淺談拉森鋼板樁在深基坑施工中的支護(hù)應(yīng)用

曹歡

采用拉森板樁圍護(hù)不僅施工工序簡單、強(qiáng)度高，而且施工速度方面快捷、造價(jià)費(fèi)用低，性價(jià)比高，所以在類似的基坑圍護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合案例來進(jìn)行闡述。

1.工程概況

全廠節(jié)水與廢水綜合治理改造土建及拆除工程項(xiàng)目中的排泥池，考慮到項(xiàng)目工期要求緊，根據(jù)現(xiàn)場條件綜合考慮，采用拉森樁進(jìn)行基坑支護(hù)，在滿足質(zhì)量、安全和進(jìn)度要求上均可滿足。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在原有凈水站系統(tǒng)新建一個(gè)排泥池，長度19.8m，寬度為4.2m，基坑深度5.2m，原地面標(biāo)高為3.7m，地下水位標(biāo)高為3.2m 左右。

2.支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)采納IV 型拉森鋼板樁，鋼板樁的長度為12m。圍囹均采用500mm×300mm×11mm×15mmH型鋼，垂直距離設(shè)置1 道400mm×200mm×8mm×13mmH 型鋼雙拼水平支撐。水平支撐的標(biāo)準(zhǔn)間距為3m（見圖1）。

鋼支撐和鋼圍囹的自重由小牛腿來支承，小牛腿采用20#槽鋼，小牛腿長度宜超過圍囹外邊5cm 以上，小牛腿與圍護(hù)樁焊接、水平支撐和圍囹連接，均雙面角焊縫，且焊縫高度不小于8mm，牛腿每隔2m 設(shè)置一個(gè)。

3.施工技術(shù)措施

3.1 鋼板樁的打樁

鋼板樁的插打是一個(gè)比較重要的工序，對整個(gè)支撐體系質(zhì)量的好壞起到?jīng)Q定性因素，所以首先必須選擇正確的打樁技術(shù)，以確保鋼板樁打樁完畢后形成一個(gè)剛度和防水性較好的支撐體系，以便對后續(xù)施工提供有效的施工安全空間[1]。

鋼板樁插打的機(jī)械采用帶震動(dòng)錘履帶式挖機(jī)。12m 的鋼板樁在施打中，鋼板樁容易向一邊歪斜，如果以此累計(jì)的話，誤差越來越大不易糾正，所以適合采用屏風(fēng)式打入法，安裝導(dǎo)架。

圖1 鋼板樁支撐平面布置圖

封閉式鋼板墻的施工，首先要從邊角處開始插打，第一根鋼板樁的打入質(zhì)量決定著后續(xù)鋼板樁的插打質(zhì)量，開頭沒施工好，后續(xù)的延伸也會(huì)誤差越來越大，導(dǎo)致整體誤差越來越大。同時(shí)第一根鋼板樁也是最難施工的，由于單根打入很容易向某一邊歪斜，必須重視此問題，因此測量人員對鋼板樁圍墻的軸線測量是尤為重要的。

插打中必須監(jiān)測每一根鋼板樁的傾斜度，保證其傾斜度不超過2%。如果發(fā)現(xiàn)鋼板樁的偏斜度過大，那么必須調(diào)整振動(dòng)對其進(jìn)行調(diào)整，如果調(diào)整后還達(dá)不到規(guī)范范圍，必須拔起重新插打。

