用格形鋼板樁做深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)

高 倩 高增吉

1.煙臺(tái)市建筑設(shè)計(jì)研究股份有限公司 山東 煙臺(tái) 264000

2.煙臺(tái)金洋土木工程技術(shù)開發(fā)有限公司 山東 煙臺(tái) 264006

某大廈共32層，地下室3層。地下室層高2.8米。凈深8.4米，再加地下室底板厚度，基坑總深10米。建筑主體四周只有20米的施工面。

該工程位于海灘上，地下水與海水相通。土層自上而下為細(xì)砂、粉質(zhì)粘土和風(fēng)化巖。細(xì)砂厚12米，粉質(zhì)粘土厚6米，粉質(zhì)粘土下面為風(fēng)化巖。

該基坑工程如果采用現(xiàn)行《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ 120-2012）》中推薦的常規(guī)支護(hù)方法如噴錨支護(hù)法、單排鋼板樁法、單排灌注樁支護(hù)法、雙排鋼板樁法等難度較大。由于細(xì)砂沒有粘聚力，不能采用噴錨支護(hù)法；因?yàn)榛鶐r埋深較淺并且要抵抗水壓力，采用單排鋼板樁支護(hù)法、單排灌注樁支護(hù)法和雙排鋼板樁支護(hù)法樁底端無(wú)法穩(wěn)定。

根據(jù)上述水文、地質(zhì)和工作面的特殊情況，本工程參照《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》和《格形鋼板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工手冊(cè)》采用格形鋼板樁支護(hù)法效果較好。

格形鋼板樁一般由單根0.4米寬的直腹鋼板樁連接圍成格形。格內(nèi)充填砂石料，依靠本身的重量產(chǎn)生的摩擦力抵抗外側(cè)的土壓力和水壓力。格體的寬度根據(jù)基坑的深度和水文、地質(zhì)條件確定。由于能夠自身穩(wěn)定，可以沿鋼板樁格的內(nèi)側(cè)垂直開挖，具有其它支護(hù)方法沒有的優(yōu)越性。

格形鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算、抗傾穩(wěn)定計(jì)算、抗拔穩(wěn)定計(jì)算、鎖口拉力計(jì)算、地基穩(wěn)定計(jì)算和整體穩(wěn)定計(jì)算。

一、格形選擇

格形鋼板樁的平面形狀有圓格形、扁格形、四分格形、扁圓格形等，如圖1所示。

圖1 格形鋼板樁平面形狀

各種格形鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

1、圓格形

優(yōu)點(diǎn)：可以先做主格，后做輔格，施工中格體穩(wěn)定性較好，并且鋼板樁的用量與圓格的直徑無(wú)關(guān)。

缺點(diǎn)：圓格直徑受到鋼板樁鎖口極限拉力的限制，不能做得太大，并且填充時(shí)只能先填充主格再填充輔格，要求的挖掘機(jī)臂較長(zhǎng)。

2、扁格形

優(yōu)點(diǎn)：鋼板樁用量最省，且格形結(jié)構(gòu)的寬度不受鎖口極限拉力的限制，可以做得較寬。

缺點(diǎn)：施工中各格需要同時(shí)填充，施工難度較大。

3、四分格形

優(yōu)點(diǎn)：各格允許單獨(dú)填充，結(jié)構(gòu)寬度不受鋼板樁鎖口極限拉力的限制，施工中格體的穩(wěn)定性較好。

缺點(diǎn)：鋼板樁用量較大。

4、扁圓格形

優(yōu)點(diǎn)：可以連續(xù)做格體，逐個(gè)填充。

缺點(diǎn)：鎖口拉力較大，格體寬度受鎖口極限拉力的限制。

本工程基坑深度約10米，對(duì)于這種支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)不是很深，并且原始地面為海灘，可以先做鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)后開挖基坑，不必填充。所以，采用圓格形較合理。本例平面和剖面如圖2所示。

圖2 鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)平面和剖面圖

二、主要設(shè)計(jì)方法和參數(shù)

（一）結(jié)構(gòu)安全等級(jí)

本鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)屬于臨時(shí)建筑物，屬于Ⅲ級(jí)。

（二）設(shè)計(jì)條件

1、設(shè)計(jì)水位（按當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嬗?jì)算）

極端高水位：+2.66

設(shè)計(jì)高水位：+1.83

設(shè)計(jì)低水位：+0.03

極端低水位：-1.45

2、工程地質(zhì)

從設(shè)計(jì)地面往下依次為細(xì)砂12米厚，粉質(zhì)粘土6米厚，粉質(zhì)粘土下面為風(fēng)化巖。各層土的性質(zhì)如表1。

表1 各層土特性表

3、地震

本地區(qū)抗震烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g。

（三）荷載分析和計(jì)算方法

1、自重：按照?qǐng)A格換算寬度和填料容重計(jì)算，水下采用浮容重或者飽和容重。

2、土壓力：按照庫(kù)倫理論計(jì)算。

對(duì)于無(wú)粘性土：

（1）土自重產(chǎn)生的土壓力：eaH=γhKa

（2）地面勻布荷載產(chǎn)生的土壓力：eaqH=qKa

Ka=tan2(45°-Φ/2)

對(duì)于粘性土：

（1）土自重產(chǎn)生的土壓力：eaH=γhKa-2cKa0.5

（2）地面勻布荷載產(chǎn)生的土壓力：eaqH=qKa

Ka=tan2(45°-φ/2)

3、水壓力：按照水深和比重計(jì)算。

4、地面勻布荷載：取q=60kpa

應(yīng)注意的是由于圓格形鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)底，其所受的揚(yáng)壓力僅為鋼板樁本身受到的揚(yáng)壓力，可忽略不計(jì)。

（四）結(jié)構(gòu)計(jì)算

1、圓格形支護(hù)結(jié)構(gòu)直徑的確定

參照《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》中的《第二篇 水工結(jié)構(gòu) （JTJ 252-87）》中的《第九章 圍堰與基坑》，取圓格直徑D=0.8H (H為鋼板樁高度，本例中H=18米)。因鋼板樁每塊寬度為0.4米，圓格直徑應(yīng)是0.4米的倍數(shù)，取D=14.77米，每個(gè)圓格由116根0.4米寬的鋼板樁組成。

2、抗滑計(jì)算

參照《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》中的《第二篇 水工結(jié)構(gòu) （JTJ 252-87）》中的《第九章 圍堰與基坑》，第9.1.8條，以鋼板樁底端為滑動(dòng)面，抗滑安全系數(shù)按下式計(jì)算：

Ks=(Gtanφ+BC+Ep)/H≥1.2

式中：

Ks-抗滑安全系數(shù)，

G-圓格結(jié)構(gòu)的自重，包括填料自重（KN/m）,

2.3 尿酸鹽溶液的酸堿度 在生理pH值狀態(tài)下，MSU結(jié)晶的主要組成成分是尿酸鹽離子。尿酸鹽溶解度在pH值≤6或≥10時(shí)最大，在pH值為7～8時(shí)最小[10]。這可能與不同pH值條件下尿酸存在的形式不同有關(guān)：在37℃溶液中，當(dāng)pH值較低時(shí)是以尿酸為主；在較高pH值時(shí)，以尿酸鹽離子為主。另一項(xiàng)研究[11]發(fā)現(xiàn)，在37℃過(guò)飽和溶液中，pH值<5.62時(shí)，尿酸的濃度最高；pH值為5.62時(shí)，尿酸鹽離子的濃度最高；pH值接近9時(shí)，尿酸鹽離子開始轉(zhuǎn)變?yōu)橹啬蛩猁}離子。因此，通過(guò)改變尿酸鹽溶液的酸堿度，可以對(duì)MSU結(jié)晶產(chǎn)生影響，微堿性環(huán)境促進(jìn)痛風(fēng)石的形成。

