载力特征值f_ak=280kPa。

基坑周围距离道路、建筑物较近, 无足够的放坡空间, 基坑开挖深度15.50m, 采用排桩+预应力鱼腹梁钢支撑系统+高压旋喷桩的支护形式, 支撑平面布置为角撑、对撑与鱼腹梁结构相结合的形式。

模型大小及基坑开挖范围与原支护结构的三维模型相同, 均据实际工程情况建模。支护结构方面, 南、北侧鱼腹梁结构跨度27.5m, 矢高6m;东西侧鱼腹梁结构跨度38m, 矢高6.8m。结构中除钢绞线采用杆单元模拟外, 其他鱼腹梁支护结构均采用梁单元进行模拟。图2和图3分别为预应力鱼腹梁内支撑系统的三维有限元模型。

1) 1, 2层围檩H498×432×45×70型钢, 面积A=0.077 08m², 采用梁单元模拟。

2) 3层围檩双拼H498×432×45×70型钢, 面积A=0.154 16m², 采用梁单元模拟。

3) 对撑H400×400×13×21型钢, 面积A=0.021 95m², 采用梁单元模拟。

4) 连系杆H400×400×13×21型钢, 面积A=0.021 95m², 采用梁单元模拟。

5) 角撑H400×400×13×21型钢, 面积A=0.021 95m², 采用梁单元模拟。

6) 钢绞线15.2钢绞线, 面积A=0.000 14m², 采用杆单元进行模拟, 钢绞线数量根据施加的预应力而定。

7) 三角形结点区此区域与单根型钢相比, 面积与刚度大, 近似于1个刚域, 采用梁单元对其模拟时, 将梁截面值取大, 可达到模拟刚域的效果, 本次分析中取三角形结点区面积A=1.0m²。

施加荷载按实际情况考虑, 除土体自重外, 在基坑西侧有宽20m, 距坑边距离为7m, 数值为20kN/m²的超载。关于预应力值得确定, 可通过相关剖面计算软件计算出支护系统的水平设计荷载, 进而确定鱼腹梁中钢绞线的预应力值, 然后计算出所需钢绞线数量, 如表1所示。

1) 围护结构变形因基坑西侧有超载, 导致西侧位移比东侧大, 所以只列出对撑以西围檩的位移情况以供分析。由表2可看出, 支护结构总的位移情况是随基坑开挖支护的先后顺序, 支护结构位移在不断增加, 所以第3道支撑的位移最大。

2) 轴力表3为各层支护结构中同种构件的最大轴力, 可看出第2层支护中构件所受轴力较大, 尤其是鱼腹梁范围内的围檩所受轴力最大。

3) 弯矩表4为各层支护结构中同种构件的最大弯矩情况, 由表4可看出, 第2层结构的弯矩值大于其他层结构弯矩值。同时可看出, 对撑和角撑弯矩较小, 这是因为其主要用来传递轴力。从第2层支撑的弯矩云图中可看出, 支护结构中最大弯矩发生于对撑、角撑两端的三角键上, 这主要是由于对撑、角撑传递轴力到端部所引起, 但这个部位为刚域, 其构件安全可以保证。

4) 构件验算因支护系统中第2层支撑结构的轴力和弯矩值最大, 且第2层结构所用型钢的截面相对较小, 所以应对最危险的第2层结构进行验算。在进行验算时, 采取最不利情况, 即轴力、弯矩值的大小均取同类型构件的最大值, 构件的计算长度也取同类型构件的最大值。

经过验算, 在最不利情况下的各类型构件的强度和稳定性均能满足要求, 所以支护结构中的构件安全。

通过模拟计算可看出装配式预应力鱼腹梁支撑系统的鱼腹梁结构范围内围檩的最大位移仅为17.3mm, 而且该支护系统的一大特点是:可根据需要, 通过施加预应力主动、灵活地调节基坑的位移。所以只要施加合适的预应力, 鱼腹梁围檩的位移会更小, 可更加有效地控制基坑位移。

