拉森鋼板樁加鋼支撐支護(hù)形式設(shè)計(jì)及應(yīng)用

儲(chǔ) 潔

(無錫水文工程地質(zhì)勘察院有限責(zé)任公司，江蘇 無錫 214100)

0 引言

錢七虎院士指出19世紀(jì)是橋的世紀(jì)，20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)，21世紀(jì)是“地下空間”的世紀(jì)。地上空間的日漸不足促使地下空間的開發(fā)利用成為當(dāng)前城市建設(shè)的熱點(diǎn)之一，改造開發(fā)新型地下區(qū)域已成為一種必然，諸如大規(guī)模的地下綜合體、地下商場(chǎng)，以及大量的市政工程如地下停車樓、廢水處置系統(tǒng)、地下綜合管廊等?；庸こ坛尸F(xiàn)出“大、深、緊、近”的特點(diǎn)[1,2]?；右?guī)模越來越大，開挖越來越深，周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，臨近大量管線、建筑物和地鐵等，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和施工風(fēng)險(xiǎn)越來越大。

目前對(duì)于開挖深度小于6.0 m的基坑，若周邊較空曠，大部分都在采用復(fù)合土釘墻支護(hù)和深層攪拌樁止水，這種支護(hù)形式優(yōu)點(diǎn)是工程造價(jià)低、工期短，缺點(diǎn)是變形較大[3]。而對(duì)于開挖深度大于7.0 m的深基坑，傳統(tǒng)的支護(hù)形式是排樁加內(nèi)支撐，這種支護(hù)形式優(yōu)點(diǎn)是變形較小、易控制，缺點(diǎn)是工程造價(jià)高，工期長[4]。由于支護(hù)工程畢竟是臨時(shí)性的工程，支護(hù)結(jié)構(gòu)在安全可靠的前提下允許其有一定的變形，努力使工程造價(jià)最低，實(shí)現(xiàn)投資效益的最大化。拉森鋼板樁加鋼支撐支護(hù)形式就是解決挖深7.0 m～10.0 m深基坑的一種既經(jīng)濟(jì)又安全的方法。

1 拉森鋼板樁加鋼支撐支護(hù)形式的特點(diǎn)

對(duì)于開挖深度在7.0 m～10.0 m的中等深度的基坑，在保證安全的前提下，可以考慮采用拉森鋼板樁加鋼支撐支護(hù)形式。具有下列幾項(xiàng)主要特點(diǎn)：

1)拉森鋼板樁既能擋土又能止水，不需要再單獨(dú)設(shè)置止水帷幕，可節(jié)約工程造價(jià)。

2)拉森鋼板樁施工結(jié)束即可進(jìn)行土方開挖，無需養(yǎng)護(hù)時(shí)間，因此縮短了工期。

3)采用高頻液壓振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境破壞影響較小。

4)拉森鋼板樁可重復(fù)使用，綠色環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益較高。

拉森鋼板樁作為一種高效節(jié)能的綠色環(huán)保支護(hù)形式，適用于受場(chǎng)地等條件限制必須進(jìn)行垂直開挖的地下工程施工。

2 工程概況

本工程位于蘇州工業(yè)園區(qū)某廠區(qū)內(nèi)，現(xiàn)大部為荒地，局部為停車場(chǎng)和廠區(qū)道路，整個(gè)場(chǎng)地地勢(shì)略有起伏。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本地區(qū)第四紀(jì)以來地殼運(yùn)動(dòng)以沉降為主，廣泛接受堆積，形成廣闊單一的堆積平原地貌。第四系地層分布廣，厚度大。

地下構(gòu)筑物為涂裝渣撈取室設(shè)備基坑，基坑大小15.0 m×17.0 m，基坑周長約64.0 m，基坑面積約255.0 m2，開挖深度8.85 m。自然地坪相對(duì)標(biāo)高-0.35 m。

基坑開挖影響深度內(nèi)，場(chǎng)地土層自上而下依次為：

①1素填土：停車場(chǎng)、廠區(qū)道路部位上部為厚約15 cm～30 cm的水泥地坪，下部以回填粘性土為主，灰黃～灰褐色，軟塑狀態(tài)，局部含較多碎石、磚塊，不均勻，回填時(shí)間約9年。

①2素填土：灰黃～黃灰色，軟塑狀態(tài)，局部為灰黑色流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)填土，夾少量碎石、磚塊，不均勻，回填時(shí)間約12年。

②粘土：褐黃～黃褐色，可塑狀態(tài)，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，塊狀結(jié)構(gòu)，較均勻。無搖振反應(yīng)，有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。

③粉質(zhì)粘土：灰黃色，可塑狀態(tài)，含銹斑，尚均勻。無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等。

④1粉土夾粉質(zhì)粘土：灰黃色，稍密狀態(tài)，很濕，局部夾粉質(zhì)粘土較多，不均勻。搖振反應(yīng)中等，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性低。

④2粉土：灰黃～黃灰色，中密狀態(tài)，濕～很濕，局部夾少量粉質(zhì)粘土，不均勻。搖振反應(yīng)迅速，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性低。

