濱海相淤泥質(zhì)軟土鋼板樁基坑擴坑施工研究

王 凱

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

連云港濱海相淤泥質(zhì)軟土物理力學(xué)性質(zhì)差，土質(zhì)軟弱。章定文等［1］2003年對連云港地區(qū)軟土的物理力學(xué)指標做出統(tǒng)計，結(jié)果表明，連云港海濱相軟土具有高含水量、高液限、低密度、低強度、高壓縮性、高靈敏度等特點。由于軟土地區(qū)基坑變形控制難度高，許多學(xué)者對于軟土地區(qū)基坑變形進行了深入研究，劉建航等(1999)［2，3］通過對上海近10年來大量施工的深基坑工程流變現(xiàn)象的研究，提出了經(jīng)驗流變模型——時空理論。劉國彬等(2007)［4］提出了基坑回彈量的簡化計算方法，能考慮開挖面積、基坑的放置時間、圍護結(jié)構(gòu)的插入深度、基坑的開挖深度、超載等因素對基坑回彈的影響。李學(xué)(2007)［5］以天津某基坑支護的實例為一個1∶1的試驗?zāi)Ｐ?，得到了模型在開挖時的內(nèi)力及變形等試驗數(shù)據(jù)，對實體試驗進行理論分析，為鋼板樁支護結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一個比較準確的理論支持。胡俊(2008)［6］采用應(yīng)力控制式三軸流變儀對連云港海相軟土進行試驗，得到土體的應(yīng)力—應(yīng)變—時間關(guān)系曲線，并從軟土流變性質(zhì)上分析解決軟土地基工程事故。雖然對軟土地區(qū)基坑變形控制的研究較為深入，但基坑擴坑施工的變形研究少見報道，本文采用數(shù)值模擬的方法對連云港淤泥質(zhì)軟土某鋼板樁基坑擴坑施工進行了模擬，分析了擴坑施工過程中圍護結(jié)構(gòu)的變形，得到擴坑施工中應(yīng)該重點關(guān)注的圍護結(jié)構(gòu)部位，以期對類似工程提供借鑒。

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

連云港某橋全長360 m，主橋為95 m上承式系桿拱橋，跨徑95 m，矢高10.5 m。兩側(cè)引橋分別為6×13=78 m空心板梁。主橋立面圖見圖1。

圖1 主橋立面圖

施工時需要施作系桿基坑與承臺基坑，在基坑中完成系桿與承臺的澆筑。系桿基坑長76 m，寬30 m，基坑深約4.6 m，坑底結(jié)構(gòu)物高1.9 m，圍護結(jié)構(gòu)采用12 m長拉森40鋼板樁(樁頂標高0 m，基坑底標高－4.6 m)，圍檁采用500×300×11×18的 H型鋼，支撐采用φ609×16鋼管(鋼管間用法蘭連接)，牛腿及支撐連接圍檁處采用30工字鋼，立柱采用530×7鋼管打入13 m深，系桿下每隔6 m設(shè)置1根45 m長D80鉆孔灌注樁。結(jié)合主橋承臺、拱腳施工，將系桿基坑向外擴大、延伸。承臺拱腳基坑長36 m，寬18 m，四周超高約2 m，基坑深約5 m，坑底結(jié)構(gòu)物高4 m～6.28 m。圍護結(jié)構(gòu)采用12 m長拉森V鋼板樁(樁頂標高0 m，基坑底標高－4.6 m)，圍檁采用雙拼H400×400/13×21型鋼，鋼支撐為φ609/16鋼管，立柱采用530×7鋼管打入20 m深，承臺下設(shè)12根D150鉆孔灌注樁，樁長70 m，整體基坑平面圖見圖2。

圖2 整體基坑平面圖

因施工進度的限制，系桿基坑先于承臺基坑施工，當系桿基坑開挖至坑底需要進行擴坑施工，將系桿基坑與承臺基坑合二為一，形成一個連通的大基坑。

擴坑施工主要分為4個階段，具體過程如下:階段①:系桿基坑開挖至坑底標高－4.6 m。階段②:拆除系桿基坑第二層支撐，在基坑左右兩端各增加3道直撐，直撐中心間距分別為6 m，6 m，3.5 m，插打承臺基坑鋼板樁。階段③:施作承臺基坑并開挖至坑底標高－4.6 m位置處。階段④:最后拆除系桿基坑角撐，拔除承臺基坑靠近系桿位置的鋼板樁，在系桿基坑兩側(cè)加設(shè)3根直撐(第二層)。各施工階段示意圖分別見圖3。

1.2 地質(zhì)概況

主橋基坑處地質(zhì)概況為淤泥層，灰色、飽和、流塑，平均厚度18 m。主要土力學(xué)參數(shù):重度16.2 kN/m，內(nèi)摩擦角10°，粘聚力10 kN/m2。地質(zhì)分布圖見圖4，施工涉及的各層主要工程地質(zhì)特征分述如下:①層素填土():灰黃色、潮濕、松散，以黏土為主，夾少量碎石。分布較普遍，僅少量孔缺失。該層土厚度0.80 m～2.70 m、平均1.76 m。②層黏土():灰黃色，潮濕，有光澤，韌性及干強度低，搖震反應(yīng)無。間斷分布，大多地段缺失。該層土層頂埋深0.00 m～2.70 m、平均 1.18 m;層頂標高 0.79 m～3.22 m、平均2.20 m;厚度1.25 m～6.00 m、平均2.57 m。③層淤泥():灰色，飽和，流塑，夾粉砂薄層，有臭味。均有揭露、普遍分布。該層土層頂埋深1.00 m～6.00 m、平均2.72 m;頂層標高 －2.80 m～2.27 m、平均0.67 m;厚度12.60 m～18.90 m、平均16.00 m。④層粉質(zhì)黏土夾粉土(Qa1-P13):灰黃色，飽和，可塑～軟塑，混大量粉土，局部以粉土為主。均有揭露、普遍分布。該層土層頂埋深17.00 m～20.60 m、平均18.71 m;層頂標高 －17.52 m～ －13.55 m、平均 －15.33 m;厚度5.10 m～15.40 m、平均8.16 m。