3.2 基坑挖土及鋼管內(nèi)支撐安裝

土方開挖選用1 臺(tái)長臂挖機(jī)施工，應(yīng)該采取先支撐后挖土的形式，分別分層進(jìn)行出土。

開挖深度＜6m 的基坑開挖分兩個(gè)階段，第一階段挖到支撐下0.5m 左右，停止挖土安裝內(nèi)支撐，先將45cm 的牛腿焊在拉森鋼板樁上，所有的牛腿標(biāo)高必須一致，誤差控制在1cm 之內(nèi)，然后采用15T吊機(jī)兩點(diǎn)起吊400mm×200mm的H型鋼，安放在牛腿上，兩端采用點(diǎn)焊在拉森鋼板樁上，防止圍囹水平位移。水平支撐采用吊機(jī)兩點(diǎn)起點(diǎn)，臨時(shí)擱置在牛腿上，同時(shí)吊機(jī)靜止吊著防止滑落，水平支撐必須保持與圍檁的垂直度，水平支撐與圍囹的焊縫高度大于等于8mm，支撐完畢后挖土到基坑底以上30cm 左右，再采用人工挖土，以防止機(jī)械土方超挖，人工挖土至基坑設(shè)計(jì)底標(biāo)高[2]。

3.3 鋼板樁的拔除

拔樁時(shí)，可以先振動(dòng)錘原地震動(dòng)，目的在于減小鎖口阻力及土的阻力，然后同振同拔。如果遇到引拔阻力較大的拉森鋼板樁時(shí)，停止向上拔樁，同時(shí)原地振動(dòng)控制在15min 左右，直至振活或者震松鎖扣，達(dá)到鎖口以及土的阻力[3]。

當(dāng)鋼板樁拔除的高度，比廢水池底板高50cm 時(shí)，應(yīng)暫停拔樁，先震動(dòng)5min后，以便讓土孔盡量填實(shí)一點(diǎn)，然后再繼續(xù)往上拔。最后鋼板樁拔除后土體上留下的縫隙，應(yīng)第一時(shí)間黃砂回填。

4.基坑支護(hù)驗(yàn)算

4.1 荷載計(jì)算

（1）土質(zhì)基本參數(shù)（見表1）

根據(jù)地址報(bào)告，鋼板樁擋土墻后各層物理力學(xué)性質(zhì)不一，采納加權(quán)平均法計(jì)算內(nèi)摩擦角φ、容重γ、C。

根據(jù)下列公式：r=∑rihi/H

C=∑Cihi/H

Φ=∑Φihi/H

其中：r、C、Φ—換算土層的等效重度、等效粘聚力和等效內(nèi)摩擦角；

ri、Ci、Φi分別代表各分層土的重度、粘聚力和內(nèi)摩擦角；

hi —各分層土的土層厚度；

H —各分層土的總厚度，H=∑hi。

將數(shù)據(jù)帶入得出：

r=（18.5×2+17.4×3.2）/5.2=17.8kN/m3

C=（18×2+12×3.2）/5.2=14.3kPa

Φ=（15×2+14.9×3.2）/5.2=14.9°

（2）力學(xué)分析

根據(jù)下列公式：

主動(dòng)土壓力系數(shù)為Ka=tan2（45-Φ/2）=0.591

被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp=tan2（45+Φ/2）=1.692

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Φ=14.9°代入上式得出：Ka=0.591 Kp=1.692

基坑四周的施工荷載取值為q=20KN/m2，所以轉(zhuǎn)化為土壓力的高度為h=q/r=20/17.8=1.13m。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，該位置的地下水位的標(biāo)高H 水=3.20m，根據(jù)下列公式：

主動(dòng)土壓力Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）

表1 地基土承載力特征值

主動(dòng)水壓力Pa水=r1H水Ka

其中：r —土加權(quán)容重，r=17.8kN/m3；

H土—基坑深度、施工荷載轉(zhuǎn)化為土壓力高度（h）兩者之和；

Φ—加權(quán)內(nèi)摩擦角；

r1—水的容重，r1=10 kN/m3；

H水—地下水距離基坑底高度，H水=5.2-0.5=4.7m。

土壓力Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）=17.8×（5.2+1.13）×0.591-2×14.3×0.769=44.60kN/m2

