拉森鋼板樁在李溪渡泵站基坑圍護(hù)中的應(yīng)用

唐宇鋒,徐學(xué)益

(1.浙江省水利水電建筑監(jiān)理公司,浙江 杭州 310020;2.舟山市水務(wù)局,浙江 舟山 316021)

基坑圍護(hù)方案、形式應(yīng)根據(jù)工程自身的特點及基坑周邊的環(huán)境、基坑等級、工期情況等多種不同的因素,綜合選取最適合的圍護(hù)形式,基坑圍護(hù)形式合理與否將影響到工程建設(shè)的成敗。本工程在復(fù)雜地質(zhì)條件下,為滿足地下室結(jié)構(gòu)土建施工、保證周圍環(huán)境安全可靠、確保工期等的要求下,采取拉森鋼板樁組合圍檁、支撐進(jìn)行基坑圍護(hù)形式,達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理又方便施工,提高工效的目的。

1 工程概況

浙江省舟山大陸引水二期工程Ⅲ標(biāo)寧波陸上段李溪渡取水泵站位于寧波江北區(qū)莊橋李家村;工程項目由主泵房、輔機(jī)房、取水池、箱函等組成。主泵房基坑平面尺寸為14.1m×39.2m,地下室基坑底高程為-4.3 m,局部-4.8m;原地面高程為1.7m,降低高程1.7m,基坑實際開挖深度約4.3m,局部4.8 m,樁基礎(chǔ)為直徑φ600mm的混凝土灌注樁,樁底高程為-39.0～40.5m。西側(cè)緊鄰李溪渡一期泵站,北面為寧波的貨運火車道,南面為姚江。根據(jù)地質(zhì)勘探資料李溪渡泵站地質(zhì)自上而下可分成5個工程地質(zhì)層 (見表1)。

表1 土層物理參數(shù)表

續(xù)表1

2 圍護(hù)設(shè)計及計算

為了保證基坑土方開挖的順利進(jìn)行和施工安全保障,根據(jù)現(xiàn)場施工場地和地質(zhì)勘察報告情況,該工程基坑圍護(hù)均采用拉森鋼板樁組合圍檁、支撐進(jìn)行基坑支護(hù),以達(dá)到基坑開挖圍護(hù)擋土的目的,并減少對西側(cè)李溪渡一期泵站基礎(chǔ)的影響,起到支護(hù)邊坡的作用,本文主要以拉森鋼板樁在主泵房基坑圍護(hù)及挖土的應(yīng)用為例進(jìn)行說明。

2.1 設(shè)計要點

(1)采用拉森鋼板樁(SKSP-Ⅳ型),截面尺寸寬B=400mm,高H=170mm,厚T=15.5 mm,樁長12～15m;隔檔排法;

(2)拉森鋼板樁穿過淤泥層,進(jìn)入淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層;

(3)拉森鋼板樁沿基坑四周連續(xù)設(shè)置成封閉的帷幕周長約100m;

(4)為保證基坑安全,基坑分2級放坡,第1級按1∶4放坡系數(shù)開挖1.7m至0.0m深,再在第2臺階施打拉森鋼板樁,然后在拉森鋼板樁頂部設(shè)置1道連續(xù)的規(guī)格為500 mm×300mm H型鋼做為圍檁;

(5)基坑四角及中間的支撐施工:在腰間和角部每隔5.0m再設(shè)1道規(guī)格為φ426mm×20mm鋼管支撐以加強(qiáng)剛度及整體性;開挖土方前,首先按已確定的灰線開挖打拉森鋼板樁基槽,采用200型挖機(jī)挖土,開挖深度至1.7m,待基槽開挖好后,開始打拉森鋼板樁,拉森鋼板打入后,開始挖土方至2.1m,并把土方拉運至離建筑物50m以外。在2.1m處開始安裝第2檔圍檁、角撐,待圍檁、角撐安裝完成,開始第2次挖土。

2.2 鋼板樁的受力計算

根據(jù)朗肯土壓力公式[1].計算主動、被動土壓力,等值法計算拉森樁入土深度,根據(jù)鋼板樁入土深度,按單支護(hù)板樁計算,假定上端為簡支梁,作用中樁后為主動土壓力,作用在樁前的未被動土壓力。

