基坑支護(hù)工程鋼板樁+鋼管支撐計(jì)算分析

謝 常

(廣東省海洋地質(zhì)調(diào)查院,廣東 廣州 510080)

1 工程概況

湛江水上運(yùn)動(dòng)中心二期基坑支護(hù)工程位于湛江市交通部南海救助湛江基地西南側(cè)避風(fēng)港內(nèi),屬高層建筑群中的附屬設(shè)施,為2層地下車庫(kù)?；?xùn)|南面靠近文東路,現(xiàn)有堆場(chǎng)和廠房；東北面靠近交通部南海救助湛江基地,現(xiàn)有2層、3層的建筑物；北面臨近內(nèi)海；西南面靠近觀海路?；舆吘€周長(zhǎng)約1333.3m,設(shè)計(jì)基底標(biāo)高-3.50m,塔樓區(qū)域基坑底面標(biāo)高-4.50m,基坑開挖深度約為0～8.8m。基坑安全等級(jí)為二級(jí)。

2 工程、水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

由于本基坑支護(hù)主要考慮基坑外側(cè)水土壓力,而勘察鉆孔主要為場(chǎng)地內(nèi)部為主,為此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和周邊環(huán)境條件對(duì)與基坑支護(hù)相關(guān)的地層分析討論。

(1)雜填土：主要成分為粘性土混雜建筑垃圾、工業(yè)垃圾、碎石塊等,屬新近堆填。層厚2.00～9.00m。

考慮有部分回填土體和塊石分布,本層土基坑設(shè)計(jì)參數(shù)取值建議值為：r=18.8kN/m3,c=10kPa,ψ=12°,τ=18kPa。

(2)淤泥：廣泛分布,灰褐色、灰黑色,飽和,流塑。土層厚度0.30～7.90m。

淤泥的標(biāo)貫擊數(shù)為1～4擊,標(biāo)準(zhǔn)值的c=5.3kPa,ψ=3.5°為基坑支護(hù)的淤泥推薦值。故本層淤泥土的基坑設(shè)計(jì)參數(shù)取建議值為：r=16.8kN/m3,c=5.3kPa,ψ=3.5°,τ=10kPa。

(3)粗砂：稍密,級(jí)配較好,局部粘粒含量較高。土層厚度0.60～4.30m。

本層砂層標(biāo)貫擊數(shù)為5～18擊,含粘粒(小于0.075mm)的平均含量達(dá)到20%,故可對(duì)C值進(jìn)行取值為2kPa,但由于標(biāo)貫擊數(shù)平均值為12擊,屬于稍密狀態(tài),綜合考慮,本層砂土的基坑設(shè)計(jì)參數(shù)取值建議值為：r=19.0kN/m3,c=2.0kPa,ψ=22°,τ=45kPa。

(4)粗砂：廣泛分布,稍密為主,局部中密或松散狀,級(jí)配良好。土層厚度0.40～8.20m。

本層砂層標(biāo)貫擊數(shù)為5～26擊,含粘粒(小于0.075mm)的平均含量達(dá)到20%,故對(duì)C值進(jìn)行取值為2kPa,標(biāo)貫擊數(shù)平均值為14擊,也屬于稍密狀態(tài),綜合考慮,本層土基坑設(shè)計(jì)參數(shù)取值建議值為：r=19.0kN/m3,c=2.0kPa,ψ=25°,τ=45kPa。

(5)粘土：各鉆孔均揭示,很濕～濕,軟塑～可塑,具水平薄層理,層面夾粉細(xì)砂,局部交雜較多薄層中砂。層厚4.30～22.10m。

本層標(biāo)貫擊數(shù)為2～14擊,標(biāo)貫擊數(shù)平均值為6.7擊,按照統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值考慮各設(shè)計(jì)參數(shù)?？辈靾?bào)告對(duì)本層土的基坑設(shè)計(jì)參數(shù)取建議值為：r=17.5kN/m3,c=16.9kPa,ψ=11.5°,τ=20kPa。

2.2 水文地質(zhì)條件

本工程位于麻斜海灣西側(cè),麻斜海灣內(nèi)潮流基本沿航道方向往復(fù)流動(dòng),屬不規(guī)則半日潮型,年平均高潮位高程3.2m；年平均低潮位高程-1.9m；十年一遇高潮位3.80m(1956年黃?；?下同),五十年一遇高潮位4.53m；百年一遇高潮位高程4.84m；最高風(fēng)暴潮位高程5.28m,最低潮位高程-2.29m,最大潮差5.13m,平均潮差2.14m,平均海面高程2.20m。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 支護(hù)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性分析計(jì)算

