裝配式H 型鋼支撐在超深厚軟土基坑中的應(yīng)用

汪海生， 陶言祺

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 安徽 合肥230011)

在軟土基坑工程中， 變形控制往往是工程建設(shè)的重難點(diǎn)[1]， 尤其在超深厚軟土基坑或變形要求高的復(fù)雜環(huán)境下， 需要采用擋土結(jié)構(gòu)結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)形式才能有效控制變形， 減少對(duì)周邊環(huán)境的影響[2-3]。 國(guó)內(nèi)支撐材料多以鋼筋混凝土為主體， 存在耗能大、 周期長(zhǎng)、 拆除不便等情況， 鋼支撐在基坑支護(hù)中的應(yīng)用相對(duì)較少。 隨著國(guó)家推進(jìn)源頭減排、 節(jié)能環(huán)保， 裝配式綠色施工技術(shù)被廣泛應(yīng)用[4]。 裝配式H 型鋼支撐支護(hù)技術(shù)是由國(guó)外引進(jìn)并在創(chuàng)新的基礎(chǔ)上建立的， 技術(shù)成熟， 具有節(jié)能環(huán)保、 安全便捷、 綠色施工等優(yōu)勢(shì)[5]。 在國(guó)內(nèi)一些重大工程中被逐漸推廣應(yīng)用， 取得了良好的社會(huì)效益。

本文綜合介紹船閘基坑工程的現(xiàn)狀情況， 結(jié)合軟土基坑的施工挖土方案， 選取裝配式H 型鋼支撐用于試驗(yàn)段基坑加固， 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，對(duì)原雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)增加裝配式H 型鋼支撐進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

船閘位于皖蘇交界的某干流航道上， 由于舊船閘報(bào)廢， 在舊閘原址重建新閘。 船閘基坑深度15.0 ～19.3 m， 東西向呈長(zhǎng)方形， 東西長(zhǎng)度約425.0 m， 南北向?qū)挾?3.8 ～58.6 m， 現(xiàn)狀周邊環(huán)境復(fù)雜， 安徽側(cè)坡頂分布較多民房， 民房距離圍護(hù)樁凈距最近約15.0 m， 江蘇側(cè)河堤距離圍護(hù)樁最近約15.0 m。 原設(shè)計(jì)雙排樁、 坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)、 前后排樁間、 局部邊坡水泥土攪拌樁施工完成。

閘室基坑從連梁向下開(kāi)挖7.6 m 至高程-1.6 m時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移。 為保障后續(xù)基坑開(kāi)挖和外部環(huán)境的安全， 根據(jù)現(xiàn)狀情況， 結(jié)合施工安全性、 經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比選， 推薦采用原雙排樁結(jié)構(gòu)增加裝配式H 型鋼支撐方案進(jìn)行加固。 原基坑參數(shù)為: 雙排樁支護(hù)， 排距6.0 m， 前、 后排樁間距分別為1.7、 3.4 m， 樁徑1.2 m， 設(shè)計(jì)底高程、開(kāi)挖高程分別為-4.5、 -1.6 m， 首次開(kāi)挖位移9～10 cm， 坑內(nèi)回填沉降穩(wěn)定高程2.0 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告， 基坑范圍內(nèi)分布著約20 m厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土， 特性差， 呈流塑狀，具有壓縮性高、 強(qiáng)度低、 透水性差、 靈敏度高等特點(diǎn)。 ③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土， 勘察揭露層厚18.4 ～20.0 m； ④1黏土， 勘察揭露層厚2.0 ～8.9 m；⑦圓礫勘察揭露層厚0.7 ～2.8 m； ⑧1強(qiáng)風(fēng)化砂巖勘察揭露層厚0.7 ～3.9 m； ⑧2中風(fēng)化砂巖層未揭穿， 揭露最大厚度14.8 m。 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層主要物理力學(xué)特性指標(biāo)

2 基坑加固方案設(shè)計(jì)

2.1 基坑加固方案

試驗(yàn)段基坑設(shè)兩層臨時(shí)鋼支撐， 采用裝配式H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm(高度×寬度×腹板厚度×翼緣板厚度)型鋼。 第1 層鋼支撐Z1 設(shè)置在連冠梁位置， 第2 層鋼支撐Z2 與第1 層鋼支撐豎向間距為5.0 m； 通過(guò)型鋼腰梁、 混凝土腰梁與圍護(hù)樁形成整體受力體系， 豎向設(shè)置立柱確保鋼支撐的豎向穩(wěn)定， 鋼支撐構(gòu)件主受力構(gòu)件采用拼裝連接， 基坑加固斷面見(jiàn)圖1。

圖1 基坑加固斷面(單位: m)

2.2 裝配式H 型鋼內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

分別采用理正7.0 軟件和GTS-NX 有限元軟件進(jìn)行基坑支護(hù)計(jì)算。

船閘基坑形狀為狹長(zhǎng)矩形， 可按平面問(wèn)題進(jìn)行處理。 有限元分析計(jì)算采用的是平面應(yīng)變假定，建模采用GTS-NX 中的平面有限元法， 樁體、 立柱、 連冠梁、 型鋼支撐為彈性模型， 采用梁線(xiàn)單元模擬； 土體采用軟件中修正Mohr-Coulomb 模型。忽略樁間土體繞流和縱向邊界的影響， 假定模型左右邊界水平位移為零， 豎向允許變形， 下邊界各方向均不發(fā)生位移， 模型共計(jì)15 743 個(gè)節(jié)點(diǎn)、15 340 個(gè)單元， 見(jiàn)圖2。

