軟土深基坑中雙排樁臨時支護(hù)與永久結(jié)構(gòu)結(jié)合的應(yīng)用與探討

聶耳清

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

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軟土深基坑中雙排樁臨時支護(hù)與永久結(jié)構(gòu)結(jié)合的應(yīng)用與探討

聶耳清

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

水利工程施工中,由于周邊建筑物影響,沒有場地條件進(jìn)行自然放坡開挖需要臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)來形成基坑,基坑的臨時支護(hù),一般在主體工程完工后,就已完成其功能使命,失去效用。該文以廣東某深厚軟基水閘工程為例,施工期利用雙排樁進(jìn)行水閘基坑支護(hù),運(yùn)行期繼續(xù)作為上下游連接段翼墻的基礎(chǔ)部分發(fā)揮效用,探討雙排樁臨時支護(hù)與永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐證明,計算模型結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較接近,對類似工程有一定的參考價值。

軟土深基坑；雙排樁支護(hù)；臨時支護(hù)與永久結(jié)構(gòu)結(jié)合

1 概述

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是深基坑支護(hù)中常用的一種支護(hù)形式,它是由前、后排兩排平行的鋼筋混凝土樁及樁頂?shù)墓诹杭斑B梁組成的框架式空間結(jié)構(gòu)[1]。水閘工程中,需要的施工空間較大,雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)由于不需要架設(shè)內(nèi)支撐,方便水閘的施工及基坑的形成。雙排樁具有較大的側(cè)向抗彎剛度,能有效的限制側(cè)向變形,適用對于周邊有密集建筑物的場地。一些學(xué)者已經(jīng)對雙排樁的作用機(jī)理做過很多的研究和總結(jié),其中多數(shù)是將雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)簡化成平面計算橫型,不同的是在模擬樁土間作用、樁底約束及前后排樁土壓力計算上不同。有學(xué)者[2]對各種計算模型作過總結(jié),認(rèn)為采用土彈簧來模擬前后排樁間土作用,前排樁基基坑底面以下采用土彈簧來提供抗力[3],彈簧剛度系數(shù)根據(jù)m法來求,后排樁受到主動土壓力的計算模型較為合理。廣東某已建成水閘工程施工期采用雙排樁進(jìn)行基坑支護(hù),并利用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)作為翼墻的基礎(chǔ),繼續(xù)發(fā)揮效用,本文通過上述模型對雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)及永久的翼墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析,并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2 計算模型

本文的計算模型是基于Winkler假定而提出的一種計算方法。雙排樁支護(hù)采用門式框架桿系模型進(jìn)行,排樁之間土體的作用以土彈簧模擬,彈簧系數(shù)K=Es/H(Es為土體的壓縮模量,H為樁間土土層厚度)[4]。前排樁入土段亦采用土彈簧進(jìn)行模擬,彈簧系數(shù)根據(jù)m法進(jìn)行計算。本模型假定主動土壓力全部作用于后排樁上,土壓力通過前后排樁間的土彈簧進(jìn)行傳遞。該模型,設(shè)置土彈簧模擬土體與前后排樁的相互作用,避免了人為分配前后排樁的土壓力荷載,與現(xiàn)行《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 120—2012)推薦的計算方法基本一致。

圖1 雙排樁計算模型示意

采用ANSYS對雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算,土彈簧采用COMBIN 14單元模擬,灌注樁采用BEAM 18單元模擬。

3 工程概況

廣東省某水閘,1孔,單孔凈寬60 m,采用升臥式翻板閘門,由于閘門開啟時臥于閘底板上,底板厚度較大,基坑開挖深度較大,緊臨水閘右岸有一廠房,需要進(jìn)行基坑支護(hù),基坑深度達(dá)13.5 m。該水閘工程地質(zhì)情況復(fù)雜,淤泥層厚,呈流塑狀,含水量高。場地地基土分布及物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 地層結(jié)構(gòu)及土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4 基坑支護(hù)方案