因該基坑支護(hù)類型在現(xiàn)有設(shè)計(jì)和施工規(guī)范中均沒(méi)有相同或類似的計(jì)算模型,因此針對(duì)該計(jì)算模型有如下分析。

(1)該支護(hù)形式與懸臂支護(hù)形式有類似的部分,基坑內(nèi)側(cè)鋼管樁與鋼板樁之間因中空,不屬于嚴(yán)格意義上的雙排樁支護(hù),故按照等效的懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

(2)由于基坑內(nèi)部原為泥塘,特別是西北角,原狀泥層厚4m。由此認(rèn)為,鋼板樁和鋼管插入到基坑底面以下仍未形成可靠支點(diǎn)。按照基坑深度8m和本場(chǎng)地的基坑底面下的地層分布推算,基坑底面下7m處鋼板樁和鋼管仍不是固支狀態(tài)。

(3)基坑在水平方向上,等效為鋼板樁和鋼管的組合形式,采用抗彎剛度等效的方式進(jìn)行等效。

(4)等效后的水平剛度,通過(guò)豎向剛度系數(shù)可實(shí)現(xiàn)與豎向的剛度建立聯(lián)系,采用基坑理正分析計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算后的等效剛度作為鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3.2 基坑的空間三維數(shù)值模擬分析計(jì)算(開挖深度6.5m)

(1)巖土地層：對(duì)于基坑外的巖土地層性質(zhì)考慮約三倍基坑開挖深度即基坑外水平方向26m寬度范圍；豎向深度巖土地層按照勘察鉆孔資料的分層厚度確定；對(duì)于基坑沿坑邊走向的邊線方向取多跨且長(zhǎng)度不少于20m；這樣形成立體三維的空間實(shí)體計(jì)算模型；盡管巖土材料為非線性彈塑性材料,但考慮到土壓力最終通過(guò)支擋結(jié)構(gòu)構(gòu)件與建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生聯(lián)合作用,其允許的變形控制假定處在彈性限度范圍內(nèi),為此對(duì)土壓力的計(jì)算模型選用德魯克-普拉格(Drucker-Prager)模型。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼板樁,采用平面板單元建立模型,其板的厚度根據(jù)豎向樁的剛度按照等效剛度轉(zhuǎn)換原則進(jìn)行,即：換算厚度為h=0.17m。

(3)臨時(shí)支撐采用梁?jiǎn)卧⒛Ｐ?采用I36c工字鋼,尺寸為：h=360mm,b=140mm,t=15.8mm。

(4)模型的計(jì)算分析為了盡量貼近實(shí)際,不采用靜力分析而采用施工階段分析,施工工況嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工流程定義,包括基坑開挖、鋼管的施工、內(nèi)支撐施工等。

(5)Midas-GTS三維大型分析軟件能夠較好的模擬包括塑性、非線性、粘塑性、粘彈性等在內(nèi)的多種非線性材料,本次分析的計(jì)算模型采用德魯克-普拉格(Drucker-Prager)模型,該模型能夠較好的模擬包括巖石和土體在內(nèi)的顆粒材料。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)本文計(jì)算以及數(shù)值模擬,對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提出以下建議：①減少基坑開挖深度,可采用抬高地下室結(jié)構(gòu)底板承臺(tái)底標(biāo)高的做法,減少基坑深度,實(shí)現(xiàn)減少基坑位移尤其是安全穩(wěn)定性的要求；

②整體加固基坑底部淤泥,基坑底部為淤泥,流動(dòng)性大且不穩(wěn)定,為此應(yīng)采用拋石擠淤等方法對(duì)基坑底部進(jìn)行置換加固處理,使基坑底部能夠形成剛度和強(qiáng)度較大的支點(diǎn)或支撐硬殼層,同時(shí)可增加鋼板樁和鋼管的豎向穩(wěn)定性,增加豎向剛度和平面剛度；③控制基坑頂外周邊施工荷載的大小和范圍,周邊道路和堆場(chǎng)盡量硬化或鋪設(shè)鋼板,減少荷載對(duì)基坑的影響；④鋼板樁和豎向鋼管之間的水平聯(lián)系梁可增加,以增加豎向剛度影響系數(shù),保證水平剛度的發(fā)揮,有利于控制位移。

該項(xiàng)目通過(guò)參考以上建議,對(duì)施工方案和主體方案重新進(jìn)行調(diào)整,成功解決了該工程施工中遇到的技術(shù)難題,該工程得以順利完工。

[1]胡凱山.扣件式鋼管模板支撐架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究[D].浙江大學(xué),2007．

[2]武亞軍.基坑工程中土與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用及邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析[D].大連理工大學(xué),2003．