圖2 基坑開(kāi)挖的有限元模型

有限元計(jì)算模型設(shè)置7 個(gè)工況: 工況1 為初始應(yīng)力分析； 工況2 為施工支護(hù)樁、 連冠梁、 立柱； 工況3 為首次開(kāi)挖至高程2.0 m； 工況4 為架設(shè)首層型鋼支撐； 工況5 為二次開(kāi)挖至高程0 m；工況6 為架設(shè)兩層型鋼支撐； 工況7 為最后開(kāi)挖至-4.5 m。 理正計(jì)算無(wú)工況1、 2。 根據(jù)基坑現(xiàn)狀， 確定加固設(shè)計(jì)參數(shù)， 見(jiàn)表2。

表2 基坑加固設(shè)計(jì)參數(shù)

支護(hù)系統(tǒng)抗傾覆、 整體穩(wěn)定、 抗隆起驗(yàn)算依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[6]。 對(duì)工況7 的支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)算， 結(jié)果見(jiàn)表3， 計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表3 加固計(jì)算結(jié)果

2.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

1)連梁水平位移分析。 試驗(yàn)段基坑兩側(cè)連冠梁頂部分別有4 個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 江蘇側(cè)為ZQS1-35～ZQS1-38， 安徽側(cè)為ZQS2-27 ～ZQS2-30。自回填沉降穩(wěn)定后至支撐系統(tǒng)安裝完成前， 江蘇側(cè)水平位移最大增長(zhǎng)了約10 mm， 安徽側(cè)最大增加了約40 mm， 表明回填完成后基坑水平位移仍在發(fā)展。 支撐系統(tǒng)安裝完成后至開(kāi)挖至建基面，江蘇側(cè)位移增長(zhǎng)了約12 mm， 安徽側(cè)水平位移增長(zhǎng)了約15 mm； 開(kāi)挖過(guò)程中型鋼支撐有效控制了水平位移的發(fā)展。 江蘇側(cè)實(shí)際總位移22 mm； 安徽側(cè)實(shí)際總位移55 mm， 對(duì)比3 個(gè)開(kāi)挖工況下監(jiān)測(cè)水平位移、 理正和GTS-NX 計(jì)算結(jié)果， 計(jì)算結(jié)果較接近監(jiān)測(cè)值， 見(jiàn)圖3。

圖3 連冠梁頂部水平位移對(duì)比

2) 土體深層水平位移分析。 試驗(yàn)段基坑支護(hù)后側(cè)土體中有2 根測(cè)斜管， 測(cè)斜管自基坑回填完成后埋設(shè)并監(jiān)測(cè)。 自回填完成后至支撐系統(tǒng)安裝完成前， 測(cè)斜管發(fā)生了整體位移， 樁后土體在④1粉質(zhì)黏土中存在深層水平位移， 見(jiàn)圖4。 表明基坑發(fā)生位移后， 軟土流變[7]， 外側(cè)土體存在深層滑弧。 但在型鋼支撐系統(tǒng)安裝完成后至開(kāi)挖至建基面， 3 條曲線(xiàn)很接近， 說(shuō)明土體的深層水平位移發(fā)展趨勢(shì)減緩， 得到了控制。

3) 鋼支撐軸力分析。 試驗(yàn)段施工在12 月—次年1 月， 晝夜溫差大， 鋼支撐軸力受溫度影響變幅在150～250 kN[8]， 見(jiàn)圖5。 根據(jù)軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果， 試驗(yàn)段軸力監(jiān)測(cè)最大值為950 kN(＜1 872 kN)， 實(shí)際值約為理正計(jì)算結(jié)果的50%， 與有限元計(jì)算結(jié)果上層支撐軸力最大值1 019.2 kN 較接近。

圖4 土體深層水平位移

圖5 上層鋼支撐軸力

3 裝配式H 型鋼支撐施工技術(shù)

基坑內(nèi)部高程為2.0 m， 由于10 m 長(zhǎng)鋼筋籠和15 m 長(zhǎng)格構(gòu)柱(截面邊長(zhǎng)400 mm)， 難以整根吊裝， 現(xiàn)場(chǎng)格構(gòu)柱分10、 5 m(地面以上)兩段施工， 下段與鋼筋籠一同吊裝并采用限位裝置保證格構(gòu)柱的入土垂直度， 后期上段與下段焊接。 鋼支撐拼裝完成后在鋼腰梁和原支護(hù)結(jié)構(gòu)間采用細(xì)石混凝土找平， 細(xì)石混凝土達(dá)7 d 齡期后， 施加預(yù)加力并進(jìn)行土方開(kāi)挖。

現(xiàn)場(chǎng)裝配式H 型鋼先支撐一半船閘基坑， 后期采用周轉(zhuǎn)倒運(yùn)、 流水作業(yè)的方式重復(fù)利用一次，相比混凝土支撐， 節(jié)省工期和造價(jià)。

4 結(jié)論

1)計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明， 裝配式H 型鋼支撐作為試驗(yàn)段基坑加固措施有效地控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移， 保證基坑開(kāi)挖的安全穩(wěn)定， 減小了對(duì)周邊環(huán)境的影響， 可用于船閘的基坑加固。

2)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果， 基坑支護(hù)發(fā)生較大位移后，軟土長(zhǎng)期蠕變， 采用型鋼支撐加固后趨勢(shì)減緩，土體深層水平位移發(fā)展得到控制。

3)鋼支撐軸力受溫度影響較大， 計(jì)算模型中未考慮溫差效應(yīng)， 對(duì)于鋼支撐系統(tǒng)的影響還有待進(jìn)一步研究， 建議施工中采用軸力自動(dòng)伺服系統(tǒng)以避免溫差帶來(lái)的不利影響。