據(jù)勘察資料,淤泥含水量達(dá)到72.9%,高壓縮性,呈流塑狀,天然承載力40～70 kPa,承載力低。

本工程基坑底高程為-11.5 m,路面高程為2.0 m,基坑深度達(dá)到13.5 m。路面距基坑有一定距離,自然坡度為1∶5,自然坡到基坑邊的高程為-3.0 m,基坑垂直開挖高度達(dá)到8.5 m。由于基坑深度較大,且地質(zhì)條件較差,為深厚淤泥層,采用常規(guī)的鋼板樁支護(hù)、單排鋼性樁支護(hù)難以承受如此大的水平側(cè)向土地壓力,同時基坑為非封閉的開放式基坑,沒用條件采用排樁加支撐的支護(hù)方式,故考慮采用雙樁樁進(jìn)行支護(hù)方案。

施工期采用雙排灌注樁對基坑進(jìn)行支護(hù),并對雙排樁樁間淤泥采用攪拌樁進(jìn)行加固,置換率達(dá)到25%；主體工程完成后,利該雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)新建擋土墻。施工期支護(hù)斷面及擋土墻結(jié)構(gòu)斷面詳見圖2和圖3。

5 計算分析

5.1 計算參數(shù)取值

模型中淤泥層的取值直接影響到計算結(jié)果。

淤泥層入土段彈簧系數(shù)根據(jù)m法計算,m值根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 120—2012)公式4.1.6式計算得淤泥層m值為0.62 MN/m4；前后排樁樁間淤泥采用攪拌樁進(jìn)行加固,置換率為25%,攪拌樁樁體Es=100fcu=32 MPa,按百分占比計算得加固后土體Es=8.91 MPa。

圖2 施工期支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面

圖3 完工后擋土墻結(jié)構(gòu)斷面

5.2 樁徑選擇

深基坑鉆孔灌注支護(hù)中,常用的樁徑有1.0 m和1.2 m樁徑。本文選取該兩種樁徑進(jìn)行比選?？紤]前后兩排均采用密排布置進(jìn)行模擬分析,計算工況選取施工期支護(hù)工況。水平位移及內(nèi)力計算結(jié)果見圖4和圖5。由結(jié)果云圖可知,1 m樁徑的最大水平位移為64.4 mm,樁體最大變矩為1 960 kN·m；1.2 m樁徑的最大水平位移為48.1 mm,樁體最大變矩為2 580 kN·m。1 m樁徑的水平位移較大,由于樁徑較小,計算出的最大彎矩值較小。雖然相對1.2 m樁徑,1.0 m樁徑的工程投資較優(yōu),但考慮到基坑周邊有廠房,64.4 mm的位移偏大,為安全起見,選取1.2 m樁徑。

5.3 樁間矩選擇及排間選擇

1) 樁距分析

由于本工程淤泥為流塑狀,為防止淤泥從樁間流出,前排樁采用密排布置,后排樁間距選取密排布置,2d(樁徑)及3d(樁徑)3種方案進(jìn)行分析。比選工況選取施工期支護(hù)工況。后排樁密排布置計算結(jié)果見圖6和圖7；計算結(jié)果對比見表2。

表2 后排樁不同樁距計算結(jié)果對比

圖4 1 m樁徑位移云圖

圖5 1 m樁徑彎矩云圖

圖6 1.2 m樁徑位移云圖

圖7 1.2 m樁徑彎矩云圖

由表2可知,2d樁距及3d樁距整體位移過大,且后排樁彎矩較大,經(jīng)比選,選擇水平位移較小密排布置方案。

2) 排距選擇

排距選擇,已有不少學(xué)者做過研究,本文不在進(jìn)行比選,樁距選擇采用參考文獻(xiàn)4中的建議值,取5d(樁徑)[1]。

6 計算結(jié)果

根據(jù)上述分析成果,施工期采用雙排灌注樁支護(hù)樁徑為1.2 m,前后排樁均采用密排布置,排距為 6 m；支護(hù)樁施工完成后,先澆筑擋墻底板作為前后排樁的連系結(jié)構(gòu),等基坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)完工回填完成后,澆筑擋墻面板并填土至設(shè)計高程。擋墻底板頂高程為-3.0 m,擋墻墻頂高程為1.0 m,墻高為4 m。結(jié)構(gòu)斷面見圖2和圖3。

本文采用ANSYS軟件建模進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移計算。施工期支護(hù)計算結(jié)果見圖6和圖7；完工后擋墻結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見圖8和圖9。