H-作用于滑動(dòng)面以上除Ep以外的所有水平力的合力（KN/m），

B-計(jì)算滑動(dòng)面的寬度（m），取B=0.85D,

C-計(jì)算滑動(dòng)面上的粘聚力（kpa），

φ-計(jì)算滑動(dòng)面上土的內(nèi)摩擦角（°），本例中滑動(dòng)面為樁底端，土層為粉質(zhì)粘土，取φ=24.2°，

Ep-內(nèi)側(cè)鋼板樁覆蓋土的被動(dòng)土壓力（KN/m），取30%計(jì)算值。

本例計(jì)算結(jié)果如下：

（1）設(shè)計(jì)高水位：+1.83m時(shí)

圖3 設(shè)計(jì)高水位支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖

表2 抗滑計(jì)算成果表（設(shè)計(jì)高水位時(shí)）

（2）設(shè)計(jì)低水位：+0.03m時(shí)

圖4 設(shè)計(jì)低水位支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖

表3 抗滑計(jì)算成果表（設(shè)計(jì)低水位時(shí)）

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，在設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位時(shí)，圓格形支護(hù)結(jié)構(gòu)抗滑安全系數(shù)均大于1.2，抗滑安全性足夠。

3、抗傾計(jì)算

采用重力法，以鋼板樁內(nèi)側(cè)底端為支點(diǎn)，鋼板樁折算寬度按B=0.85D計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4和表5。

（1）設(shè)計(jì)高水位：+1.83m時(shí)

表4 力矩計(jì)算表（設(shè)計(jì)高水位時(shí)）

（2）設(shè)計(jì)低水位：+0.03m時(shí)

表5 力矩計(jì)算表（設(shè)計(jì)低水位時(shí)）

4、抗剪穩(wěn)定性計(jì)算

格形鋼板樁結(jié)構(gòu)的抗剪計(jì)算模型和理論有很多種，有各種理論計(jì)算方法。本例樁端位于巖基，可參照《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》中的《第二篇 水工結(jié)構(gòu) （JTJ 252-87）》中的《第九章 圍堰與基坑》，第9.1.9條，以基坑底平面的鋼板樁格中心取力矩進(jìn)行計(jì)算?？辜舭踩禂?shù)按下式計(jì)算：

Ks=(Sc+Ft)/Q

Sc=γH2Kctanφ/2

Ft= FtHKc(H-d)fs

Q=1.5M/B

式中：Ks-抗剪安全系數(shù)，大于或等于1.25，

Sc-中性面上填料的總抗剪力（KN），

Ft-中性面上鎖口的總抗剪力（KN），

Q-中性面上的總剪力（KN），

γ-填料重力密度（KN/m3）,

φ-填料內(nèi)摩擦角（°），

Kc-填料側(cè)壓力系數(shù)，取0.4-0.6，

fs-鋼板樁鎖口間的摩擦系數(shù)，取0.3，

H-基坑深度（m），

d-鎖口摩阻力最大處到基坑底的距離，取（1/4-1/2）H（m）,

M-水壓力、土壓力等外荷載對(duì)基坑底平面格形中心的合力矩（KNm）,

B-格形支護(hù)結(jié)構(gòu)的折算寬度（m）。

（1）設(shè)計(jì)高水位+1.83m時(shí)，抗剪穩(wěn)定性計(jì)算

圖5 設(shè)計(jì)高水位抗剪計(jì)算受力圖

在設(shè)計(jì)高水位時(shí)各參數(shù)計(jì)算如表6。

表6 抗剪計(jì)算表（設(shè)計(jì)高水位時(shí)）

Ks=(Sc+Ft)/Q =（290.43+114.58）/325.04=1.25,安全

（2）設(shè)計(jì)低水位+0.03m時(shí)，抗剪穩(wěn)定性計(jì)算

在設(shè)計(jì)低水位時(shí)各參數(shù)計(jì)算如表7。

表7 抗剪計(jì)算表（設(shè)計(jì)低水位時(shí)）

Ks=(Sc+Ft)/Q =（290.43+114.58）/299.36=1.35＞1.25,安全

5、抗拔計(jì)算

本例支護(hù)結(jié)構(gòu)為巖石地基，可以根據(jù)《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》中的《第

