筑島圍堰法樁撐基坑支護(hù)全過程力學(xué)分析

王維說 魏奇科

摘 要：筑島圍堰法進(jìn)行干作業(yè)施工樁基礎(chǔ)是在通航條件允許的情況下，進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工有效的方法，為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全和減少其對周邊環(huán)境的影響，考慮空間效應(yīng)和施工過程的作用，采用三維建模對筑島圍堰法樁撐結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全過程力學(xué)計(jì)算分析，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，驗(yàn)證了支護(hù)方案設(shè)計(jì)的合理性，并經(jīng)過了實(shí)際工程的驗(yàn)證，可供類似工程借鑒參考。

關(guān)鍵詞：樁撐結(jié)構(gòu)；深基坑；力學(xué)分析；支護(hù)安全

中圖分類號(hào)：TU473 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

筑島作業(yè)因其成本較低，因此通常在通航條件許可的情況下采用。擬建大橋橋墩采用灌注樁基礎(chǔ)，銀川水洞溝水庫水深較淺，僅為2m～5m，不具備通航條件，大型施工機(jī)械無法通過水運(yùn)進(jìn)入該區(qū)域進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工，水庫沒有通航要求，可以筑島作業(yè)，所以采取筑島圍堰干作業(yè)法進(jìn)行施工。深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括擋土結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)兩部分。支撐結(jié)構(gòu)承受擋土結(jié)構(gòu)所傳遞的土壓力、水壓力等荷載，內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)明顯，通常需要利用三維有限元軟件進(jìn)行力學(xué)分析。鋼材與混凝土支撐相比具有自重輕、利于施工、造價(jià)低、可回收利用及環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，是支護(hù)結(jié)構(gòu)的常用材料，拉森型鋼板樁防水性能好，因而圍堰鋼板樁采用拉森型鋼板樁，內(nèi)支撐擬采用鋼管支撐。為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，需對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程力學(xué)分析。

1 工程概況

工程位于銀川市，基坑采用鋼板樁加四道支撐支護(hù)，位于距樁頂0.5m、3m，5.5m，7.5m處，地下水位為距樁頂1.5m位置，主要土層為飽和粉砂土層，下伏巖層為泥巖，巖土層主要參數(shù)表見表1。

支護(hù)結(jié)構(gòu)平面及立面布置如圖1、圖2所示。鋼材選用Q235B結(jié)構(gòu)用鋼，主要結(jié)構(gòu)截面選用630×10，351×10鋼管及400b、500b工字鋼。

主要施工工序：（1）逐片插打鋼板樁；（2）降水開挖土方至距樁頂1m；（3）安裝第一道圍堰鋼支撐；（4）降水開挖土方至距樁頂3.5m深；（5）安裝第二道鋼支撐；（6）降水開挖土方至距樁頂6m；（7）安裝第三道鋼支撐；（8）降水開挖土方距樁頂8m；（9）安裝第四道鋼支撐；（10）降水開挖土方至承臺(tái)墊層底。

2 計(jì)算原理

計(jì)算軟件采用3D3S，按主要的施工工序（1）、（2）為一個(gè)工況，其他工序單獨(dú)為一個(gè)工況，共有9個(gè)工況建立全過程分析模型，嵌固深度按規(guī)范取0.3倍的開挖深度計(jì)算，嵌固端設(shè)置鉸支座。開挖至距樁頂8m為工況一，設(shè)置好第三道支撐，開挖至距樁頂9m為工況二。

各支撐點(diǎn)處的水平土壓力按朗肯土壓力求得0.5m、3m、5.5m、7.5m處分別為14.5kN/m、45.4kN/m、81.4kN/m、110.2kN/m。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取0.90，標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，基本組合時(shí)，荷載綜合分項(xiàng)系數(shù)取1.25。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

鋼板樁受力主要以受彎為主，最大彎矩在基坑開挖面附近，且工況一的彎矩81.9kN·m，大于工況二59.9kN·m的彎矩，為設(shè)計(jì)的最不利工況。因而及早設(shè)置支撐作用非常明顯，建議在施工中及時(shí)設(shè)置支撐以便減少最不利受力狀態(tài)的時(shí)間。

中間內(nèi)支撐主要受軸力作用，端部由于有角部支撐的存在而變小，工況一支撐的最大軸力4419kN，大于工況二第四道支撐的軸力3995kN。該支護(hù)結(jié)構(gòu)體系空間效應(yīng)明顯，邊角位置由于設(shè)置邊角支撐內(nèi)力較小，中部支撐由于間距大，所以受軸力較大，中部支撐采用較大截面，而角部支撐則可以采用較小的截面形式。

腰梁主要受彎矩作用，腰梁受力狀況基本對稱，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖形的基本對稱相吻合，且每條腰梁的最大正負(fù)彎矩差別不大，從側(cè)面反應(yīng)了支撐布置基本合理，腰梁主要起將外圍土壓力傳遞到支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果分析

各工況結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果見表2、表3。以上驗(yàn)算結(jié)果表明，強(qiáng)度應(yīng)力比、繞2軸整體穩(wěn)定應(yīng)力比、繞3軸整體穩(wěn)定應(yīng)力比均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，滿足規(guī)范要求。強(qiáng)度應(yīng)力比、繞2軸整體穩(wěn)定應(yīng)力比、繞3軸整體穩(wěn)定應(yīng)力比最大值已接近1，因此結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)合理，基本無優(yōu)化空間。

結(jié)語

綜上所述，利用三維程序?qū)又ёo(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全過程進(jìn)行了分析，并且此方案在工程中進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算的合理可靠性。

（1）鋼板樁加鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)可以適用在含有粉砂層地質(zhì)的環(huán)境下，采用筑島圍堰施工，該工藝經(jīng)濟(jì)合理，有較強(qiáng)的適用性。

（2）應(yīng)遵循先撐后挖的程序，及時(shí)做好支撐，有利于減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，減少周邊環(huán)境的影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，做好監(jiān)測工作，如發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)急時(shí)通知設(shè)計(jì)、施工單位采取相應(yīng)措施。

（3）計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力比、繞2軸整體穩(wěn)定應(yīng)力比、繞3軸整體穩(wěn)定應(yīng)力比最大值已接近1，結(jié)構(gòu)在此工況下的基本無可優(yōu)化空間，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

參考文獻(xiàn)

[1]劉念武，龔曉南，俞峰，等.內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)基坑的空間效應(yīng)及影響因素分析[J].巖土力學(xué)，2014（8）：2293-2298，2306.

[2]謝祥明，劉庭金，莫海鴻.深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的三維數(shù)值分析[J].廣東土木與建筑，2006（1）：29-30.

[3]張彥斌.深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)在某工程中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)，2012（5）：38-40，78.

[4]但昭柏.淺談建筑深基坑鋼筋混凝土內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)施工[J].建設(shè)科技，2013（13）：96-97.

[5]陳瑞芳，黑君淼.鋼內(nèi)支撐深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（2）：23-24.

[6]邵權(quán)，徐學(xué)連，徐松，等.深基坑樁錨撐組合支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素的三維數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（S2）：87-91.