計算結(jié)果統(tǒng)計表見表3。施工期水平位移與完工后水平位移相差不大,均小50 mm,樁身彎矩略有變小。兩種工況計算結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

圖8 完工后位移云圖

圖9 完工后彎矩云圖

表3 各工況計算成果

7 實(shí)測結(jié)果

施工開挖過程中,在前后樁各布置一個測斜管觀測樁體水位位移,由于觀測費(fèi)用有限,沒有對樁體的內(nèi)力進(jìn)行觀測。觀測結(jié)果見圖10和圖11(注：圖中每條每條曲線代表一個觀測日期的數(shù)據(jù))。

圖10 前排樁測斜孔實(shí)測值

圖11 后排樁測斜孔實(shí)測值

擋墻填土至設(shè)計高程后,對擋墻墻頂位移進(jìn)行觀測,墻頂水平位移基本穩(wěn)定在38.9 mm附近。計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果見表4。實(shí)測水平位移曲線與計算位移曲線走勢基本一致,最大水平位移計算值均比實(shí)測值大了10 mm左右,計算精度滿足設(shè)計要求,表明本次選取的計算模型對實(shí)際情況模擬度較好。

表4 計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

8 結(jié)論與建議

本文通過對雙排支護(hù)樁樁徑及樁距的選取進(jìn)行了對比分析,對雙樁排臨時支護(hù)與永久結(jié)構(gòu)結(jié)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算并與實(shí)測結(jié)果對比分析,主要結(jié)論與建議如下：

1) 本文選取的計算模型以土彈簧模擬樁間土的作用是合理的,對實(shí)際情況模擬滿足工程精度要求。

2) 本工程淤泥為流塑狀,含水量高,敏感性高,施工時應(yīng)盡量減少對該土層的擾動,本文采用雙排樁進(jìn)行支護(hù),有效減少了對淤泥的開挖和擾動,永久擋墻對臨時支護(hù)進(jìn)行了有效的利用。工程建成后,永久擋墻運(yùn)行穩(wěn)定良好,為相關(guān)類似工程積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

3) 增加樁徑,能在一定程度上減少結(jié)構(gòu)的整體水平位移,但會較大幅度的提高工程投資,在選取樁徑時應(yīng)綜合考慮安全與經(jīng)濟(jì)的最大化,必要時對前后排樁選取不同樁徑進(jìn)行比選。

4) 對于流塑性淤泥,由于樁間土無法形成土拱效應(yīng),建議前排樁密排布置,防止淤泥從樁間空隙流出。

[1] 王昱蘅,董必昌,馮曉臘,等.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力參數(shù)影響分析[J].科技導(dǎo)報,2009(14):64-68．

[2] 馬鄖,徐光黎.深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計算方法及工程應(yīng)用[J].人民長江,2012(10):20-23．

[3] 陳小惠.錨桿排樁深基坑圍護(hù)工程實(shí)踐[J].廣東水利水電,2004(S2):46-47．

[4] 何亞飛,楊敏.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算模型對比分析[J].低溫建筑技術(shù),2009(9):109-111.

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Application and Discussion of Double-row Piles Temporary Supporting Combined with Permanent Structures in Deep Soft Clay Foundation Pit

NIE Er’qing

(Guangdong Water Power Investigation and Design Institute, Guangzhou 510635, China)

During water conservancy construction, due to the influence of surrounding buildings, there is no condition to form a foundation pit by large-scale excavation, so the temporary supporting structure is used in this case. Usually the temporary supporting structure will lose its function when the main project is completed. Through an engineering case of deep soft clay foundation sluice in Guangdong Province, which supporting the temporary foundation pit by double-row piles structure, and also use the double-row pile structure as the foundation of the upstream and downstream wing wall to explore the application experience of combine with double-row piles temporary support structure and permanent structure. Practice has proved that, the calculation model result closer by the measured result, it has reference value for similar project.

deep soft clay foundation pit； double-row piles supporting；combine with temporary supporting structure and permanent structure

2016-05-16;

2016-06-06

聶耳清(1985),男,碩士,工程師,從事水工結(jié)構(gòu)工程設(shè)計工作。

TU471+.8

B

1008-0112(2016)06-0018-04