圖2 作用于鋼板樁的土壓力分布簡化圖

水壓力Pa水=r1H水Ka=10×4.7×0.591=27.78 kN/m2

故P總=Pa土+Pa水=44.60+27.78=72.38 kN/m2

4.2 支撐點(diǎn)驗(yàn)算

查表得，IV 型的鋼板樁的參數(shù)W=2037cm3,容許抗彎強(qiáng)度[f]=200000kPa，

則Mmax=[α]W=407.4kN

根據(jù)《建筑施工計(jì)算手冊》計(jì)算允許抵抗彎矩計(jì)算樁頂部懸臂部分的最大允許跨度h0

Mmax=rKah03/6

r —土的容重，取值17.8KN/m3；Ka代表主動(dòng)土壓力系數(shù)，取值0.591，

代入數(shù)據(jù)407.4=17.8×0.591×h03/6

h0=6.160m

根據(jù)各支撐等彎矩布置則

h1=1.11h0=6.776m h2=0.88h0=5.420m

故設(shè)置一道支撐可以滿足規(guī)范要求。

實(shí)際支撐點(diǎn)調(diào)整為h0=1.5m，h1=3.2m

4.3 圍囹和鋼支撐計(jì)算

（1）圍囹驗(yàn)算

圍囹采用500×300×11×15 的H 型鋼，查表得該型鋼的截面特性：

I=62459.6cm4，W=1148cm3，容許抗彎強(qiáng)度[f]=200000KPa

由于基坑長度為19.8m，橫向支撐中間標(biāo)準(zhǔn)的間距是3.0m，兩端橫向的間距2.4m，為了簡化計(jì)算，按最大間距3.0m橫向支撐，按簡支梁來計(jì)算。

圖3 支撐點(diǎn)受力分析

根據(jù)上圖分析分別計(jì)算出A 點(diǎn)、B點(diǎn)土壓力和水壓力，

主動(dòng)土壓力Pa土=rH土Ka-2Ctan（45-Φ/2）

主動(dòng)水壓力Pa水=r1H水Ka

其中：r —土加權(quán)容重，r=17.78kN/m3；H土—基坑深度、施工荷載轉(zhuǎn)化為土壓力高度（h）兩者之和。

Φ—加權(quán)內(nèi)摩擦角；

r1— 加水的容重，r1=10 kN/m3；

H水— 地下水距離計(jì)算點(diǎn)高度 。

A 點(diǎn)：Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）=17.8×1.130×0.591=11.89 kN/m2

A 點(diǎn)：Pa水=0kN/m2

B 點(diǎn)：Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）=17.8×4.48×0.591-2×14.3×0.7691=25.13 kN/m2

B 點(diǎn)：Pa水=r1H水Ka=10×2.85×0.591=16.84 kN/m2

所以圍囹總壓力P總=（11.89+0+25.13+16.84）/ 2=26.93 kN/m2

支撐反力：Q=P均×A=26.93×3×3.35=270.65kN

故q=P總×（h0+h1/2）

q=26.19×3.35=87.74kN/m

M=ql2/8=87.74×3×3/8=98.71kN.m

圍囹最大彎矩：MMax=W[f]=2498×10-6×200000=499.6 kNm

M=98.71 KN.m ＜MMax=499.6 kNm

所以500×300H 型鋼圍囹滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）水平支撐桿的受力計(jì)算

水平支撐采用400×200×8×13 雙拼作為水平支撐。

計(jì)算長度取值8.8 m，支撐面A=81.9cm2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I=22964mm4

