改良的鋼頂撐在深厚軟土基坑中的應(yīng)用

史紅福

廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 510060

引言

隨著地下工程建設(shè)數(shù)量逐漸增加，常遇到深厚軟弱土層中的地下結(jié)構(gòu)、風(fēng)險(xiǎn)等級較高的周邊環(huán)境，給工程建設(shè)增加了難度，并且出現(xiàn)了很多與基礎(chǔ)開挖和支撐有關(guān)的巖土工程問題。在深基坑開挖過程中，選擇合適的圍護(hù)結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。目前，基坑圍護(hù)型式主要有鋼板樁［1］、SWM工法樁、鉆孔灌注樁、連續(xù)墻及其他的復(fù)合型式。內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土支撐［2］和鋼支撐為主，支撐剛度及受力型式是選擇支撐類型的重要因素。鋼筋混凝土支撐為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，與冠梁、圍護(hù)結(jié)構(gòu)融為一個(gè)整體，連接性好，平面剛度大，結(jié)構(gòu)變形小，可有效保護(hù)基坑周邊建筑物和地下管線安全，但鋼筋混凝土支撐施工速度慢，不利于重復(fù)利用。鋼支撐與鋼筋混凝土支撐相比，有安裝和拆除方便、施工速度快、可以重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有的無冠梁鋼頂撐只能承擔(dān)壓力，不能承擔(dān)拉力，因此需要一種能同時(shí)承擔(dān)壓力與拉力的鋼頂撐來滿足工程需要。

本文結(jié)合具體工程，對無冠梁的鋼板樁+鋼頂撐基坑支護(hù)的試驗(yàn)段結(jié)果進(jìn)行分析，并利用有限元對其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算［3］。經(jīng)有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在深厚軟土層地質(zhì)情況下，基坑在開挖過程中第一道支撐在承受壓力的同時(shí)會出現(xiàn)拉力。為適應(yīng)這種工程需要，對無冠梁的第一道鋼頂撐進(jìn)行改良。

1 工程概況

本工程位于中山市翠亨新區(qū)翠海道，北起1號路，南至和忠路，為一四艙綜合管廊項(xiàng)目，管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為11.35m × 4.5m，全長約8.3km，本地塊位于臨海島嶼，如圖1 所示。

圖1 綜合管廊位置總平面Fig.1 General plan of comprehensive pipe gallery location

本工程所處位置為深厚軟土層，標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)覆土厚約3.0m，現(xiàn)有地面比設(shè)計(jì)地面低約1.1m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約6.4m?；庸こ虒φ麄€(gè)項(xiàng)目工程造價(jià)影響很大，為了控制造價(jià)減少投資，考慮施工快捷、便利，在分段施工、快速回填的原則下標(biāo)準(zhǔn)段基坑擬采用無冠梁、18m 鋼板樁+兩道鋼支撐支護(hù)方案。鋼支撐與鋼腰梁進(jìn)行可靠的連接，鋼板樁底懸空在深厚淤泥土層中，穩(wěn)定性計(jì)算無法滿足《建筑基坑支護(hù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）的要求，設(shè)計(jì)考慮先行實(shí)施試驗(yàn)段以驗(yàn)證本方案的可行性。

試驗(yàn)段施工過程如圖2 所示。通過施工現(xiàn)場及監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，基坑頂部有明顯的向基坑外側(cè)的水平位移，鋼頂撐承擔(dān)拉力，設(shè)計(jì)的無冠梁鋼頂撐失去作用，加上鋼板樁長度不足引起鋼板樁底部發(fā)生了較大的“踢腳”變形。在沒有鋼筋混凝土冠梁的情況下，為了解決這一問題，本工程對第一道鋼頂撐進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在承擔(dān)壓力的同時(shí)承擔(dān)部分拉力，從而阻礙鋼板樁頂部向外側(cè)的過大位移而引起鋼板樁底部發(fā)生“踢腳”破壞。

圖2 試驗(yàn)段施工Fig.2 Construction of test section construction

2 地質(zhì)條件

根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》，本工程綜合管廊基坑穿過的土層分別為：①2素填土，土層厚度3.5m；②1淤泥，土層厚度31.6m；③1粉質(zhì)黏土，土層厚度1.9m；③4細(xì)砂，土層厚度4.5m。鋼板樁底懸在淤泥層中，土質(zhì)工程參數(shù)見表1。

表1 巖土體參數(shù)取值Tab.1 Parameters of soils

3 改良的鋼支撐設(shè)計(jì)

3.1 基坑支護(hù)方案

根據(jù)試驗(yàn)段及監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，同時(shí)從控制造價(jià)減少投資、施工便利的角度，最終選用無冠梁的18m拉森鋼板樁+鋼支撐［4］的基坑支護(hù)型式。鋼板樁采用密扣拉森Ⅳ型，為保證鋼板樁的銜接牢靠及施工質(zhì)量，采用屏風(fēng)式施打方式。由于淤泥層較厚，鋼板樁底仍懸在淤泥土層中，傳統(tǒng)計(jì)算穩(wěn)定性不足，從而使得第一道支撐有顯著地向坑外側(cè)位移的傾向，坑底變形較大。為增加基坑內(nèi)被動土壓力，基坑內(nèi)側(cè)考慮采用φ850@600鋼構(gòu)式的三軸水泥攪拌樁對坑底進(jìn)行加固，加固有效樁長為6m。基坑剖面如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)剖面Fig.3 Section of foundation pit support

