深基坑支护模型设计及相关制作问题分析

深基坑支护模型设计及相关制作问题分析

彭涛

武汉开来建筑设计股份有限公司湖北武汉430000

摘要：近年来，随着城市化发展步伐的加快，土地资源面积越来越少，出现了各种各样高层建筑、地铁工程，从而使得深基坑开挖深度、规模与数量等日益增加，开挖深度超过20m的深基坑不断出现，且大多数深基坑集中在建筑物与人口密集的市区，受施工场地狭小与施工条件复杂等因素制约，传统的二维设计模式已经不能满足深基坑工程施工进度、质量、成本等方面的管理要求，合理的进行深基坑支护设计，提高深基坑工程的施工质量等已经引起了人们的高度重视。

关键词：深基坑支护；模型设计；制作问题

引言

随着城市建设的发展，城市地下空间得到了不断的开发和利用，产生了大量的深基坑工程。深基坑工程中支护方案的选择至关重要，选择合理的设计方案不但可以保证基坑的安全，而且可以节约造价，而如果设计方案不合理，即使造价很高，基坑的安全也不一定能够得到保障。

1模型设计总体要求

赛题规定采用白卡纸制作整个支护构件，包括挡墙、排桩、腰梁及内支撑，所有构件的外围尺寸不超过12MM。采用标准砂填充模型侧面作为支护结构后方的土体，模型箱内部尺寸0．6M×0．8M×0．58M。最终要求整体模型采用尽可能少的白卡纸（重量最小）达到最大的承载效果，并且任一构件的最大承载位移不超过5MM。支护模型的整体如图1所示。

图1支护模型总体设计示意

模型制作规则：单侧的排桩根数必须多于腰梁根数；构件制作及相互连接均采用双面胶带；挡墙为单层白卡纸，粘贴在排桩外侧，与标准砂直接接触；腰梁设置在排桩内侧，内支撑直接连接在腰梁上；白卡纸挡墙长边之间净距为195～200MM，与模型箱内侧净距不小于200MM；白卡纸挡墙分布在排桩外侧，沿模型箱长度方向通长布置，在两端贴着模型箱内壁向标准砂内弯折，白卡纸与模型箱之间不能有连接；挡墙弯折的长度不大于40MM。挡墙沿模型箱高度方向通长布置，与模型箱底板接触处禁止弯折。

2构件设计

2.1腰梁

腰梁起到连接桩和支撑的作用，按照竞赛模型箱的高度，单侧采用3～5道腰梁进行试验。腰梁统一采用圆形截面，卷纸长度采用50MM。顶部腰梁离桩顶3ｃM距离，底部腰梁离桩底1ｃM距离，考虑到常规挡土墙上土压力分布规律，中间的腰梁按照略偏下位置进行布置。

2.2排桩

排桩设计主要考虑数量、截面形式、内外尺寸以及用纸长度等因素变化。根据模型箱内部尺寸，单侧桩数采用7～8根方案，截面采用圆形便于制作，为防止手工制作误差导致最大尺寸超限，限制排桩外围尺寸10～11MM，内部尺寸再按照用纸量调整。

2.3支撑

支撑是整个支护模型的关键构件，为保证整个体系的稳定，在腰梁与桩的交叉点均设置内支撑，因此，腰梁和桩数确定后，支撑的数量也就确定了。支撑轴向荷载按照土压力理论进行初步估算，然后再结合支撑力的试验结果优化支撑的数量及用纸量。

2.3.1支撑轴向荷载的理论估算

假设标准砂表面作用均布荷载q，挡墙高度0．58M，标准砂内摩擦角为35．1°，重度为17．3kN/M3，按照平面问题考虑时可以求得侧向土压力合力为EA＝0．157q＋0．789。假设单道支撑能承受的轴向力为ｘkN，按照7根桩4道腰梁布置支护结构，即28根支撑得到的整个侧向支撑力为28ｘkN。若考虑最大加载400kG，再加上加载板自重60kG，则可以得到q＝14．4kPA，EA＝3．05kN/M。则根据0．8M挡墙长度，可以得到单根支撑需要的最小支撑力为ｘ＝0．087kN≈0．1kN。