2.2.1 相關(guān)參數(shù)選取

(1)土層物理參數(shù)見表1。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇見表2。

表2 支護(hù)參數(shù)表

根據(jù)規(guī)范鋼板樁的抗壓彎設(shè)計值取[f].=200MPa。

2.2.2 鋼板樁入土深度、基底穩(wěn)定性設(shè)計

2.2.2.1 有關(guān)參數(shù)的取值

γ(kN/m3)、C(kPa)、φ(°)按 12.0 m 范圍內(nèi)加權(quán)平均值計算:γ平均=17.38;φ平均=19.26;C平均=8.83;Ka=tan2(45°-φ/2)=0.504;Kp=tan2(45°+φ/2)=1.984。γ平均為平均土容重,φ平均為土的平均內(nèi)摩擦角,C平均為土的平均粘聚力,Ka為主動土壓力,Kp為被動土壓力。

2.2.2.2 鋼板樁的入土深度

采用等值法計算鋼板樁的入土深度見圖1。

圖1 鋼板樁入土深度計算圖

(1)計算反彎點位置,并計算其離挖土面的距離 y。在y處樁身主動土壓力等于被動土壓力 ,即設(shè)計偏安全考慮,取c=0:

y=(γKaH+qKa)/ γ(Kp-Ka)=2.360m

(2)求支點反力:根據(jù)GJ 120—99《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(4.1.1-3)中公式[2].:

Tcl=(hal∑Eac-hpl∑Epc)/(htl+hcl);∑Eac為設(shè)定彎矩零點以上主動土壓力之和,hal為合力 ∑Eac作用點到設(shè)定彎矩零點的距離,∑Epc為設(shè)定彎矩零點以下被動土壓力之和,hpl為合力∑Epc作用點到設(shè)定彎矩零點的距離,htl為支點到基坑底的距離,hcl為基坑底到設(shè)計彎矩零點的距離。

對 B點取矩,并令 ΣMB=0;則:Ta(H1+y)=Ea(H-za+y),za=H-(H/3)((3×h+H)/(2×h+H))=2.824 m,h=q/γ=37/17.38=2.13m;Ea=γ(h+H/2)HKa=190.467 kN/m,Ta=134.069 kN/m;Pb=Ea-Ta=56.398 kN/m。

(3)入土深度計算:計算樁體的最小入土深度:T0=y+x,x可以根據(jù)Pb和樁前被動土壓力對樁底端的力矩相等的原理求得,即:Pbx=1/6×γ(Kp-Ka)3,經(jīng)計算 x=3.627m,入土深度hd=(1.1～1.2)×(y+x)=(1.1～1.2)×5.987 m,系數(shù)取下限,則 hd=7.184m。

拉森鋼板型鋼板樁選用長度L=4.8+7.184 4=11.984 m＜12m,實際選用長度12m,入土7.2m滿足要求。

2.2.3 鋼板抗彎計算

根據(jù)內(nèi)力計算,最大彎矩位置位于基坑底部。

拉森 Ⅳ鋼板 Mmax=qHKa×[H/2-(H-H1)].+γKaH×H/2×[2/3H-(H-H1)].=347.32 kN?m(每米寬度內(nèi)),σ=Mmax/W=347.32×106/(2270×103)=153.00N/mm2＜[f].=200MPa,符合要求。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算

2.3.1 基坑底部的隆起驗算

基坑土質(zhì)按飽和黏性土考慮,根據(jù)本工程地質(zhì)報告地基不排土體抗剪強(qiáng)度τ=с=22 kPa,地基土平均重度γ=17.38 kN/m3,考慮基坑頂部荷載距離基坑有一定距離,取 q=20 kN/m:抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)Ks=2πс/(q+γh)=1.335＞1.2,故不會隆起。

2.3.2 基坑底的管涌驗算

基坑深度4.8m,土浮重度γ'=γ平均-γw=17.38-10=7.38 kN/m3,根據(jù)地質(zhì)勘測報告中地下水位高程及基坑開挖底高程計算地下水位至坑底距離h'=4.8+1.4-1.5=4.7m,取抗管涌安全系數(shù) K=1.5,則:T=(Kh'γwγ'h')/2γ'=2.426m＜7.2m(鋼板樁入土深度),故不會發(fā)生管涌。

2.3.3 基坑整體穩(wěn)定性驗算

圖2 圍檁受力示意圖 單位:m

基坑整體穩(wěn)定性驗算采用軟件計算,求得抗傾覆安全系數(shù)為2.84,大于規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)1.15,合格,滿足規(guī)范要求。

