中厚板二期軋機基礎(chǔ)深基坑支護

曹淋琨

(三鋼冶金建設(shè)公司 福建三明 365000)

中厚板二期軋機基礎(chǔ)深基坑支護

曹淋琨

(三鋼冶金建設(shè)公司 福建三明 365000)

本文采用郎肯土壓力計算模型對型鋼樁橫檔板懸臂式基坑支護結(jié)構(gòu)在粘性土和砂礫土層中計算，并簡單分析位移理論值與實測值之間誤差原因。

基礎(chǔ)；型鋼樁橫擋板；懸臂式；開挖；支護

E-mail:iamyezhi@163.com

1 工程概況

三鋼集團中厚板軋鋼工程二期軋機基礎(chǔ)位于中板生產(chǎn)線工藝流程中段，是影響中厚板產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵部位。該基礎(chǔ)長9m、寬8.6m，標(biāo)高變化大，含-1.0、-1.4、-4.0多個標(biāo)高層，預(yù)留設(shè)備孔洞、預(yù)埋件多，土建施工較為復(fù)雜。通過圖紙、規(guī)范學(xué)習(xí)結(jié)合施工施工現(xiàn)場施工工藝，對本人專業(yè)知識系統(tǒng)學(xué)習(xí)有很大幫助。

2 基礎(chǔ)支護選型

該廠房內(nèi)生產(chǎn)線工藝流程為縱向發(fā)展方向，受廠房柱列及周邊建筑物、設(shè)備基礎(chǔ)等影響，且施工期間附近設(shè)備處于生產(chǎn)狀態(tài)，基礎(chǔ)無法放坡開挖。由于中板二期軋機基礎(chǔ)持力層設(shè)計位于砂礫土層上(詳見土層參數(shù)表，施工區(qū)域上層為黏土厚度4m下層為砂礫厚度6m)。根據(jù)規(guī)范定義該基礎(chǔ)屬于危險性較大的分部分項工程范疇，需考慮支護方案及安全應(yīng)急措施。

為了確保施工的質(zhì)量及施工安全，根據(jù)規(guī)范要求：開挖深度雖未超過5m，但地質(zhì)條件、周圍環(huán)境和地下管線復(fù)雜，或影響毗鄰建筑(構(gòu)筑)物安全的基坑(槽)的土方開挖、支護工程，需進(jìn)行安全性驗算。施工時土方開挖的順序、方法必須與設(shè)計要求相一致，并遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖，嚴(yán)禁超挖”的原則?；舆吔缰車孛鎽?yīng)設(shè)排水溝，對坡頂、坡面、坡腳采取降排水措施。

結(jié)合該基礎(chǔ)標(biāo)高變化大、地下水位低、土質(zhì)、周邊原有建構(gòu)筑物及施工周期、施工成本等影響因素，采用型鋼樁橫擋板支撐結(jié)構(gòu)。施工前考慮到基礎(chǔ)開挖較深，且地下水位較高，為了避免降水造成局部引測點沉降導(dǎo)致最后設(shè)備標(biāo)高錯位無法對接，需將軋機軸線做多點定位，引測點距離基坑10m。同時在四周建構(gòu)筑物上設(shè)沉降觀測點4個，施工期間每天早晚各觀測一次，便于及時發(fā)現(xiàn)問題避免因基礎(chǔ)施工對周邊建構(gòu)筑物產(chǎn)生影響導(dǎo)致影響生產(chǎn)、同時考慮到設(shè)備可能對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利因素 ，需對型鋼支護樁進(jìn)行垂直度觀測。

圖1 型鋼樁橫擋板支護結(jié)構(gòu)俯視圖

3 型鋼樁橫擋板支撐模型計算

型鋼樁橫擋板支撐屬于懸臂式圍護結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特征為：無支撐的懸臂圍護結(jié)構(gòu)；受力特征為：利用支撐入土的嵌固作用及結(jié)構(gòu)的自身的抗彎剛度擋土及控制變形。

對于無支撐的懸臂圍護結(jié)構(gòu)，其壓力分布為主動土壓力，是三角形分布；被動土壓力也是三角形分布。其驗算內(nèi)容有：①嵌固深度(防傾覆)。②結(jié)構(gòu)強度。

當(dāng)確定懸臂式及單支點支護結(jié)構(gòu)嵌固深度設(shè)計值(構(gòu)造要求)hd小于0.3h時，宜取hd=0.3h[1]。

h：基坑開挖深度；

表1 基本參數(shù)