⑤粉質(zhì)粘土：灰色，軟塑狀態(tài)，局部夾少量粉土薄層，不均勻。無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等。

⑥1粉土夾粉質(zhì)粘土：灰色，稍密狀態(tài)，很濕，局部以粉質(zhì)粘土為主，不均勻。搖振反應(yīng)中等，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性低。

⑥2粉土：灰色，中密狀態(tài)，濕～很濕，局部夾粉質(zhì)粘土薄層較多，不均勻。搖振反應(yīng)迅速，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性低。

3 基坑周邊環(huán)境

基坑周邊環(huán)境用地較緊，四周均為工程樁或地坪樁，樁頂標(biāo)高-1.90 m，基坑北側(cè)距離工程樁最近3.9 m，基坑南側(cè)距離工程樁最近4.9 m；基坑西側(cè)距離工程樁最近6.3 m；基坑?xùn)|側(cè)距離地坪樁最近1.7 m?；又苓叚h(huán)境示意圖如圖1所示。

4 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

由于基坑距周邊工程樁或地坪樁的距離比較近，所以在確保安全、工期并降低工程造價(jià)原則下，采用放坡與400×170拉森Ⅳ型鋼板樁(L=15.0 m)聯(lián)合，內(nèi)設(shè)二道水平鋼支撐的支護(hù)方式。

由于上部4.0 m為素填土，松散，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的主動(dòng)土壓力，由于基坑距離工程樁或地坪樁還有一定距離，東側(cè)最近約1.70 m，因此對(duì)上部1.50 m進(jìn)行放坡掛網(wǎng)噴漿處理，以最大的限度減少主動(dòng)土壓力?；悠矫嫒鐖D2所示。

5 整體計(jì)算分析

整體計(jì)算采用MIDAS有限元軟件計(jì)算。MIDAS提供了多樣化的建模方式，強(qiáng)大的分析功能，利用最新求解器獲得最快的分析速度。

5.1 基本假設(shè)

1)按平面問題進(jìn)行處理。

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)周邊的被動(dòng)土壓力采用僅受壓彈簧模擬。

3)作用在圍檁上的土壓力按均布荷載考慮。

5.2 計(jì)算模型

嚴(yán)格按照實(shí)際工程原型尺寸進(jìn)行建模，其中圍檁采用梁單元，角撐采用桿單元，建立好的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

5.3 單元材料參數(shù)

圍檁：單根H400×400×13×21型鋼的標(biāo)準(zhǔn)截面面積為21 454 mm2，采用Q235鋼材，材料抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為205 N/mm2。

角撐：H400×400×13×21型鋼，面積21 454 mm2，彈性模量E=2.06 GPa，采用桿單元。

被動(dòng)土壓力彈簧剛度：坑外被動(dòng)土彈簧剛度K=30 000 kN/m。

5.4 計(jì)算結(jié)果及分析

5.4.1基坑整體位移

圖4為支護(hù)結(jié)構(gòu)總位移圖，從圖4中可以看出，基坑第一道支撐總的位移控制在3 mm之內(nèi)。位移最大值為2.8 mm，位于基坑長邊的中間，滿足基坑變形的要求。

圖5為支護(hù)結(jié)構(gòu)總位移圖，從圖5中可以看出，基坑第二道支撐總的位移控制在7 mm之內(nèi)。位移最大值為6.6 mm，位于基坑長邊的中間，滿足基坑變形的要求。

5.4.2支撐桿件內(nèi)力

第一道支撐計(jì)算結(jié)果分析：根據(jù)組合應(yīng)力最大的軸力和彎矩驗(yàn)算圍檁強(qiáng)度：

第二道支撐計(jì)算結(jié)果分析：根據(jù)組合應(yīng)力最大的軸力和彎矩驗(yàn)算圍檁強(qiáng)度：

圍檁強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

該基坑支護(hù)工程自鋼板樁施工至基礎(chǔ)底板完工歷時(shí)3個(gè)月，根據(jù)對(duì)基坑的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，樁頂位移最大在基坑長邊中間，其最大位移為5.8 mm，與設(shè)計(jì)計(jì)算位移基本一致，無險(xiǎn)情發(fā)生，表明上部放坡與400×170拉森Ⅳ型鋼板樁聯(lián)合，內(nèi)設(shè)二道水平鋼支撐的支護(hù)方式在本基坑中的運(yùn)用是成功的，見圖6～圖9。

6 結(jié)語

1)對(duì)于開挖深度在7.0 m～10.0 m的中等深度的基坑，在保證安全的前提下，采用上部放坡與拉森鋼板樁聯(lián)合，內(nèi)設(shè)水平鋼支撐的支護(hù)方式是可行的。

2)拉森鋼板樁作為一種高效節(jié)能的綠色環(huán)保支護(hù)形式，適用于受場(chǎng)地等條件限制必須進(jìn)行垂直開挖的地下工程施工。

3)基坑樁頂變形量軟件計(jì)算分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本保持一致。

4)由于鋼板樁打拔有一定的震動(dòng)，對(duì)于場(chǎng)地環(huán)境特別復(fù)雜，周邊建筑物對(duì)變形要求嚴(yán)格的工程應(yīng)慎用。