2.4 支撐圍檁驗算

支撐圍檁驗算成果見圖2。

由以上計算可知:q=Ta=134.069 kN/m(均按4.8 m深基坑進(jìn)行驗算)。

2.4.1 圍檁部分驗算

圍檁材料采用300mm×500mmH型鋼,材料截面特性見表3。

表3 H型鋼圍檁參數(shù)表

則EA=2.06×1 011×146.4×104=3.015 84×106kN;EI=2.06×1 011×60 800×108=1.252 5×105kN?m2

支撐材料采用壁厚20mm,φ426mm鋼管,材料截面特性見表4。

表4 鋼管特性參數(shù)表

則EA=2.06×1 011×255.10×104=5.255 06×106kN;EI=2.06×1 011×52 689×108=1.085 39×105kN?m2

2.4.1.1 圍檁強(qiáng)度計算

進(jìn)行長邊計算,采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器進(jìn)行抗剪和抗彎驗算見圖3。

圖3 圍檁結(jié)構(gòu)受力示意圖

由上可知:Mmax=265.08 kN?m,則 f=Mmax/W=105.190 N/mm2＜[f].=200 N/mm2,故圍檁強(qiáng)度滿足要求。

2.4.1.2 圍檁撓度計算

圍檁撓度計算見圖4。

根據(jù)軟件計算邊跨最大撓度w=4.514 mm＜[w].=4 800/250=19.2mm,故圍檁撓度滿足設(shè)計要求。

同理進(jìn)行短邊計算,均符合設(shè)計要求。

圖4 圍檁結(jié)構(gòu)撓度示意圖

2.4.2 支撐部分驗算

支撐部分為軸心受壓構(gòu)件,由上述可知,除角撐部位外,最大軸心力R=681.61 kN。N=R=681.61 kN,支撐計算按2邊鉸支計算,l0=l=14.1m,λ=l0/i=95.72,查表可知軸心抗壓穩(wěn)定系數(shù) φ=0.620,則 f=N/(φA)=43.096N/mm2＜[f].=200 N/mm2,故內(nèi)部支撐強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

同理對角撐部分計算,角部支撐強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

3 圍護(hù)施工

3.1 拉森鋼板樁檢驗

由于該工程為拉森鋼板樁用于基坑的臨時支護(hù),故不需進(jìn)行材質(zhì)檢驗而只對其做外觀檢驗,以便對不符合形狀要求的鋼板樁進(jìn)行矯正,以減少打樁過程中的困難。外觀檢驗包括表面缺陷、長度、寬度、厚度、端頭矩形比、平直度和鎖口形狀等內(nèi)容。檢查時應(yīng)注意:①對打入鋼板樁有影響的焊接件應(yīng)予以割除;②有割孔、斷面缺損的應(yīng)予以補強(qiáng);③若鋼板樁有嚴(yán)重銹蝕,應(yīng)測量其實際斷面厚度,以便決定在計算中是否需要折減。原則上要對全部鋼板樁進(jìn)行外觀檢查,對不符合要求的鋼板樁需進(jìn)行矯正。

3.2 施工工藝流程

基線確定—定樁位—鋼板樁施打—圍檁、角撐—土建施工—拔樁

3.3 操作方法

(1)基線確定:施工員在基坑邊龍門架上定出軸線,留出以后施工需要的工作面,確定鋼板樁施工位置。

(2)定樁位:按順序標(biāo)明鋼板樁的具體樁位,灑灰線標(biāo)明。

(3)拉森鋼板樁施打:采用單獨打入法,即吊升第一支拉森鋼板樁,準(zhǔn)確對準(zhǔn)樁位,振動打入土中,使樁端透過黏土層進(jìn)入淤泥層。吊第二支拉森鋼板樁,卡好企口,振動打入土中,如此重復(fù)操作,直至基坑拉森鋼板樁完成。拉森鋼板樁施打時,由于拉森鋼板樁制作本身的誤差、打樁時的偏差、施工條件的限制,使帷幕的實際長度無法保證按鋼板樁標(biāo)準(zhǔn)寬度的整數(shù)倍,故此鋼板樁帷幕最終封閉合攏有相當(dāng)?shù)碾y度。調(diào)整的辦法,一般有采用異形鋼板樁來閉合或通過調(diào)整帷幕軸線用標(biāo)準(zhǔn)樁實現(xiàn)閉合。由于該工程鋼板樁墻精度要求不高,故采用后一方法來實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的閉合,即在轉(zhuǎn)角處兩側(cè)各以10根鋼板樁的寬度來調(diào)整軸線實現(xiàn)閉合。如出現(xiàn)部分鋼板樁長度不足,可采用焊接接長,一般用魚尾板焊接法。接長時避免相鄰2樁接頭在同一深度,接頭位置錯開1m以上,且宜間隔放置打樁。