圖3 擴坑施工各階段示意圖

圖4 地質(zhì)分布圖

2 數(shù)值模擬

首先研究土體加固對基坑擴坑施工的影響，對比研究基底土體不加固和基底滿膛加固且深度為3 m這兩種不同情況下基坑擴坑施工變形。土體本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型——Mohr-Coulomb模型。有限元模型的尺寸為300 m×100 m×24 m，模型邊界采用標準邊界約束，模型中主要的土層有③層淤泥()、④層粉質(zhì)黏土夾粉土。計算分析采用分布施工的荷載類型，采用重力加載的方法生成初始應(yīng)力。計算中采用板單元模擬鋼板樁，采用點對點錨桿模擬鋼支撐。

對于加固土體的參數(shù)［7-9］，根據(jù)葉書麟《地基處理與托換技術(shù)》，當無側(cè)限抗壓強度fcu=0.1 MPa～3.5 MPa時，水泥土的變形模量為 E50=10 MPa～550 MPa，采用 E50=80fcu～150fcu，其中，fcu為加固土體無側(cè)限抗壓強度;E50為加固土體的變形模量。

圖5 圍護結(jié)構(gòu)典型截面位置示意圖

根據(jù)基坑變形規(guī)律及所關(guān)心的位置，選取3個有代表性的截面，見圖5。系桿基坑長邊中截面A—A、承臺基坑長邊中截面B—B、陰角處鋼板樁中截面C—C，比較其沿截面法線方向的位移，研究鋼板樁變形規(guī)律。由于圍護結(jié)構(gòu)C—C截面處受力復(fù)雜，重點對該截面處鋼板樁變形進行研究。

圖6為C—C截面鋼板樁水平位移時程圖，正值代表位移向基坑外，負值代表位移向基坑內(nèi)，下同。圖6表明隨著承臺基坑的開挖，C—C截面鋼板樁并沒有向基坑內(nèi)移動，反而向坑外的位移增加，可能由于承臺基坑長邊鋼板樁向坑內(nèi)的位移引發(fā)C—C截面鋼板樁發(fā)生向坑外的位移。第④階段與第③階段鋼板樁水平位移接近。

圖7對比了加固與不加固方式條件下鋼板樁階段④水平位移。C—C截面處受力復(fù)雜，變形規(guī)律不明顯，加固后鋼板樁水平位移不大于1 mm，說明加固效果明顯。

圖6 鋼板樁水平位移時程圖（不加固）

圖7 不同加固方式下鋼板樁階段④水平位移圖

接下來研究不同鋼板樁長度對基坑擴坑施工變形的影響。分別選取12 m，15 m，18 m長拉森Ⅳ型鋼板樁，作為基坑圍護結(jié)構(gòu)，基坑基底土體加固深度為3 m。

圖8比較了不同長度下鋼板樁C—C截面切向位移，可以發(fā)現(xiàn)隨著鋼板樁長度的增加，鋼板樁的切向位移減小。

圖8 階段④C—C截面鋼板樁切向位移圖

3 結(jié)語

通過數(shù)值模擬對濱海相淤泥質(zhì)軟土鋼板樁基坑擴坑施工變形進行研究，得到以下主要結(jié)論。隨著承臺基坑的開挖，C—C截面鋼板樁水平位移增大至最大值，發(fā)生向基坑外的位移，在其后的拆除鋼板樁階段，C—C截面鋼板樁水平位移基本保持不變?；撞捎? m滿膛加固的方式可以有效減小C—C截面鋼板樁水平位移。隨著鋼板樁長度的增加，C—C截面鋼板樁的切向位移減小。

［1］章定文，劉松玉，于新豹.連云港海相軟土工程特性及處治方法探討［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2003(3):250-257.

［2］劉建航，劉國彬，范益群.軟土基坑工程中時空效應(yīng)理論與實踐(上)［J］.地下工程與隧道，1999(3):7-12.

［3］劉建航，劉國彬，范益群.軟土基坑工程中時空效應(yīng)理論與實踐(下)［J］.地下工程與隧道，1999(4):10-14.

［4］劉國彬，賈付波.基坑回彈時間效應(yīng)的試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007(S1):58-60.

［5］李 學(xué).鋼板樁支護結(jié)構(gòu)的試驗研究與有限元分析［D］.天津:天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［6］胡 俊.海相軟土三軸流變試驗研究［J］.西華大學(xué)學(xué)報，2008，27(3):7-8.

［7］雷金山，冷伍明，楊秀竹，等.軟土地基深層攪拌水泥土加固機理及應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2002(2):14-15.

［8］徐新躍.水泥土攪拌樁的現(xiàn)場試驗研究與分析［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2001(5):7-10.

［9］賈 堅.影響水泥土強度的綜合含水量研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2006(1):132-136，140.