表2 土層參數(shù)

(一級基坑支護結(jié)構(gòu)基地位移一般不大于30mm或0.25%基坑深度，本次驗算取15mm。根據(jù)經(jīng)驗對于粉粘土層當(dāng)懸臂式支護結(jié)構(gòu)最大位移達(dá)30mm時可能出現(xiàn)土體裂縫，超過40mm則往往裂縫明顯，給人不安全感，也可能造成地表水滲入裂縫影響土體穩(wěn)定)。

土層參數(shù)：

荷載參數(shù)：查找歷史資料，將周邊設(shè)備基礎(chǔ)荷載轉(zhuǎn)換為條形局部荷載3.5Kpa，據(jù)支護邊緣a=2m，分布寬度b=2m。

參數(shù)說明：

qn:地面荷載傳遞到第n層土底面的垂直荷載。

γi:第i層土的重度。hi:第i層土的厚度。

Ψn:第n層土內(nèi)摩擦角。Cn:第n層土內(nèi)聚力。

υ：懸臂樁嵌固末端水平位移

圖2 土壓力分布示意圖

圖3 附加荷載示意圖

3.1 主動土壓力計算

1)主動土壓力系數(shù)

Ka1=tan2(45-ψ/2)= tan2(45-18/2)=0.528；

Ka2= tan2(45-ψ/2)=0.528；

Ka3= tan2(45-ψ/2)= tan2(45-35/2)=0.271；

2)土壓力、地下水產(chǎn)生的水平荷載

第1層土：0-0m (H1荷載影響深度；h基坑開挖深度)；

H1'=[∑γ0h0+∑q1]/γsati=[0+2]/20=0.10m

Pak1上=γsat1H1'Ka1-2c1Ka10.5=20×0.10×0.528-2×10×0.5280.5= -13.48kN/m2

Pak1下=γsat1(h1+H1')Ka1-2c1Ka10.5=20×(0+0.10)×0.528-2×10× 0.5280.5= -13.48kN/m2

第2層土：0-4m ； (基坑開挖深度)

H2'=[∑γ1h1+∑q1]/γsati=[0+0]/20=0m

Pak2上=γsat2H2'Ka2-2c2Ka20.5=20×0×0.528-2×10×0.5280.5= -14.53kN/m2

Pak2下=γsat2(h2+H2')Ka2-2c2Ka20.5=20×(4+0)×0.528-2×10× 0.5280.5=27.71kN/m2

第3層土：4-8m ；(坑底到樁尖高度，及懸臂樁埋深)

H3'=[∑γ2h2+∑q1+∑qb/(b+2a)]/γsati=[40+0+1.167]/22=1.87m

Pak3上=γsat3H3'Ka3-2c3Ka30.5=22×1.87×0.271-2×10×0.2710.5=-5.5kN/m2

Pak3下=γsat3(h3+H3')Ka3-2c3Ka30.5=22×(4+1.87)×0.271-2X10X0.2710.5=18.34KN/m2

3)水平荷載 :

臨界深度：Z0=Pak2下Xh2/(Pak2上+ Pak2下)=27.71×4/(27.71+14.53)=2.62m；(模型應(yīng)力為零處深度)

第1層土 Eak1=0kN；

第2層土

Eak2=0.5Pak2下Z0ba=0.5×27.71×2.62×0.5=18.15kN；

(荷載等效計算)

aa2=Z0/3+∑h3=2.62/3+4=4.87m；

第3層土

Z3=Pa3下×h3/(Pa3上+Pa3下)=3.08

Eak3=0.5Pak3下Z3ba=0.5×18.34×3.08×0.5=14.12kN；

aa3= Z3/3 =1.03m；

土壓力合力：

Eak=ΣEaki=0+18.15+14.12=32.27kN；

合力作用點：aa=Σ(aaiEaki)/Eak=(0×0+18.15×4.87+14.12×1.03)/32.27=3.19m；

3.2 被動土壓力計算

1)被動土壓力系數(shù)

Kp1= tan2(45+ψ/2)= tan2(45+35/2)=3.69；

Kp2= tan2(45+ψ/2)= 3.69；

2)土壓力、地下水產(chǎn)生的水平荷載

第1層土：4-4m

H1'=[∑γ0h0]/γsati=[0]/22=0m

Ppk1上=γsat1H1'Kp1+2c1Kp10.5=22×0×3.69+2×16×3.690.5=61.47kN/m2

Ppk下=γsat1(h1+H1')Kp1+2c1Kp10.5=22×(0+0)×3.69+2×16× 3.690.5=61.47kN/m2

第2層土：4-8m

H2'=[∑γ1h1]/γsati=[0]/22=0m

Ppk2上=γsat2H2'Kp2+2c2Kp20.5=22×0×3.69+2×16×3.690.5=61.47kN/m2;