(4)圍檁、支撐、角撐:為加強(qiáng)拉森鋼板樁墻的整體剛度,沿鋼板樁墻全長設(shè)置圍檁,圍檁為1道連續(xù)的規(guī)格為500mm×300mm的H型鋼,同時在基坑的腰間和角部每隔5.0m再設(shè)1道規(guī)格為500mm×300 mm的H型鋼支撐以加強(qiáng)剛度及整體性。

(5)拉森鋼板樁拔除:土建工程完畢后即進(jìn)行鋼板樁的拔除。采用振動錘等來進(jìn)行鋼板樁的拔除,即利用振動錘產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動擾動土質(zhì),破壞鋼板樁周圍土的粘聚力以克服拔樁阻力,依靠附加起吊的作用將樁拔除。

拉森鋼板樁拔除后留下的樁孔,必須及時做回填處理,回填一般用擠密法或填入法,所用材料為中砂。

4 基坑監(jiān)測措施

為了科學(xué)地預(yù)測基坑支護(hù)的穩(wěn)定和周邊環(huán)境的變化,及時預(yù)報和提供準(zhǔn)確可靠的變形數(shù)據(jù),根據(jù)基坑圍護(hù)形式及周圍環(huán)境,直接在4條圍檁上各布置基準(zhǔn)線1條,長邊上設(shè)置4個、短邊設(shè)置3個監(jiān)測點,西側(cè)一期泵站及火車道上各布置10個監(jiān)測點。監(jiān)測頻率根據(jù)現(xiàn)場情況,正常情況下1次/d,在挖土及有數(shù)據(jù)超出預(yù)警值或發(fā)生突變時,監(jiān)測頻率加密,通過監(jiān)測,確?；蛹爸苓吔ㄖ镌谑┕み^程中的安全。

5 施工過程中應(yīng)注意的問題及處理措施

5.1 鋼板樁打設(shè)

鋼板樁的打設(shè)必須有足夠的剛度和良好的防水作用,以滿足基礎(chǔ)施工要求,根據(jù)現(xiàn)場的施工條件,采用單獨打入法,采用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀控制鋼板樁的位置、垂直度及高程,保證工程鋼板樁圍護(hù)的施工質(zhì)量,起到較好的支護(hù)和防水作用,確保工程順利施工。

5.2 挖土

上部土體開挖完成施工圍檁時,部分鋼板樁不能與圍檁緊密貼靠,在這些部分做加墊處理,使鋼板樁的壓力傳到圍檁及支撐上;挖土與圍檁支撐施工緊密配合,當(dāng)挖土達(dá)到圍檁施工要求高程后迅速完成圍檁及支撐結(jié)構(gòu),盡快使之產(chǎn)生整體作用;嚴(yán)格控制超挖,挖土?xí)r隨時監(jiān)測基坑支護(hù)的穩(wěn)定和周邊環(huán)境的變化,保證了圍護(hù)結(jié)構(gòu)及施工過程的安全。

5.3 鋼板樁的拔除

拔除前應(yīng)考慮拔除順序及時間,否則會應(yīng)震動影響和帶土過多導(dǎo)致地面土體沉降,甚至影響已施工的地下結(jié)構(gòu)物。本工程采取了跳拔,拔除順序與打設(shè)相反。

6 結(jié) 語

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,圍護(hù)圍檁頂位移平均為48mm,最大位移95mm,均在規(guī)范要求內(nèi),西側(cè)建筑物及北面火車道的沉降位移遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值,支護(hù)體系合理有效,達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、高效、安全的預(yù)期效果,確保了工程的順利進(jìn)行。

[1].中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 79—2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[S]..北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[2].中華人民共和國建設(shè)部.GJ 120—99《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[S]..北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.