姚莊大橋基礎(chǔ)施工深基坑方案比選

鄧 剛

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

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姚莊大橋基礎(chǔ)施工深基坑方案比選

鄧 剛

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

摘要：深基坑的開挖支護(hù)受水文、地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境的影響。以姚莊大橋橋墩基礎(chǔ)的基坑支護(hù)為研究內(nèi)容，結(jié)合工程地質(zhì)特點(diǎn)等因素?cái)M定排樁支護(hù)、鋼板樁圍護(hù)、放坡開挖等方案進(jìn)行比選；并結(jié)合有限元數(shù)值模擬分析，對(duì)基坑開挖過程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行分析和驗(yàn)算。綜合考慮工程的施工難度、經(jīng)濟(jì)、安全、工期等因素，最終選擇了放坡開挖方案。

關(guān)鍵詞：深基坑；支護(hù)結(jié)構(gòu)；數(shù)值分析；方案比選

基礎(chǔ)施工是建筑施工的重要組成部分，為確保施工安全，必須對(duì)開挖的建筑基坑采取支護(hù)措施。深基坑支護(hù)工程是一個(gè)綜合難度較大的工程，方案選取的優(yōu)劣直接影響到基坑工程的安全性﹑經(jīng)濟(jì)性﹑施工進(jìn)度等。由于深基坑支護(hù)工程是一個(gè)綜合性的巖土工程問題，既與土力學(xué)中典型的強(qiáng)度、穩(wěn)定與變形問題有關(guān)，又涉及到水、土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用。針對(duì)具體的工程，如何找出具有可操作性的方案，來保證基坑的穩(wěn)定性和土體變形的要求，又能使綜合造價(jià)最低，是一個(gè)值得研究的問題。

1 工程背景

1.1 工程概述

姚莊大橋?yàn)榭缭揭?guī)劃中的引江濟(jì)巢工程而設(shè)，橋址DK7+815處為規(guī)劃III級(jí)航道中線，設(shè)計(jì)為(60+100+60) m懸灌梁。姚莊大橋起訖里程為DK8+697.645～DK9+178.02，橋長480.375 m,其中連續(xù)梁主墩1#墩和2#墩為深基坑施工。1#墩原地面標(biāo)高29.888 m，承臺(tái)底標(biāo)高11.038 m，基坑深18.86 m；2#墩原地面標(biāo)高30.45 m，承臺(tái)底標(biāo)高9.598 m，基坑深15.9 m。墩身均采用變截面的實(shí)體墩，斷面為長圓形，從墩頂?shù)蕉盏走M(jìn)行放坡，承臺(tái)采用倒圓角的矩形承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)鉆孔灌注樁。

1.2 地質(zhì)資料

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，1#橋墩基坑所在地的地質(zhì)條件:第1層為粘土，硬塑，承載力為200 kPa，厚度為19.7 m，土的重度γ=18 kN/m3，粘聚力c=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=30°；第2層為全風(fēng)化砂巖，承載力為200 kPa，厚度為2.6 m；第3層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，承載力為400 kPa，厚度為3.8 m。2#橋墩基坑所在地的地質(zhì)條件：第1層為粘土，硬塑，厚度為13 m，承載力為200 kPa，土的重度γ=18 kN/m3，粘聚力c=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=30°；第2層為全風(fēng)化砂巖，厚度為3 m，承載力為200 kPa；第3層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，厚度為8 m，承載力為400 kPa。地下水在此不予考慮。

根據(jù)姚莊大橋的工程背景，結(jié)合基坑設(shè)計(jì)支護(hù)原則，本工程橋墩基礎(chǔ)的基坑支護(hù)擬采用排樁支護(hù)、鋼板樁圍護(hù)、放坡開挖等方案。由于1#墩和2#墩的地質(zhì)條件相似，這里僅以1#墩的方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析為例進(jìn)行基坑支護(hù)方案比選。

2排樁支護(hù)方案

2.1 排樁支護(hù)方案的設(shè)計(jì)和支護(hù)形式

根據(jù)圖紙等相關(guān)資料，基坑中承臺(tái)的尺寸為17 m×17 m?？紤]100 cm的立模空間，實(shí)際基坑開挖尺寸為19 m×19 m的正方形區(qū)域，基坑周邊采用?1.25 m、間距為1.5 m的鋼筋混凝土灌注樁進(jìn)行圍護(hù)，內(nèi)支撐采用4層雙排H型鋼(Q345，HN700×300×13/24)做圍檁，內(nèi)角支撐采用粗鋼管(Q345，?63 cm，壁厚12 mm)，共對(duì)稱設(shè)計(jì)了4道角支撐?；臃雷o(hù)樁和內(nèi)支撐布置如圖1、圖2所示。

