临时钢管柱内土体冻胀引起混凝土支撑变形的受力分析

□文 /童刚强

软土地区的深基坑工程多采用内支撑围护结构，基坑的围护体系由围护墙、支撑和立柱桩组成[1]。基坑开挖变形主要包括3部分：支护墙体变形、基坑底部隆起和基坑周围土体变形。研究表明这3方面互相联系而不是独立的[2]。在基坑开挖过程中，结合施工工况对墙体测斜、立柱隆起和土体沉降监测数据进行综合分析，尽快找到监测数据异常的原因并及时响应，对保证基坑的安全有非常重要的指导意义。

立柱桩的形式包括钢管柱和格构柱，当支撑跨度较大时，立柱桩能够给支撑体系提供很好地稳定性。影响立柱发生竖向位移的因素主要有基坑隆起、竖向荷载、温度变化、混凝土收缩徐变、施工误差等，其中基坑隆起与竖向荷载是最主要影响因素[3]。这些因素在设计施工过程都会提前考虑并引起重视，对于一些不常见的因素更应引起注意。

1 工程概况

天津地铁5号线张兴庄站位于既有铁路北环线和规划均富路交口，为地下3层岛式站台车站，与既有地铁3号线T型换乘，周边无建筑物和地下管线。车站主体结构长148.05 m，标准段净宽19.8 m，站台宽12.50 m。主体基坑标准段基坑深23.05 m，大里程盾构井段基坑深24.6 m，小里程盾构井深24.9 m，采用明挖顺做法施工。

主体基坑围护结构采用1 000mm厚地下连续墙+5道混凝土支撑的形式，地下连续墙深度为45.65 m（含3.9 m素混凝土段），地下连续墙和混凝土支撑均为C30混凝土，混凝土支撑纵向配筋上下各10φ28mm，左右各3φ25mm，箍筋配筋φ10mm@100mm，混凝土支撑各项参数见表1，所有混凝土支撑均用系梁连接，临时立柱采用直径300mm的钢管柱。

表1 混凝土支撑计算参数

2 立柱竖向隆起原因分析

2.1 监测说明

车站主体基坑由两端向中间同时进行开挖，由右往左共分为6个施工段，每段24～25 m。根据规范要求以及结合本工程特点，重点对周边地表沉降、地下连续墙顶部沉降、地下连续墙测斜、地下连续墙顶部水平位移、混凝土支撑轴力、临时立柱沉降（监测点布置在第1道混凝土支撑上）、坑外水位、既有北环铁路沉降及轨道高差、既有运营3号线进行监测，见图1，在基坑开挖过程中对重点部位进行巡视检查。

图1 基坑平面及部分监测点布置

2.2 监测数据分析

基坑1施工段开挖至基坑底，2～3施工段已施工垫层，4～6施工段底板已浇筑完成，经监测数据发现，立柱Z1、Z6发生了较大的隆起，见图2，变化量达到了14～15mm/d，组织人员对现场进行巡视发现Z8对应的混凝土支撑表面已开裂，见图3。对监测数据进行分析发现，连续20 d内地下连续墙测斜数据稳定，在可控范围以内，没有突变的现象发生，见图4；地表沉降个别点在2mm/d左右，也处于稳定状态，见图5，同时Z6、Z8对应底板已施工完成，说明坑底隆起引起立柱上浮的可能性极小。

图2 立柱竖向位移时程曲线

图3 混凝土支撑开裂

图5 地表沉降时程曲线

经过进一步的观察发现，由于是在冬季施工且连续几天气温持续下降，最低气温达到了-14℃。根据已有的研究表明[4～5]，土体在低温下发生冻胀且产生较大的冻胀力，从而推测立柱Z6、Z8的隆起是由于钢管柱内土体冻胀引起的。为验证这一推论，在钢管柱上开一口子，发现有大量泥土挤出，同时立柱竖向位移逐步恢复正常，后期监测也没有再出现异常情况。因此，可以判定立柱Z1、Z6、Z8的竖向位移是由于钢管柱内土体冻胀引起的。

3 钢管柱内土体冻胀对混凝土支撑变形影响分析

根据临时钢管柱施工工艺可知，钢管柱内的土体主要为残留的泥浆和搅拌土，其性能指标无法判定。在Z1、Z6、Z8发生较大冻胀时，Z2、Z4、Z7并没有变化，说明在冻胀之前Z2、Z4、Z7钢管柱没有被土体填满，钢管柱内土体的密实程度无法确定。因此，无法通过土的冻胀属性来计算钢管柱内土体的冻胀量以及产生的冻胀力。在已知混凝土支撑变形量（钢管柱竖向位移）的情况下，可以借助结构力学模型对土体的冻胀力进行反算。

根据同济大学史世雍[3]的研究，在忽略支撑杆左右两侧墙体竖向差异浮沉引起的支撑杆扭曲变形影响时，对撑杆可视为竖平面有弯矩作用的压弯构件，对混凝土支撑，上浮变形的附加弯矩可用图6的计算模型。

图6 混凝土支撑受力分析模型

根据结构力学计算求得

式中：Q为立柱对混凝土支撑的竖向力；δ为立柱与地下连续墙的差异沉降；E为C30混凝土的弹性模量；q为混凝土支撑自重载荷。

立柱隆起产生的最大附加弯矩在支撑的中部，最大附加弯矩为

根据以上理论，将计算结果汇总于表2。结合表2的计算结果和图2可以看出，在发生冻胀之前，钢管柱的竖向位移基本稳定，与地下连续墙的差异沉降较小，由此产生的上浮力和附加弯矩也很小。冻胀发生后，钢管柱与地下连续墙的差异沉降迅速增大，Z1、Z6上浮力分别增加了711、903.8 kN，附加弯矩分别增加了2 275.3、2711.4 kN·m，分别达到了设计极限弯矩的66.87%和 79.7%。

表2 立柱隆起对混凝土支撑的附加弯矩

4 结论与建议

1）根据计算结果，土体冻胀使钢管柱对混凝土支撑的上浮力和附加弯矩迅速增加，附加弯矩的增加量分别达到了设计极限弯矩的66.87%和79.7%。在设计没有考虑冻胀影响的情况下，这种工况的发生对混凝土支撑的稳定性以及基坑支护的安全带来了极大危害。

2）需要在冬季施工，特别是北方地区，为避免类似工况发生，可以将钢管柱伸出混凝土支撑上表面，使钢管柱内土体冻胀能得到尽快释放或者用格构柱代替钢管柱。

[1]江 娟，亓 宾，刘国彬.软土深基坑中立柱桩变形影响因素和变形预测研究[J].岩土工程学报，2008,30，（S1）：363-368.

[2]郑 刚，焦 莹，李 竹.软土地区深基坑工程存在的变形与稳定问题及其控制——软土地区深基坑坑底隆起变形问题[J].施工技术，2011，40（341）：10-15.

[3]史世雍.软土地区深基坑支护体系安全性状动态分析[D].上海：同济大学,2007.

[4]秦爱芳，林金钱，蒲毅彬，等.上海人工冻土冻胀特性和水分迁移的试验研究[J].上海大学学报（自然科学版），2009，15（1）：93-98.

[5]孙迪辉.冻胀土对混凝土模板支撑体系的影响[J].低温建筑技术，2008，（2）：117-118.