軟土地區(qū)鋼板樁支護結(jié)構(gòu)在深基坑中的應(yīng)用及計算分析

楊 毅

(中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引 言

鋼板樁是一種帶鎖口或鉗口的熱軋(或冷彎)型鋼,靠鎖口或鉗口相互連接咬合,形成連續(xù)的鋼板樁墻,用來擋土和擋水,具有高強、輕型、施工快捷、環(huán)保、美觀、可循環(huán)利用等優(yōu)點。鋼板樁支護結(jié)構(gòu)由打入土層中的鋼板樁和必要的支撐體系組成,以抵抗水、土壓力并保持周圍地層的穩(wěn)定,確保地下工程施工的安全[1]。

本文以某軟土地區(qū)深基坑支護為例,對鋼板樁及橫向鋼支撐進行內(nèi)力分析,并對支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、抗踢腳穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性、抗流土穩(wěn)定、抗突涌穩(wěn)定、嵌固深度等內(nèi)容進行了驗算。同時,介紹了該深基坑支護的設(shè)計方案,以期為類似工程提供參考。

1 工程背景概況

某公路與既有鐵路交叉,其主道和輔導采用同層高架上跨鐵路,人非通道分左右兩側(cè)下穿鐵路。人非通道單側(cè)寬6 m,單側(cè)長均為314 m,其中U槽段長304 m,框架段長10 m。左側(cè)人非通道基坑最大開挖深度6.44 m,右側(cè)人非通道基坑最大開挖深度6.52 m。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

地形地貌:長江三角洲沖積平原,地形平坦,地勢開闊。

地層巖性:工點范圍內(nèi)地層自上而下分別為:

1a雜填土:灰黃色,濕,松散～稍密,層厚2.40～4.70 m;Ⅱ級普通土。

1-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層:灰色,流塑,層厚3.20～9.80 m;基本承載力σ0=70 kPa,Ⅱ級普通土。

1-2c粉砂層:灰色,飽和,稍密,層厚3.30～8.20 m;基本承載力σ0=90 kPa;Ⅰ級松土。

2-1粉砂層:灰黃色～灰色,飽和,中密,層厚13.70～20.00 m;基本承載力σ0=130 kPa,Ⅰ級松土。

水文地質(zhì):工點區(qū)域內(nèi)無地表水。地下水主要類型為潛水及弱承壓水,潛水主要賦存與淺部松散地層中,其主要補給源為大氣降水、人工用水、地表徑流,主要以蒸騰作用排泄;弱承壓水主要分布于中下部砂性土層中,主要接受地表水及大氣降水補給;地下水水位埋深0.95～2.96 m,地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具化學侵蝕環(huán)境,環(huán)境作用等級為H1。

基本地震動峰值加速度:地震動峰值加速度為0.10g,抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度,特征周期0.35 s。

3 基坑支護設(shè)計方案

綜合考慮目前基坑深度、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、建設(shè)工期等因素,對基坑開挖采用兩種支護形式:

(1) K5+460-K5+482及K5+755-K5+774段兩側(cè)基坑開挖深度≤2.5 m,采用放坡開挖,坡率為1∶1,坡面采用5 cm水泥砂漿抹面。

(2) K5+482-K5+755段兩側(cè)基坑開挖深度>2.5 m,采用鋼板樁+鋼圍檁+內(nèi)支撐的支護方式。鋼板樁采用熱軋U型鋼板樁,型號為400 mm×170 mm。鋼圍檁采用雙拼H型鋼,型號為400 mm×400 mm×13 mm×21 mm。內(nèi)支撐選用鋼管支撐,設(shè)在距原地面1.0 m處,水平間距3.5 m,型號為φ609 mm,t=16 mm。其中K5+587-RK5+657段兩側(cè)基坑開挖深度>5 m,需對鋼支撐施加210 kN的軸向預加力。

采用井點降水將基坑內(nèi)側(cè)水位降至基坑底面以下1.0 m。在基坑頂部設(shè)置截水溝,地表裂縫處應(yīng)予封堵,注意排走地勢低凹處的積水,防止地表水流入基坑內(nèi)和沖刷基坑；并在基坑內(nèi)設(shè)置排水溝,及時排除滲水。施工斷面如圖1所示。

圖1 代表性斷面示意圖(單位：cm)

4 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

4.1 計算方法

內(nèi)支撐簡化為彈簧支座,基坑內(nèi)開挖面以下的土體亦采用彈簧進行模擬,而基坑外土體的水土壓力則視為外部荷載施加于地基梁上,從而通過桿系有限元的方法即可計算彈性地基梁的內(nèi)力和變形[2]。

鋼板樁嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力采用m法,鋼板樁基坑外側(cè)主動土壓力采用庫侖法。鋼板樁傳至內(nèi)支撐的荷載取鋼板樁結(jié)構(gòu)分析時得出的支點力[3]。