1#墩的基坑開挖深度為18.86 m，嵌固深度為12 m，在防護(hù)樁施工完成后，在鋼筋混凝土樁頂澆筑厚度0.5 m、寬度1 m的冠梁，以增加防護(hù)樁的整體性，然后再進(jìn)行基坑開挖作業(yè)。邊開挖邊加圍檁和內(nèi)撐，設(shè)置支撐體系需要超挖50 cm，以保證施工空間和安裝牛腿，1#墩的開挖加撐分9個(gè)工況進(jìn)行，基坑斷面及開挖工況如圖3所示。

圖1　基坑防護(hù)樁布置平面圖(單位：cm)

圖2 內(nèi)支撐平面圖(單位：cm)

2.2 排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

1#墩采用長度為30.86 m的防護(hù)樁進(jìn)行支護(hù)，驗(yàn)算防護(hù)樁的嵌入深度、防護(hù)樁的強(qiáng)度以及圍檁和內(nèi)支撐的受力。

圖3 基坑斷面及開挖工況示意圖(單位：m)

2.2.1 防護(hù)樁的嵌固深度驗(yàn)算

足夠的支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度既是基坑底抗隆起穩(wěn)定性的需要，也是保證支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠抗傾覆穩(wěn)定性的需要，本工程按圓弧滑動(dòng)簡單條分法計(jì)算防護(hù)樁嵌固深度設(shè)計(jì)值。

(1)

式中：hd為防護(hù)樁嵌固深度設(shè)計(jì)值；α為圓弧滑動(dòng)簡單條分法嵌固系數(shù)，α=1.1；γ0為建筑基坑側(cè)壁重要性系數(shù)，本工程為二級(jí)工程，γ0=1；h0為防護(hù)樁嵌固深度計(jì)算值，按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》圓弧滑動(dòng)簡單條分法計(jì)算嵌固深度得到h0=10.50 m。代入數(shù)據(jù)有hd=1.1×1×10.50 m=11.55 m。

防護(hù)樁嵌固深度采用值h=12.00 m>hd=11.55 m，滿足安全性要求。

2.2.2 防護(hù)樁的強(qiáng)度驗(yàn)算

將基坑開挖過程中每一工況的防護(hù)樁內(nèi)力圖匯總，得到防護(hù)樁整體內(nèi)力包絡(luò)圖如圖4所示。

圖4 防護(hù)樁內(nèi)力包絡(luò)圖

防護(hù)樁強(qiáng)度可以通過樁所能承受的彎矩與開挖過程中防護(hù)樁所受的最大彎矩來驗(yàn)算。如圖4所示樁的最大彎矩為1 529.59 kN·m，考慮的荷載安全分項(xiàng)系數(shù)為1.2，采用1 529.59 kN·m×1.2=1 835.5 kN·m進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。經(jīng)過計(jì)算，該防護(hù)樁的配筋為22根HRB335?25 mm鋼筋。

(2)

(3)

(4)

式中：Mu為所能承受的彎矩；A為構(gòu)件截面面積，A=πr2；As為受拉縱向鋼筋的面積，As=10 794 mm2；r 為圓形截面的半徑，r=625 mm；rs為受拉鋼筋的形心半徑，rs=578 mm；α為對(duì)應(yīng)于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓周心角(rad)與2π的比值；αt為縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值(αt=1.25-2α)；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fc=14.3 MPa；fy為鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fy=300 MPa。