2.3.2支撑轴向承载力测试

在构件的内、外直径确定方面为了达到用料最少，支撑力较大的效果，对不同卷纸长度、不同内外径的支撑构件在压力机上进行了轴向挤压试验，每一构件采用4个平行样进行实验。在初步的测试过程发现相同外径的支撑构件，在空心时的承载力与实心时相差并不大，为达到轻质高强的效果，采用专门的卷纸工具进行空心构件的制作并尽量满足外径的上限。

支撑轴向力测试在材料压力试验机上进行，构件长度约为168MM，卷纸长度40～120MM，外径7～12MM，内径6～10MM。由表1试验结果可以明显看出，卷纸长度越大的支撑轴向承载力越高，而且在支撑的用纸量一定和外径不超限的条件下，适当增加内径有助于轴向承载力的提高，尤其是用纸量较大的情形。根据本次测试结果，采用最小卷纸长度40MM、内径8MM时的空心构件基本可达到0．1kN的轴向承载力，且其外径可以控制在12MM以下，满足了理论计算的最小支撑力要求。

表1支撑构件压力测试结果

因此，若采用28道支撑构件，40MM以上的卷纸长度就能满足整体承载力要求，但在实际模型制造与加载过程发现，由于杆件之间搭接的偏心等影响，40MM卷纸长度做成的支撑构件加载时有部分仍会发生失稳。而且40MM长度白卡纸制作的构件侧面由双面胶粘贴后容易发生截面变形，为保证整体的安全性，适宜采用60MM的卷纸长度制作支撑构件并按照支撑的受力位置进一步优化。

3模型制作相关问题分析

3.1模型杆件尺寸控制问题

（1）制作尺寸控制。为了解决这一问题并保证构件制作的均匀性，可以利用一些模具，如不同直径的钢管、圆管等，来控制不同杆件内径的变化，由纸张长度来保证杆件的直径在赛题规定的范围内。

（2）贴胶脱落。考虑到竞赛过程中模型制作完成、称重后有一段时间等待加载，该时间并不固定，期间构件的贴胶非常容易发生脱开，该情形对模型后续的承载力影响很大。为了避免这一问题，一方面，在制作构件时考虑贴双道胶带增加粘结力，另一方面，在构件的外表缠绕一定量的双面胶，可以有效解决这一问题。

3.2模型挡墙凸出问题

挡墙仅能采用一层白卡纸制作，由于纸张相对较薄，挡墙凸出的问题较为普遍，而单纯增加桩数的方法并非最优途径。通过实验分析，注意到凸出较为严重的地方为边上第一、二根桩之间，原因是白卡纸边缘与模型箱之间并无直接连接，承受荷载后白卡纸从边缘发生移位，导致边桩发生明显的转动。该问题可采用两种方案解决。首先，调整桩的分布间距，适当缩小边桩间距。其次，可将白卡纸边缘打毛以增加与有机玻璃板之间的接触摩擦，可在一定程度上改善受荷后白卡纸发生较大的拉扯变形。

3.3模型挡墙边缘漏砂问题

挡墙边缘漏砂极易导致加载失败，漏砂位置包括挡墙侧边与有机玻璃接触一侧和挡墙纸底面。处理方法是加砂时用纸片盖住白卡纸边缘处，待砂填筑至一定高度后再将纸条抽出，可以有效改善边缘漏砂；底部漏砂问题采用降低底层支撑的方法，可在一定程度上避免漏砂。

3.4标准砂密实度控制问题

填入的标准砂密实度不一致，易导致表面竖向位移超限，引起加载失败。为此，在加砂过程中，采用板条捣砂和橡皮锤振砂相结合的方法，在确保挡墙不凸出的前提下充分压实，并尽量保证挡墙两侧的标准砂密实度一致。

结语

基坑支护模型的设计涉及到构件参数的确定及模型的整体优化，根据理论计算和实验确定了模型支撑构件的设计参数，利用数值计算研究了支撑构件的受力特征，给出了优化布置的建议。此外，模型制作过程中白卡纸挡墙变形凸出、构件尺寸超限、挡墙边缘漏砂问题、标准砂密实度不一等问题关系到模型能否正常加载，制作过程中需要注意避免。

参考文献：

[1]王海涛．MIDAS/GTS岩土工程数值分析与设计：快速入门与使用技巧［M］．大连：大连理工出版社，2013．

[2]储信庆，计宏伟．灰底白板纸与白卡纸的弹性常数对比［J］．包装工程，2015（23）：48～52．