支護結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮的設(shè)計工況包括:工況1，基坑開挖1.5 m;工況2，加內(nèi)支撐;工況3，基坑開挖6.52 m。

4.2 計算參數(shù)

4.2.1 鋼板樁尺寸及參數(shù)

鋼板樁長H=17.02 m,其中嵌固深度10.5 m。鋼板樁截面面積A=242.5 cm2,慣性矩I=38 600 cm4,抗彎模量W=2 270 cm3,抗彎強度f=215 MPa。

4.2.2 地層參數(shù)

1a雜填土:重度γ=19.7 kN/m3;黏聚力c=28.0 kPa,內(nèi)摩擦角φ=10°,地基系數(shù)m取3.8 MN/m4,層厚2.87 m。

1-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層:重度γ=18.2 kN/m3;黏聚力c=11.7 kPa,內(nèi)摩擦角φ=11.3°,地基系數(shù)m取2.59 MN/m4,層厚8.39 m。

1-2c粉砂層:重度γ=19.3 kN/m3;黏聚力c=5.0 kPa,內(nèi)摩擦角φ=26.6°,地基系數(shù)m取11.99 MN/m4,層厚5.54 m。

2-1粉砂層:重度γ=19.4 kN/m3;黏聚力c=9.0 kPa,內(nèi)摩擦角φ=30.2°,地基系數(shù)m取16.12 MN/m4,層厚17.34 m。

4.2.3 其他參數(shù)

基坑外附加荷載按30 kPa的均布荷載計列。降水后基坑內(nèi)側(cè)地下水深度7.52 m,基坑外側(cè)地下水位深度1.42 m。

4.3 內(nèi)力計算

分別對工況1、工況2、工況3進行計算分析,得出工況3為最不利情況,根據(jù)計算結(jié)果繪制鋼板樁樁身內(nèi)力位移包絡(luò)圖，如圖2所示。

圖2 樁身內(nèi)力位移包絡(luò)圖

分析可知:基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩363.12 kN·m,基坑外側(cè)最大彎矩174.81 kN·m,最大剪力153.44 kN。樁身最大水平位移為40.25 mm,內(nèi)支撐最大支反力為501.30 kN。

4.4 鋼板樁截面驗算

支護結(jié)構(gòu)構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計,作用基本組合的綜合分項系γF=1.35[3],支護結(jié)構(gòu)的安全等級采用二級,結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)γ0=1.0[3]。

基坑內(nèi)側(cè)設(shè)計彎矩Mn=1.0×1.25×363.12=453.9 kN·m;基坑外側(cè)設(shè)計彎矩Mw=1.0×1.25×174.81=218.51 kN·m。

σn=MnW=453.9 kN·m2 270 cm3=199.96 MPa<215 MPa

σw=MwW=218.51 kN·m2 270 cm3=96.26 MPa<215 MPa

基坑內(nèi)、外側(cè)最大彎矩處的正應(yīng)力均滿足鋼板樁抗彎強度。

4.5 嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗算

嵌固段作用在鋼板樁上的分布土反力按下式計算:

ps=ksν+ps0,ks=m(z-h)[3]

分別對3種設(shè)計工況下的嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力進行驗算:

工況1:Ps=1 833.15 kN≤Ep=4 694.92 kN;工況2:Ps=1 796.38 kN≤Ep=4 694.92 kN;工況3:Ps=1 704.76 kN≤Ep=2 068.65 kN。均滿足要求。

5 支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算

5.1 整體穩(wěn)定驗算

支護結(jié)構(gòu)的強度較高,滑動面不易穿過支護結(jié)構(gòu)而發(fā)生滑動破壞,而只能從樁底或樁底以下一定深度處滑動,且基坑地處深厚軟土場地,因此基坑發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性仍高[2]。

采用瑞典條分法進行整體穩(wěn)定性驗算,每個土條寬取0.4 m,支護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性應(yīng)滿足下式要求[4]:

KR=MRMS≥1.3

以錨固點為坐標原點,通過計算,滑裂面圓弧半徑R=16.292 m,圓心坐標X=-1.868 m,圓心坐標Y=5.633 m。整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.328> 1.3,整體穩(wěn)定驗算滿足要求。

5.2 抗踢腳穩(wěn)定驗算

內(nèi)支撐以下的鋼板樁在主被動區(qū)水土壓力的作用下有可能產(chǎn)生以內(nèi)支撐支點為圓心的轉(zhuǎn)動破壞,即踢腳破壞。驗算踢腳穩(wěn)定破壞,主要是驗算內(nèi)支撐以下主、被動區(qū)繞最下道支點的轉(zhuǎn)動力矩是否平衡[2]。