但是, 鱼腹梁的端部和角撑位置位移较大, 如鱼腹梁端部最大位移29.2mm, 角撑位置围檩的最大位移为27.2mm, 这是因为钢绞线的张拉使鱼腹梁端部的围檩发生向基坑内的位移, 角撑处传来的侧土压力可抵消一部分位移, 但不足以抵消由于钢绞线张拉和主动土压力引起的鱼腹梁端部围檩朝向基坑内的位移。同时, 由于此设计中留给角撑支护的距离过小, 致使无法施加足够的角撑抵抗预应力及土压力的作用, 而使角撑及鱼腹梁端部的位移比鱼腹梁范围内围檩的位移大, 但29.2mm对于基坑来讲也是安全的。只要设计人员能够合理地布置该结构、合理地施加预应力, 就可更加有效地减小基坑位移。

对于该工程, 通过Madis/GTS对传统内支撑系统和装配式鱼腹梁内支撑系统进行模拟分析, 鱼腹梁结构中围檩的最大轴力比传统支护中冠、腰梁最大轴力大47%, 这主要是由鱼腹梁结构的传力特性决定。所以在进行鱼腹梁设计时, 围檩的截面应相对较大, 才能保证其安全、稳定。

同时可发现, 2种支护系统中对撑的最大轴力为相差甚小, 但相对于装配式预应力鱼腹梁支撑系统, 传统内支护系统一般会布置较多的对撑, 所以相对于传统的支撑系统, 装配式预应力鱼腹梁支撑系统中所有对撑所需承担的总轴力较小, 在对其进行设计时, 对撑的总截面面积可相对较小。

装配式预应力鱼腹梁内支撑系统所用钢材均采用工厂定制生产, 施工时在现场进行拼装连接, 无论安装还是拆除都非常方便, 整个过程只需人工施工, 无需大型机械, 不需较大的作业面, 在工期紧张的时候, 可通过增加工人加紧施工, 灵活性较高。而且相对于混凝土结构, 该系统的施工没有养护期, 可快速完成支护结构施工, 大大缩减工程工期。同时, 因为鱼腹梁系统无需布置大量的对撑、角撑, 可提供较大的施工空间, 方便基坑内土方的开挖, 同样可缩短施工工期。由此可见, 这种绿色支护技术对于基坑支护技术的发展具有非常重要的意义。

基坑工程支护造价涉及多个方面, 下面仅对支护结构水平支撑的材料造价进行讨论, 其中材料单价根据目前市场的一般价格而定。关于钢筋混凝土中钢筋工程量的统计, 根据相关规范, 纵筋的最小配筋率为0.6%, 加上一些构造钢筋, 则钢筋工程量可按0.7%的配筋率进行计算, 此工程中结构平均截面面积约1m², 经过估算, 每立方米钢筋混凝土中含钢筋量最少60kg。

在装配式预应力鱼腹梁支撑系统中, 型钢皆为租赁, 所以型钢的单价均按租赁价格进行计算, 租赁时间按原支护结构的设计周期 (1年) 进行考虑。

对比2种支护不同的水平支护结构所用材料的造价可看出, 装配式预应力鱼腹梁内支撑系统相较于混凝土内支撑减小14.6%。而且因为这种先进的施工技术可大大缩减工程工期, 进而缩短钢材租期, 极大地减少了支护结构的工程造价。所以装配式预应力鱼腹梁内支撑系统具有明显的经济效益, 这对于该支护系统的广泛使用具有非常重要的作用。

1) 装配式预应力鱼腹梁内支撑系统可有效、灵活、主动地约束基坑周边的位移, 保护基坑开挖过程中的安全。

2) 装配式预应力鱼腹梁内支撑系统与传统混凝土内支撑系统相比较, 安装与拆除更为方便, 不需养护期, 缩短了施工工期。而且该系统使基坑具有更大的施工空间, 方便土方开挖与运输, 使基坑开挖工期大大缩减。

3) 装配式预应力鱼腹梁内支撑系统是一种绿色环保的新技术, 相较于传统的混凝土支护结构, 其材料可多次利用, 具有非常明显的经济优势。