通過試算得：α=0.250 9,αt=0.748 2，Mu=1 676 kN·m>Mmax=1 529.59 kN·m ,滿足強(qiáng)度要求。

2.2.3 圍檁和內(nèi)支撐的強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼板樁圍堰采用4層內(nèi)支撐，每層內(nèi)支撐布置形式一致，內(nèi)支撐主要由圍檁和角支撐組成，其布置原則是合理受力，利于施工。其布置圖如圖2所示，圍檁由雙拼H型鋼組成，最大跨度為6.4 m，其主要承受支撐處鋼板樁傳遞的土壓力，即沿圍檁外側(cè)連續(xù)分布的鋼板樁支反力。根據(jù)開挖過程中防護(hù)樁的計(jì)算，圍檁的受力按照支反力進(jìn)行設(shè)計(jì)。本方案實(shí)際上有4道圍檁支撐，因方案采用的4道圍檁都采用同樣的結(jié)構(gòu)，只對(duì)受最大支反力的圍檁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。由圖4可知，最大支反力為2 007.01 kN，則圍檁所受均布荷載為q=2 007.01 kN/6.3 m=319 kN/m。采用有限元midas Civil建模分析,得到圍檁和角支撐的應(yīng)力分析如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，圍檁的最大正應(yīng)力：σ=149.6 MPa< [σ] = 245 MPa;內(nèi)撐的最大正應(yīng)力：σ=196 MPa<[σ] = 245 MPa。

綜上所述，1#墩基坑開挖排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力滿足安全要求。

3鋼板樁圍護(hù)方案

3.1 鋼板樁圍護(hù)的方案設(shè)計(jì)和支護(hù)形式

圖5 圍檁應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖6 角支撐應(yīng)力圖(單位：MPa)

1#墩基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用15 m長Ⅳ型拉森鋼板樁(Q235)對(duì)基坑進(jìn)行防護(hù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)尺寸大于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸不小于1 m，鋼板樁(Q235)圍護(hù)樁打入地下并露出地面不小于0.2 m，然后開挖基坑。1#墩順橋向距基坑中心線22 m放坡開挖，坡率1∶1，放坡開挖5 m至標(biāo)高24.9 m后，坡腳設(shè)第1層拉森鋼板樁防護(hù)，深度15 m。樁基施工完成后，留出2 m作為平臺(tái)，繼續(xù)以1∶1的坡率放坡開挖3.28 m至標(biāo)高21.62 m位置后留出平臺(tái)，再進(jìn)行承臺(tái)拉森鋼板樁圍護(hù)施工。1#墩順橋向基坑開挖及支撐側(cè)面圖如圖7所示。

圖7 1#墩順橋向基坑開挖及支撐側(cè)面圖 (單位：cm)

鋼板樁型號(hào)采用Ⅳ型拉森鋼板樁。鋼板樁圍檁、內(nèi)角支撐采用I45b工字鋼(Q235)，內(nèi)十字撐采用?630 mm鋼管(Q235)，壁厚10 mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)上層和中層采用雙層圍檁，下層采用3層圍檁，工字鋼內(nèi)角支撐位置分別連接在承臺(tái)長邊1/4和短邊1/3處，鋼管內(nèi)十字支撐設(shè)在承臺(tái)長邊角撐旁和短邊中心。內(nèi)支撐對(duì)稱設(shè)置，開挖至圍檁及內(nèi)支撐安裝位置時(shí)及時(shí)施作圍檁及內(nèi)支撐，隨開挖深度逐層施工。1#墩鋼板樁圍堰布置和內(nèi)支撐設(shè)置如圖7、圖8所示。

圖8 1#墩鋼板樁圍堰內(nèi)支撐平面圖(單位：cm)

3.2 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)分析

1#墩采用15 m長拉森Ⅳ鋼板樁進(jìn)行圍護(hù)，驗(yàn)算鋼板樁內(nèi)支撐的間距、鋼板樁的入土深度、鋼板樁強(qiáng)度以及圍檁和內(nèi)支撐的受力[1]。

3.2.1 內(nèi)支撐間距驗(yàn)算

根據(jù)手冊(cè)要求，多撐式鋼板樁內(nèi)支撐布置需滿足下式：

(5)

(6)

式中：h為內(nèi)支撐最大布置間距；f為鋼板樁的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》[2]，f =160 MPa；γ為鋼板樁墻后土的重度，γ=18 kN/m3；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka=tan2(45°-φ/2)=0.33,φ為摩擦角；W為所取鋼板樁每延米板面的截面模量，W=2 037 cm3。

代入上述數(shù)據(jù)，計(jì)算得到內(nèi)支撐最大布置間距為6.9 m，大于此次布置的最大間距3.5 m，因此內(nèi)支撐布置間距符合要求。

