頂管工作坑后背力作用下支護(hù)樁簡便計(jì)算方法探討

□文/張苗苗

頂管工作坑后背力作用下支護(hù)樁簡便計(jì)算方法探討

□文/張苗苗

結(jié)合天津地區(qū)常規(guī)工字鋼樁頂管坑實(shí)例，分析了后背樁在抵抗頂管頂力過程中的受力特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范總結(jié)出計(jì)算支護(hù)樁在后背力作用工況的內(nèi)力、位移計(jì)算方法并進(jìn)行分析、探討。

頂管；工作坑；后背頂力；支護(hù)樁；簡便算法

隨著非開挖施工技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用，頂管技術(shù)以其減少破壞現(xiàn)狀地表及經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)逐步成為天津地區(qū)排水管道施工的一種主要方式。因?yàn)楫?dāng)前施工隊(duì)伍的技術(shù)水平及前期對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)源的預(yù)估不足，頂管坑后背墻失穩(wěn)的狀況也常有發(fā)生，故在設(shè)計(jì)頂管深基坑支護(hù)的同時(shí)，尚需考慮頂管后背力對(duì)支護(hù)樁的作用，從而提前控制風(fēng)險(xiǎn)。本文在總結(jié)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的同時(shí)，以工程實(shí)例探討了后背力作用下支護(hù)樁的受力、變形的簡便計(jì)算方法。

1　工程實(shí)例

1.1基坑參數(shù)

以天津某常規(guī)頂管工程為例，頂管管徑2 000mm，頂距100m，覆土4.5m，頂管工作坑尺寸長為8.0m，寬6.5m，深7.5m，基坑形式見圖1和圖2。

圖1　基坑平面

圖2　正基坑立面

1.2工程地質(zhì)參數(shù)

工程地質(zhì)情況見表1。

表1　直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及抗?jié)B系數(shù)

續(xù)表1

2　后背樁受力特點(diǎn)

頂管后背墻一般由兩部分組成，與頂管千斤頂相連的為鋼結(jié)構(gòu)后背，由型鋼及鋼板焊接而成。為保證鋼后背有效的將頂力傳至支護(hù)樁，在鋼后背墻與支護(hù)樁之間需設(shè)鋼筋混凝土后背墻以增加后背剛度、整體性并有效傳遞內(nèi)力。頂管過程中，頂力由鋼后背墻通過混凝土墻傳至支護(hù)樁及樁后土體，鋼后背墻與鋼筋混凝土后背墻一起形成一個(gè)剛體，有效的將幾處集中的應(yīng)力分散開來，形成近似均布荷載傳至后面的樁及土體。

在頂管過程中，千斤頂?shù)捻斄τ珊蟊硥Ψ稚⒊山凭己奢d傳至后面支護(hù)樁及土體，后背墻起一個(gè)傳遞力的載體的作用，最終抵抗頂管頂力的為支護(hù)樁與土體的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

3　后背樁受力計(jì)算探討

3.1頂力計(jì)算

式中：F0為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為管道的外徑，m；L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長度，m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2；NF為頂管機(jī)的迎面阻力，kN；Dg為頂管機(jī)外徑，m；rs為土的重度，kN/m3；Hs為覆蓋層厚度，m。

頂管總頂力F0=3014.4+407=3421.4（kN）

3.2被動(dòng)土壓力

后背墻范圍被動(dòng)土壓力分布見圖3，計(jì)算得后背墻寬度范圍被動(dòng)土壓力合力為3 075.2 kN＜F0，需要考慮支護(hù)樁承擔(dān)后背力。

圖3　后背強(qiáng)高度被動(dòng)土壓力分布

3.3后背樁受力計(jì)算

《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》（試行）考慮了板樁支護(hù)的聯(lián)合作用對(duì)土抗力的影響，水平頂進(jìn)力通過后背墻傳遞到土體上，近似彈性荷載曲線，能將頂力分散傳遞，擴(kuò)大了支承面。近似彈性的荷載曲線見圖4，為簡化計(jì)算，將彈性載荷曲線簡化為梯形力系，見圖5。

圖5　簡化的受力模型

按照?qǐng)D5的計(jì)算結(jié)果η=Kprsbh(h1+2h2+h3)/2/F0=1.7×18×4×7.8×（4.2+2×3.1+7.2）/（2×3 421.4）=2.45＞1.5，故考慮支護(hù)樁的作用，可承擔(dān)該頂力。

式中：Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)；b為后背墻寬度，m。

可以定性的判斷后背體系的安全性，但工程中若支護(hù)變形過大，會(huì)造成頂進(jìn)過程中油缸的進(jìn)程大部分被后背結(jié)構(gòu)的變形消耗掉，有必要對(duì)支護(hù)樁在頂力作用下發(fā)生的負(fù)位移進(jìn)行計(jì)算，在深基坑支護(hù)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上加上后背力計(jì)算，頂力按照作用點(diǎn)以預(yù)加軸力形式作用于支護(hù)樁見圖6，結(jié)果見圖7。圖7c、d所示負(fù)位移及負(fù)彎矩，變形是向基坑外側(cè)的。與圖7a、b對(duì)比可知，該工程支護(hù)樁在頂力與土壓力作用下產(chǎn)生的彎矩大于開挖時(shí)的彎矩，頂力作用下產(chǎn)生的最大位移2.6mm。

圖6　加上后背力的計(jì)算

圖7　內(nèi)力位移計(jì)算結(jié)果

圖7c與圖4土體受力曲線基本吻合，該計(jì)算方法取加載完開挖到坑底工況，不考慮加載的過程因素，與頂管坑后背墻承受頂力工況的特點(diǎn)相符合，采用該方法計(jì)算并跟蹤了天津地區(qū)幾個(gè)工程項(xiàng)目，實(shí)測(cè)支護(hù)樁向基坑外側(cè)的變形均小于計(jì)算結(jié)果，故該計(jì)算結(jié)果較實(shí)際偏于保守，該方法計(jì)算簡便，結(jié)果表達(dá)明確清晰，可為控制頂管坑后背墻變形提供量化的參考。

4　結(jié)論

1）頂管后背力作用下后背體系的變形及受力不容忽視，工程需要量化支護(hù)樁變形及受力以保證施工安全。

2）規(guī)范對(duì)支護(hù)樁分擔(dān)后背力的效果及后背穩(wěn)定性做了定性的計(jì)算。

3）采用深基坑計(jì)算模型設(shè)置頂力作用模擬后背力作用工況，基本與實(shí)際工況相符，支護(hù)樁變形圖與后背土體受力圖基本吻合。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.021

□TU992

□C

□1008-3197（2015）03-55-02

□2015-04-01

□張苗苗/女，1975年出生，高級(jí)工程師，碩士，天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，從事給排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。