3.2 傳統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012），周邊環(huán)境較空闊，本基坑安全等級定為二級。采用傳統(tǒng)計(jì)算方法對基坑進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)合綜合管廊基坑試驗(yàn)段經(jīng)驗(yàn)，以滿足抗傾覆穩(wěn)定（“踢腳”破壞和對支護(hù)樁底取矩）計(jì)算為主要控制指標(biāo)。由于鋼板樁長為18m未穿透深厚軟弱土層，對支護(hù)樁底取距，嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)約為0.90，小于規(guī)范要求安全系數(shù)1.20；坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)約為1.0，小于規(guī)范要求安全系數(shù)1.60；嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)和坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)均不能滿足規(guī)范要求。若使此兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，樁長需穿透深厚軟弱土層，工程造價(jià)將大幅增加。

3.3 有限元法數(shù)值模擬

為了更形象地展現(xiàn)本工程鋼板樁+改良后的鋼支撐的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)［5］，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全、經(jīng)濟(jì)及合理，本文采用Midas GTS NX軟件，按照工程在各種工況下的受力狀況對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。

本工程深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為一長條形，選取標(biāo)準(zhǔn)段標(biāo)準(zhǔn)單元［6］（鋼支撐間距4m）建立三維基坑支護(hù)開挖模型如圖4a 所示。對該模型左右邊界處施加法向約束，底部施加固定約束，頂部為自由面?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)外部受力按照主動土壓力計(jì)算，基坑內(nèi)部受力按照被動土壓力計(jì)算，施工荷載按照附加水平應(yīng)力計(jì)算。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的模擬單元分別為：鋼板樁及鋼支撐均采用二維梁單元模擬［7］。同時(shí)對鋼支撐預(yù)先施加軸向力，其單元參數(shù)按照鋼材參數(shù)選取?；咏Y(jié)構(gòu)內(nèi)外水壓力差采用線性壓力荷載施加在拉森鋼板樁（梁單元）上，為消除邊界影響，取中間一榀進(jìn)行分析，計(jì)算模型如圖4b所示。

圖4 基坑支護(hù)模型Fig.4 Model of foundation pit support

按照施工順序，分別對模型在不同工況下的受力情況進(jìn)行加載模擬計(jì)算，取其最不利工況的鋼板樁彎矩、水平位移及鋼支撐軸力分別如圖5～圖7 所示。

圖5 鋼板樁彎矩（單位：kN·m/m）Fig.5 Bending moment of steel sheet pile（unit：kN·m/m）

圖6 鋼板樁水平位移（單位：m）Fig.6 Horizontal displacement of steel sheet pile（unit：m）

圖7 鋼支撐軸力（單位：kN）Fig.7 Axial force of steel bracing（unit：kN）

計(jì)算結(jié)果顯示，在深厚軟弱土層地區(qū)，鋼板樁承受的彎矩最大值分別為124kN·m和-145kN·m；鋼板樁最大位移值為30.7mm；第一道鋼支撐承受的壓力為軸向拉力，最大軸向拉力為248.53kN，第二道鋼支撐承受的壓力為軸向壓力，最大軸向壓力為1175.88kN。

3.4 改良的鋼頂撐設(shè)計(jì)

從有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在施工過程中，第一道支撐在承受軸向壓力的同時(shí)也要承受部分軸向拉力。第一道鋼支撐傳統(tǒng)上常采用既能承擔(dān)壓力又能承擔(dān)拉力的鋼筋混凝土撐，與冠梁連接成為一個(gè)整體共同受力。然而，鋼筋混凝土撐的施工工期［8］較長，拆除較困難，材料不能重復(fù)利用，成本較高。本工程在傳統(tǒng)第一道混凝土支撐的基礎(chǔ)上改為鋼支撐，在無冠梁的情況下對第一道鋼支撐進(jìn)行改造。在鋼板樁內(nèi)側(cè)鋼圍檁上設(shè)多個(gè)定位螺孔，鋼板樁上設(shè)多個(gè)第一通孔。鋼板樁外側(cè)設(shè)置定位槽鋼，槽鋼上設(shè)多個(gè)第二通孔?？估菟ㄍㄟ^定位螺孔、第一道通孔及第二道通孔，由末端螺母對其進(jìn)行有效連接，從而使得第一道鋼支撐在承受壓力的同時(shí)承受部分軸向拉力。第一道鋼支撐如圖8 所示。

圖8 第一道鋼支撐Fig.8 The first steel bracing

第一道鋼支撐軸向拉力為248.53kN，采用φ609 ×16mm 鋼支撐，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）和《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012），經(jīng)計(jì)算，鋼支撐內(nèi)力為22.91N/mm2，小于規(guī)范抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215N/mm2；螺栓所受的拉力設(shè)計(jì)值為38.83kN，小于規(guī)范抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算值95.33kN；合力強(qiáng)度系數(shù)為0.41，小于規(guī)范1.0 的設(shè)計(jì)要求。

3.5 監(jiān)測結(jié)果分析對比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，加強(qiáng)了在施工過程中對基坑支護(hù)的監(jiān)測，監(jiān)測到鋼板樁水平位移的最大值如圖9 所示。由圖可看出，基坑在實(shí)際開挖過程中，鋼板樁最大水平位移小于有限元分析的結(jié)果，滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019）的限值要求。

圖9 鋼板樁水平位移監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Monitoring results of horizontal displacement of steel sheet pile

4 結(jié)語

通過具體工程的運(yùn)用，驗(yàn)證改良后的鋼頂撐安全有效、施工方便、節(jié)省投資、可重復(fù)利用。工程中使用的無冠梁第一道鋼支撐目前僅適用于基坑深度一般、寬度較窄且結(jié)構(gòu)較簡單的工程中，對于基坑深度較深、平面尺寸較大的基坑，其受力分析尚未得到一個(gè)統(tǒng)一的論證，結(jié)論僅作為一種設(shè)計(jì)參考，為以后的研究奠定基礎(chǔ)，對工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。