容重r=78.5 kN/m3彎曲界面系W=1090m3回轉(zhuǎn)半徑 i=15.9cm

桿件長細(xì)比：λ=880/15.9=55.34

查表得失穩(wěn)系數(shù)：φ=0.742

故支撐桿的抗彎應(yīng)力α1=Q/A/φ

其中：Q — 單根支座反力Q=270.65KN/2=135.32×103N；

A—截面積 A=81.9cm2=8190mm2。

數(shù)據(jù)代入上式中，

σ1=135.32×103/8190/0.742=22.27/mm2

其中：自重彎矩M=ql2/8=r鋼AL2/8；

r—鋼的容重 取值78.5kN/ m3；

A—支撐桿截面積，取值81.9；

L—支撐桿長度，取值6。

數(shù)據(jù)代入上式中，得出

自重彎矩M=78.5×81.9×10-4×6×6/8=2.89/6.5kN.m

自重應(yīng)力σ2=2.89×106/1090×106=0.003N/mm2

故α總=σ1+σ2=22.27+0.003=22.273N.mm ＜200Nm

所以400×200H 型鋼雙拼水平支撐符合要求。

4.4 入土深度計(jì)算

根據(jù)盾恩法計(jì)算樁的入土深度

rHKa（hi+t）=r（Kp-Ka）t2

其中：H — 基坑至樁頂高度；

hi — 最后一道支撐距離基坑底距離取值3.70m。

Kp 被動(dòng)土壓力系數(shù)，取值1.692 Ka=0.591

解得t=5.48m

所以應(yīng)乘以個(gè)安全系數(shù)1.2，T=1.2t=6.57m

故鋼板樁最短長度為6.57+5.2=11.77m

選擇12m ＞11.77m，所以12m 鋼板樁符合要求。

4.5 抗隆起計(jì)算

根據(jù)《施工建筑計(jì)算手冊》抗隆起安全系數(shù)的計(jì)算公式

H — 鋼板樁的深度 取值12m；

h — 基坑最大開挖深度 取值5.20m；

h1—基坑最底一層一道支撐的深度取值3.70m；

t — 排樁有效計(jì)算插入坑底深度 取值6.8m；

Ka —主動(dòng)土壓力系數(shù) 取值0.591

q — 施工荷載 取值20kN/m；

r —土的加權(quán)容重 取值17.8 KN/m2；

C — 土的粘聚力取值14.3 kPa。

代入數(shù)據(jù)得出K=2.06 ＞1.0，所以抗隆起系數(shù)安全。

4.6 抗管涌驗(yàn)算

不發(fā)生管涌的條件為：

（Khrw-Rh）/2R ≤t,其中：

K — 抗管涌安全系數(shù)，取K=2.0；

R — 土的浮容重，r為地基土的重度，則R=r-rw=10kN/m3

rw— 地下水的重度；10 kN/m3

t — 圍護(hù)墻的入土深度；6.80m

h — 地下水位至坑底的距離，（即地下水形成的水頭差）。取值4.7m

代入數(shù)據(jù)得出：

（2×4.7×10-10×4.7）/2×10=2.35≤6.8m

所以不會(huì)發(fā)生管涌的現(xiàn)象。

5.基坑監(jiān)測

5.1 利用監(jiān)測儀器進(jìn)行基坑監(jiān)測

在基坑監(jiān)測過程中，要使用水平儀和經(jīng)緯儀進(jìn)行測量。地面和完工過程中的標(biāo)高以及沉降需要用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量；不同位置點(diǎn)的水平位移需要用經(jīng)緯儀進(jìn)行測量。

5.2 布置監(jiān)測和頻率檢測

在廢水池基坑的施工過程中，對拉森鋼板樁支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測，在控制點(diǎn)的設(shè)置中，應(yīng)將其設(shè)置在距離鋼板樁5m 的位置處。在基坑開挖前要用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀測出初始值，同事要對原始值機(jī)械能誤差檢驗(yàn)。檢測頻率需要根據(jù)開挖過程中實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。在開挖過程中，檢測頻率不少于每小時(shí)2 次。在發(fā)現(xiàn)鋼板樁頂變化較大時(shí)，則適當(dāng)增加檢測次數(shù)，觀測穩(wěn)定時(shí)可延長觀測時(shí)間[4-5]。

6.結(jié)束語

在本工程施工過程中，廢水池基坑周圍土體以及底部均未出現(xiàn)基坑土體剪切破壞或者失穩(wěn)的跡象，周邊管線以及建筑物均為僅出現(xiàn)微小的沉降，位移幾乎為零，充分體現(xiàn)了拉森鋼板樁施工速度快，且施工安全的特點(diǎn)。

拉森鋼板樁施工工藝比較簡單，且施工工期短、施工費(fèi)用低，目前在類似項(xiàng)目的基坑圍護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，值得類似工程參考。