3.2.2 鋼板樁入土深度驗(yàn)算

(1)計(jì)算作用于鋼板樁上的土壓力強(qiáng)度，并繪出土壓力分布圖，計(jì)算土壓力強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮板樁墻與土的摩擦作用，將板樁墻后被動(dòng)土壓力乘以修正系數(shù)，參照《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》[3]，這里取修正系數(shù)為1.80，計(jì)算模型如圖9所示。

圖9 鋼板樁受力模型圖

(2)計(jì)算板樁墻上土壓力強(qiáng)度等于零的點(diǎn)離基坑底的距離x，在f點(diǎn)鋼板樁墻前的被動(dòng)土壓力等于墻后的主動(dòng)土壓力，其計(jì)算模型如圖10所示。

圖10 鋼板樁計(jì)算模型圖

主動(dòng)土壓力：

(7)

被動(dòng)土壓力：

(8)

式中：Kp=tan2(45°+φ/2)=3，Ka=tan2(45°-φ/2)=0.33。

f點(diǎn)處主動(dòng)土壓力為：Pa=18 kN/m3×(10.6 m+x)×0.33-2×10 kN/m2×0.577。

f點(diǎn)處被動(dòng)土壓力為：Pp=18 kN/m3×3x+2×10 kN/ m2×1.732。

根據(jù)關(guān)系式Pa=1.80Pp，為簡化計(jì)算(偏于安全)，計(jì)算時(shí)不考慮粘聚力c的影響，即18 kN/m3×(10 m+x)×0.33 = 1.8×18 kN/m3×3x，計(jì)算得到x= 0.7 m。

(3)利用邁達(dá)斯建模分析鋼板樁在土壓力的作用下鋼板樁af的最大彎矩Mmax和支反力Ra，Rb，Rc，Rd，Rf。

經(jīng)計(jì)算鋼板樁af的最大彎矩Mmax為34.9 kN·m，f點(diǎn)處支反力Rf為25.7 kN。

(4)計(jì)算鋼板樁的最小入土深度，根據(jù)f點(diǎn)處支反力和墻前凈被動(dòng)土壓力對(duì)e點(diǎn)的力矩相等，則有：

為簡化計(jì)算(偏于安全)，計(jì)算時(shí)不考慮粘聚力的影響，代入數(shù)據(jù)解得y=1.3 m。鋼板樁最小入土深度為t0= x+y= 0.7 m+1.3 m= 2 m，而鋼板樁的實(shí)際埋深應(yīng)在e點(diǎn)之下，參照《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》[3]，所需實(shí)際鋼板樁的入土深度為:t =1.2t0，即t =2.4 m，如圖7所示，鋼板樁實(shí)際入土深度為4.2 m，滿足安全性要求。

3.2.3 鋼板樁強(qiáng)度驗(yàn)算

計(jì)算可知鋼板樁的最大彎矩Mmax為34.9 kN·m，拉森Ⅳ鋼板樁每延米截面模量W為2 037 cm3，最大彎矩下鋼板樁內(nèi)力為σ=Mmax/W=17.1 MPa，小于容許應(yīng)力170 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3.2.4 圍檁受力驗(yàn)算

鋼板樁圍堰采用3層內(nèi)支撐，每層內(nèi)支撐布置形式一致，內(nèi)支撐主要由圍檁、橫撐和角支撐組成，其布置原則是合理受力，利于施工。其布置圖如圖8所示，首先驗(yàn)算圍檁的受力。

圍檁由雙拼或三拼I45b工字鋼焊接組成，其中第1、第2道圍檁采用雙拼，第3道圍檁采用三拼。圍檁最大跨度為l=5.034 m，其主要承受支撐處鋼板樁傳遞的土壓力，即沿圍檁外側(cè)連續(xù)分布的鋼板樁支反力。計(jì)算時(shí)可將其簡化為一個(gè)承受均布力的連續(xù)梁，只需驗(yàn)算承受最大支反力的圍檁即可。

最大彎矩M=(1/8)Rmaxl2=441 kN·m，三拼I45b工字鋼，其截面模量W為4 500 cm3，應(yīng)力為σ=Mmax/W=98 MPa，小于容許應(yīng)力170 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3.2.5 內(nèi)支撐受力驗(yàn)算