二篇 水工結(jié)構(gòu) （JTJ 252-87）》附錄十五的計(jì)算方法計(jì)算。結(jié)合本例的實(shí)際情況，抗拔安全系數(shù)為：

K1=[B(Pw+Pa)fgs+Mp+Mw2]/(Mw1+Ma)

式中：K1-巖基上鋼板樁抗拔安全系數(shù)，

Pw-水壓力（KN）,

Pa-主動(dòng)土壓力（KN）,

fgs-填料與鋼板樁間的摩擦系數(shù)，

B-支護(hù)結(jié)構(gòu)的折算寬度，

Mp-內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力產(chǎn)生的彎矩（KN.m）,

Mw2-內(nèi)側(cè)水壓力產(chǎn)生的彎矩（KN.m）,

Mw1-外側(cè)水壓力產(chǎn)生的彎矩（KN.m）,

Ma-外側(cè)被動(dòng)土壓力產(chǎn)生的彎矩（KN.m）。

（1）設(shè)計(jì)高水位+1.83時(shí)，根據(jù)圖2受力分析，抗拔穩(wěn)定性計(jì)算如表8。

表8 抗剪計(jì)算表（設(shè)計(jì)高水位時(shí)）

抗拔安全系數(shù)K1=1.26＞1.2,安全度足夠。

（2）設(shè)計(jì)低水位+0.03時(shí)，根據(jù)圖3受力分析，抗拔穩(wěn)定性計(jì)算如表9。

表9 抗剪計(jì)算表（設(shè)計(jì)低水位時(shí)）

抗拔安全系數(shù)K1=1.29＞1.2,安全度足夠。

6、鋼板樁鎖口拉力計(jì)算

根據(jù)《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》中的《第二篇 水工結(jié)構(gòu) （JTJ 252-87）》附錄十四，圓格形鋼板樁在主格圓弧處，t1=PR；在主格與連弧的連接點(diǎn)，t2=PL/cosφ。

式中：P-填料的水平拉力強(qiáng)度（kpa）,按照貯倉(cāng)壓力計(jì)算，

R-圓格半徑（m），

L-兩主格中心距（m）,

t1-主格圓弧處鎖口拉力（KN/m）,

t2-主格與圓弧連接點(diǎn)處鎖口拉力（KN/m）。

根據(jù)本例的受力情況，計(jì)算結(jié)果如表10。

表10 鎖口拉力計(jì)算表

從表10中可知，最大鎖口拉力t=t2=1783.54 KN/m,本例使用日本鋼板樁YSP-F型，鎖口極限拉力tu=4500 KN/m,鎖口強(qiáng)度安全系數(shù)：Kt=tu/t2=4500/1783.54=2.52,安全！

五、地基穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)于非巖地基尚應(yīng)進(jìn)行地基承載力和沉降計(jì)算。本例地基持力層為風(fēng)化巖，不必進(jìn)行這兩項(xiàng)計(jì)算。

六、整體穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)于非巖地基尚應(yīng)進(jìn)行地基整體穩(wěn)定計(jì)算。本例地基持力層為風(fēng)化巖，不必進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算。

七、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本例中鋼板樁購(gòu)買價(jià)8000元/噸，沉樁和拔樁費(fèi)2500元/噸。鋼板樁折舊按15%計(jì)算，折舊費(fèi)1200元/噸。支護(hù)結(jié)構(gòu)總造價(jià)3700元/噸。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表11。

表11 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

八、綜合利用

本支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工期作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，為大廈基礎(chǔ)和地下室的施工創(chuàng)造條件。在施工期結(jié)束后，如果不拆除，可以作為地下室的防滲結(jié)構(gòu)。

本工程地下水與海水相通，如果不做防滲結(jié)構(gòu)，地下水量很大，需要由地下室的擋水墻承受水壓力，墻體的斷面和配筋量會(huì)較大，地下室墻的防滲做法要求也高，增加工程總造價(jià)。采用本鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)作為永久防滲設(shè)施，可以有效降低工程總造價(jià)?？梢酝ㄟ^(guò)方案比選，擇優(yōu)采用。