支護結(jié)構(gòu)嵌固穩(wěn)定性應(yīng)滿足下式要求,其中Kem取值1.2。

EpkZp2EakZa2≥Kem

通過計算,嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)=25697.20/19375.09=1.326>1.2,抗踢腳穩(wěn)定驗算滿足要求。

5.3 抗隆起穩(wěn)定驗算

土體從支護構(gòu)件底端以下向坑內(nèi)隆起擠出,即隆起失穩(wěn)破壞。這是一種土體喪失豎向平衡狀態(tài)的破壞模式,由于內(nèi)支撐只能對支護結(jié)構(gòu)提供水平方向的平衡力,對隆起破壞不起作用,只能通過增加擋土構(gòu)件嵌固深度來提高抗隆起穩(wěn)定性[2]。

(1) 坑底的抗隆起穩(wěn)定性應(yīng)滿足下式要求,其中Khe取值1.6。

γm2DNq+cNcγm1(h+D)+q0≥Khe

通過計算,隆起安全系=(18.806×10.500×18.824+9.000×30.625)/(18.826×(6.520+10.500)+30.000)=11.393>1.6,抗隆起驗算滿足要求。

(2)坑底以下為軟土時,以內(nèi)支撐支點為轉(zhuǎn)動軸心的圓弧滑動模式下的抗隆起穩(wěn)定性應(yīng)滿足下式要求,其中KRL取值1.9。

∑[cjlj+(qjbj+ΔGj)cosθjtanφj]∑(qjbj+ΔGj)sinθj≥KRL

通過計算,以最下層支點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定安全系數(shù)=2.698>1.9,抗隆起穩(wěn)定驗算滿足要求。

5.4 抗流土穩(wěn)定驗算

由于基坑內(nèi)降水,形成坑內(nèi)外水力坡降較大,在滲流壓力的作用下,發(fā)生流土的可能性則應(yīng)予以考慮,抗流土穩(wěn)定驗算應(yīng)滿足下式要求,其中Kf取值1.5[2]。

(2ld+0.8D1)γ'Δhγω≥Kse

通過計算,流土穩(wěn)定性安全系數(shù)=(2×10.55+0.8×5.1)×8.87/(6.1×10)=3.662>1.5,抗流土穩(wěn)定驗算滿足要求。

5.5 抗突涌穩(wěn)定驗算

以壓力平衡理論為基礎(chǔ),坑底以下有水頭高于坑底的承壓水含水層,且未用截水帷幕隔斷其基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系,承壓水作用下的坑底突涌穩(wěn)定性應(yīng)滿足下式要求,其中Ktf取值1.1[2]。

Dγ(Δh+D)γω≥Kty

通過計算,突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)=4.8×18.214/60=1.457>1.1,抗突涌穩(wěn)定驗算滿足要求。

5.6 嵌固深度構(gòu)造驗算

對單支點支擋式結(jié)構(gòu),要求擋土構(gòu)件的嵌固深度不小于0.3倍的基坑深度[3]。

嵌固構(gòu)造深度=嵌固構(gòu)造深度系數(shù)×基坑深度=0.3×6.52=1.956m。鋼板樁嵌固深度采用值10.5 m>1.956 m,滿足構(gòu)造要求。

6 基坑監(jiān)測

6.1 監(jiān)測內(nèi)容

基坑工程的監(jiān)測項目與基坑工程設(shè)計、施工方案相匹配。針對監(jiān)測對象的關(guān)鍵部位,做到重點觀測、項目配套并形成有效的、完整的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。主要監(jiān)測內(nèi)容包括:深層土體水平位移;圍護樁頂部水平位移及沉降;坑外地下水位的監(jiān)測;鋼支撐軸力;以及周圍環(huán)境的監(jiān)測(周圍道路路面、地下管線設(shè)施的沉降、變形)。

6.2 監(jiān)測報警界限

基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場巡查結(jié)果應(yīng)及時整理和反饋。當出現(xiàn)下列危險征兆時應(yīng)立即報警:鋼板樁頂部水平位移為26 mm,變形速率連續(xù)3 d大于3 mm/d;深層土體位移為40 mm,變形速率連續(xù)3 d大于3 mm/d;內(nèi)支撐軸力值允許值為2 000 kN,報警值為1 600 kN;坑外水位沉降速率大于500 mm/d或累計1 000 mm;周邊一般市政地下管線報警界限應(yīng)根據(jù)管線單位及有關(guān)部門要求確定;周邊道路路面沉降50 mm。

7 結(jié)束語

對于軟土地區(qū)開挖深度超過5 m的深基坑,通過井點降水將基坑內(nèi)側(cè)水位降至基坑底面以下1.0 m,采用鋼板樁+鋼圍檁+內(nèi)支撐的支護方式,并加強基坑監(jiān)測,能達到較好的支護效果和經(jīng)濟效益。該方案具有一定的參考價值。