Ppk2下=γsat2(h2+H2')Kp2+2c2Kp20.5=22×(4+0)×3.69+2×16×3.690.5=386.19kN/m2

3)水平荷載

第1層土

Epk1=bah1(Pp1上+Pp1下)/2=0kN；

ap1=h1(2Pp1上+Pp1下)/(3Pp1上+3Pp1下)+∑h2=0=4m；

第2層土

Epk2=bah2(Pp2上+Pp2下)/2=447.66kN；

ap2=h2(2Pp2上+Pp2下)/(3Pp2上+3Pp2下)=1.42m；

土壓力合力：

Epk=ΣEpki=447.66kN；

合力作用點： ap=Σ(apiEpki)/Epk=1.42m；

3.3 基坑內(nèi)側(cè)土反力計算

1)主動土壓力系數(shù)

Ka1=tan2(45-ψ/2)= tan2(45-35/2)=0.271；

Ka2=tan2(45-ψ/2)= 0.271；

2)土壓力、地下水產(chǎn)生的水平荷載

第1層土：4-4m

H1'=[∑γ0h0]/γsati=[0]/22=0m

Psk1上=(0.2ψ12-ψ1+c1)∑h0(1-∑h0/ld)υ/υb+γsat1H1'Ka1[3]= 0kN/m2

Psk1下=(0.2ψ12-ψ1+c1)∑h0(1-∑h0/ld)υ/υb+γsat1H1'Ka1=0kN/m2

第2層土：4-8m

H2'=[∑γ1h1]/γsati=[0]/22=0m

Psk2上=0kN/m2；

Psk2下=(0.2ψ22-ψ2+c2)∑h1(1-∑h1/ld)υ/υb+γsat2H2'Ka2=(0.2×352-35+16) ×4×(1-4/4)×0.015/0.015+22×(0+4)×0.271=23.85kN/m2

3)水平荷載

第1層土

Psk1=b0h1(Ps1上+Ps1下)/2=0kN；

as1=h1(2Ps1上+Ps1下)/(3Ps1上+3Ps1下)+∑h2=4m；

第2層土

Psk2=b0h2(Ps2上+Ps2下)/2=23.85kN；

as2=h2(2Ps2上+Ps2下)/(3Ps2上+3Ps2下)= 1.33m；

土壓力合力：

Ppk=ΣPpki=23.85kN；

合力作用點：

as= Σ(asiPski)/Ppk=1.33m；

Psk=23.85kN≤Ep=447.66kN

土體側(cè)向承載滿足要求。

4 穩(wěn)定性驗算

4.1 嵌固穩(wěn)定性驗算：(被動土矩/主動土矩)

Epkapl/(Eakaal)=447.66X1.42/(32.27X3.19)=6.18>Ke=1.2 滿足要求！

5 型鋼支護樁應(yīng)力驗算

圖4 單根型鋼樁受力等效圖

I25a δmax=M/W=(18.15×4.87+14.12×1.03-23.85×1.33)×106/(1.05×402×103)=168.71<210N/mm2

τmax=2V/A=2×(18.15+14.12-23.85) ×1000/4850=3.42<125N/mm2滿足要求

6 實測數(shù)據(jù)與計算值對比

經(jīng)實測采用該方案型鋼樁末端位移20.5mm，其中嵌固端最大位移13.1mm，懸臂部分最大位移7.4mm在安全經(jīng)濟范圍內(nèi)。將懸臂部分等效成懸臂梁三角形荷載模型及附圖四土體等效荷載作用點進(jìn)行計算，末端位移理論值約為f=ql4/8EI×(l1/l)=7.7mm[4](l1為懸臂端長度，l為等效土壓力與嵌固端距離)，嵌固端最大位移理論值15mm。出現(xiàn)位移量比理論值小的主要原因是：朗肯土壓力理論是從研究半無限大土體中一點的極限平衡狀態(tài)出發(fā)，應(yīng)用莫爾應(yīng)力圓，推導(dǎo)出了極限應(yīng)力的理論。為了滿足土體的極限平衡條件，朗肯理論假定：墻是剛性、墻背垂直光滑、墻后填土表面水平。 由于朗肯理論忽略了實際墻背并非光滑并存在摩擦力的事實，使計算所得的主動土壓力偏大，而計算所得的被動土壓力偏小，因此朗肯理論也是偏安全的理論。