綜上所述，1#墩基坑開挖鋼板樁結(jié)構(gòu)受力滿足安全要求。

4放坡開挖方案

4.1 1#墩的順橋向邊坡方案

基坑放坡共設(shè)四階：一級(jí)邊坡坡比1∶1.75，坡高2.86 m，平臺(tái)寬度2.0 m；二級(jí)邊坡坡比1∶1.75，垂直邊坡高度5.0 m，平臺(tái)寬度為2.0 m；三級(jí)邊坡坡比1∶1.5，垂直邊坡高度5.0 m，平臺(tái)寬度2 m；四級(jí)邊坡坡比1∶1.5，垂直邊坡高度5.0 m，預(yù)留基坑工作寬度2 m?；臃牌麻_挖剖面圖見圖11所示。

圖11 1#墩深基坑順橋向開挖斷面圖(單位：cm)

4.2 1#墩的橫橋向邊坡方案

基坑放坡共設(shè)四階：一級(jí)邊坡坡比1∶1.75，坡高4.36 m，平臺(tái)寬度2.0 m；二級(jí)邊坡坡比1∶1.75，垂直邊坡高度5.0 m，平臺(tái)寬度為2.0 m；三級(jí)邊坡坡比1∶1.5，垂直邊坡高度5.0 m，平臺(tái)寬度2 m；四級(jí)邊坡坡比1∶1.5，垂直邊坡高度5.0 m，預(yù)留基坑工作寬度2 m?；臃牌麻_挖剖面見圖12所示。

4.3 放坡開挖基坑邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)粘性土坡穩(wěn)定性計(jì)算公式：

(9)

式中：Hc為邊坡的臨界高度，即邊坡的穩(wěn)定高度；φs為穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)《土力學(xué)》[4]，查表取100(φs根據(jù)坡度角和內(nèi)摩擦角取得，本基坑坡度角為27°，土的內(nèi)摩擦角取20°)；c為粘聚力，取5 kPa；γ為土的重度，取18 kN/m3。將各取值代入穩(wěn)定性能計(jì)算公式得：Hc=27.78 m>H=18.862 m，滿足要求。

根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件分析可知基坑邊坡開挖四面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3，滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[5]邊坡穩(wěn)定性要求。

綜上所述，1#墩基坑放坡開挖邊坡受力滿足安全要求。

圖12 1#墩深基坑橫橋向開挖斷面圖(單位：cm)

5 結(jié)束語

經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析，三種方案支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形均滿足要求。排樁支護(hù)中，鉆孔灌注樁的施工工序多，而且灌注混凝土后，必須達(dá)到一定強(qiáng)度才能起到支護(hù)作用，從而施工進(jìn)度慢，且造價(jià)高。在鋼板樁施工中，受工程地質(zhì)的影響，鋼板樁的打入難度大，開挖深度大，且拉森鋼板樁的費(fèi)用高。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)及水文條件，放坡開挖不僅施工難度小，經(jīng)濟(jì)投資低，而且在設(shè)計(jì)中采用多級(jí)放坡安全性大，還可以在平臺(tái)堆放適當(dāng)?shù)慕ㄖ牧?，有利于縮短施工工期。綜合工程的技術(shù)可靠性、造價(jià)、工期、對(duì)環(huán)境的影響、施工難度等因素，最終本工程選擇放坡開挖。

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收稿日期：2016-04-21

作者簡介：鄧剛(1984—)，男，工程師，主要從事橋梁施工與監(jiān)控方面的技術(shù)工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.014

中圖分類號(hào)：U443.13

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)04-0052-06

On the Comparison and Choice of Different Construction Schemes for Deep Foundation Pits for the Yao Village Bridge

Deng Gang

(18th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Tianjin 300222,China )

Abstract:The excavation support for deep foundation pits may be influenced by hydrological and geological conditions,and its environmental conditions.With the support for the foundation pit of the pier of the Yao Village Bridge as the object of our research, and with the geological characteristics of the project taken into account,made in the paper are several construction schemes,namely,the pile row retaining,maintaining with steel sheet piles and the slope excavation.Then,the various construction schemes are compared and analyzed,upon the basis of which the stress and deformation of the support system,in the course of the excavation for the foundation pit, are analyzed and examined in combination with the finite element numerical analyses.After a comprehensive consideration of the difficulty in the construction, economy,safety,construction duration and other factors of the project,the slope excavation scheme is finally chosen for the project.

Key words:deep foundation pit;supporting structure;numerical analysis;scheme comparison