7 施工要點

因該技改項目在已建成廠房中進(jìn)行，為節(jié)約成本同時方便施工，最后選用履帶式液壓打樁機進(jìn)行型鋼樁打樁施工。優(yōu)勢有三：①體積小，可由中板成品庫大門駛?cè)胧┕^(qū)域，無需鋪設(shè)施工通道。②可由挖掘機改裝，成本相對低，設(shè)備充足。③施工噪音小、震動小、不影響周邊生產(chǎn)線正常工作。該設(shè)備由廣州市九環(huán)工程機械有限公司改造。采用30t級別挖掘機原型改裝，震動錘主要由五大部分組成：附臂總成、旋轉(zhuǎn)連接總成、旋轉(zhuǎn)連接吊架總成、箱體總成、夾具總成。其核心部分為震動液壓錘，取自挖掘機液壓系統(tǒng)液壓通過專利技術(shù)安裝變頻液壓管路。該設(shè)備輸出能量大，工作速度快，同時采用液壓監(jiān)控裝置，保護挖掘機主油泵。通過偏心塊及主速液壓電機產(chǎn)生正弦波壯垂直振動，再通過箱體底部夾具傳遞給受力型鋼樁從而實現(xiàn)打樁或拔樁。施工范圍為16m以內(nèi)型鋼樁。通過使用該設(shè)備，打樁工作在6個小時內(nèi)完成，樁身垂直度在規(guī)范要求范圍內(nèi)，極大的提高了施工效率。

因型鋼樁成品長度為6m，本工程在施工過程中需接樁。考慮到受壓構(gòu)件長細(xì)比，為避免施工中樁身彎曲在施工過程中接樁較科學(xué)，且需控制打樁速度。待先打入的6m型鋼樁打入5m左右后，對型鋼末端斜切割，并用打樁機夾具固定接長端后滿焊拼接。

為了節(jié)約施工成本，增加型鋼的使用周期可以在型鋼應(yīng)力較小處腹板開孔，待基礎(chǔ)施工后便于使用打樁機夾具將型鋼拔出。

在生產(chǎn)線附近進(jìn)行技改升級的基坑開挖，應(yīng)做好基坑支護，應(yīng)受設(shè)備荷載影響大且施工過程中存在一定不確定因素，不可盲目憑經(jīng)驗施工，基坑支護方案設(shè)計時要留有一定安全余地。施工進(jìn)度安排應(yīng)合理、緊湊，避免基坑開挖后長時間放置，土體暴露期間若遇到大雨或劇烈震動易造成土體內(nèi)聚力和摩擦角降低，支護結(jié)構(gòu)主動土壓力增大，被動土壓力減小，造成安全隱患。根據(jù)地勘資料，選擇合理的支護方案對工程造價有較大影響。施工過程需加強關(guān)鍵部位監(jiān)測，確保施工安全。

依據(jù)郎肯土壓力理論對型鋼樁橫檔板懸臂式基坑支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算，通過理論結(jié)合實際，本工程在不影響周邊建構(gòu)筑物及中板生產(chǎn)線安全生產(chǎn)情況下保證了施工質(zhì)量和進(jìn)度并取得較好的經(jīng)濟效益。

[1]JGJ120-2012,建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[2]江正榮，建筑施工計算手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2013.

[3]謝建明，施工現(xiàn)場設(shè)施安全設(shè)計計算手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2007.

[4]黃強，深基坑支護結(jié)構(gòu)實用內(nèi)里計算手冊 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.1995.

曹淋琨(1986.3- )，女，助理工程師，主要從事建筑工程施工方面的工作。

Middle thickness steel plate second phase rolling mill shoe foundation pit bolster

CAOLinkun

(Shangang metallurgy construct corporation, Sanming 365000)

Rankine's W.J.M. RankineW.J.M. Rankinesoil pressure calculate model and the calculate of cantalever merchant steel foundation pit bolster W.J.M. Rankine and sketchy ankyse the different parameter of theory and reality.

Foundation; Merchant steel foundation pit bolster; Cantilever; Excavate; Bolster

曹淋琨(1986.3- )，女，助理工程師。

2015-07-23

TU

A

1004-6135(2015)10-0064-04