鋼板樁在濕陷性黃土地區(qū)深基坑支護(hù)中的應(yīng)用研究

楊 陽(yáng)

(1.隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000；2.甘肅省高校黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

由于濕陷性黃土具有結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育等工程特點(diǎn)，在濕陷性黃土地區(qū)深基坑開挖過程中需要進(jìn)行安全的支護(hù)，以保證建設(shè)工程的安全性[1-4]。鋼板樁支護(hù)是一種典型的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，近年來(lái)，很多專家學(xué)者針對(duì)鋼板樁支護(hù)進(jìn)行了理論和應(yīng)用研究。劉陽(yáng)平[5]針對(duì)鄰近既有線的基坑支護(hù)工程，對(duì)鋼板樁支護(hù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和施工應(yīng)用研究。卓全[6]分析了鋼板樁支護(hù)在地埋式污水處理池工程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。許立等[7]研究了建筑物保護(hù)加固中鋼板樁的支護(hù)應(yīng)用。徐順平等[8]研究了雙排鋼板樁圍堰在深厚軟土地基中的應(yīng)用。李瓊林等[9]研究了臨近軟土路基深溝開挖支護(hù)中鋼板樁的應(yīng)用。王理[10]利用有限元分析軟件對(duì)比研究了鋼板樁、SMW工法和鉆孔灌注三種圍護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼板樁支護(hù)由于自身具有高強(qiáng)度、對(duì)空間要求低、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在基坑支護(hù)中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，但在濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)用較少，有待于進(jìn)一步研究和推廣。因此，本文以濕陷性黃土地區(qū)某深基坑為例，在基坑施工作業(yè)區(qū)域狹小等不利因素下，進(jìn)行了鋼板樁支護(hù)的應(yīng)用研究，闡明了鋼板樁在濕陷性黃土地區(qū)深基坑支護(hù)中的可行性，為濕陷性黃土地區(qū)深基坑鋼板樁支護(hù)增加了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于鋼板樁支護(hù)在同類工程支護(hù)中的使用和推廣具有很好的借鑒意義[11-13]。

1 工程概況

某城市海綿城市改造工程中擬建重力污水管道，需在非機(jī)動(dòng)車道距東側(cè)人行道路沿路沿石1.5米處開挖截水井基坑，最大深度達(dá)到11m，基坑平面尺寸為5m×5m，四周無(wú)放坡條件。本次勘察的最大揭露深度55m，根據(jù)本次勘察鉆孔揭露結(jié)果，勘探深度范圍內(nèi)，自上而下去除車行道路面結(jié)構(gòu)層外主要由新近堆積的填土、馬蘭黃土和離石黃土構(gòu)成，具體土層參數(shù)見表1?？睖y(cè)深度55m范圍內(nèi)無(wú)地下水。

表1 土層參數(shù)

2 鋼板樁支護(hù)設(shè)計(jì)

鑒于該工程位于主干道的非機(jī)動(dòng)車道上，無(wú)封閉交通和放坡條件，且基坑深度達(dá)到11m，故決定采用SP-Ⅳ型拉森鋼板樁支護(hù)。

2.1 鋼板樁相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.1 鋼板樁參數(shù)：SP-IV型鋼板樁寬400mm，高170mm，厚15.5mm，截面積96.9cm2，理論重量76.1kg/m，自帶鎖口相互插接連接。

2.1.2 鋼板樁內(nèi)支撐參數(shù)：鋼板樁之間采用工25b腰梁圍檁進(jìn)行連接，直徑DN180mm×12mm的鋼管進(jìn)行斜內(nèi)支撐。

2.2 鋼板樁布設(shè)

該基坑設(shè)計(jì)總深11m，按二級(jí)基坑進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，基坑周邊荷載按照地面超載20kPa考慮，鋼板樁布設(shè)形式見圖1。鋼板樁采用24m長(zhǎng)的SP-IV型森鋼板樁加4道內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)，鋼板樁之間采用工25b腰梁圍檁進(jìn)行連接，直徑DN180mm×12mm的鋼管進(jìn)行斜內(nèi)支撐分別在每邊距端部1.5m處加設(shè)，第一道支撐距地面1m，第二道支撐距第一道支撐2m，第三道支撐距第二道支撐2.5m鋼板樁，第四道支撐距第三道支撐2.5m。土方開挖應(yīng)該分段分層連續(xù)施工，開挖至板樁頂標(biāo)高以下1.5m時(shí)，進(jìn)行第1道支撐施工，開挖至板樁頂標(biāo)高以下3.5m時(shí)，進(jìn)行第2道支撐施工，開挖至板樁頂標(biāo)高以下6m時(shí)，進(jìn)行第3道支撐施工，開挖至板樁頂標(biāo)高以下8.5m時(shí)，進(jìn)行第4道支撐施工。

圖1 鋼板樁布設(shè)形式

2.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

本文分別采用彈性法土壓力法和經(jīng)典法土壓力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。彈性土壓力法是將作用樁墻上的支錨點(diǎn)簡(jiǎn)化為彈性支撐，將基坑開挖面以下被動(dòng)側(cè)土體簡(jiǎn)化成水平向的彈性支撐，將主動(dòng)側(cè)的土壓力施加到樁墻之上。利用有限元分析方法或數(shù)值計(jì)算方法，求得到其內(nèi)力及位移。經(jīng)典土壓力法中具有代表性的是等值梁法，將內(nèi)撐和錨桿處假定為不動(dòng)鉸支座。計(jì)算出樁兩側(cè)的土壓力及其分布后，按靜力平衡法計(jì)算支護(hù)構(gòu)件各點(diǎn)的內(nèi)力。計(jì)算中彎矩折減系數(shù)取0.85，剪力折減系數(shù)取1.00，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.25，得到了開挖完成后結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖

由圖2可知：采用彈性法土壓力模型計(jì)算得到基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為114.37kN·m，基坑外側(cè)最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值66.52kN·m，最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值為82.02kN，鋼板樁最大位移為13.89mm，內(nèi)支撐最大支反力標(biāo)準(zhǔn)值為120.52kN。采用經(jīng)典法土壓力模型計(jì)算得到基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為61.38kN·m，基坑外側(cè)最大彎矩78.20kN·m，最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值為82.16kN，鋼板樁最大位移為0mm，內(nèi)支撐最大支反力標(biāo)準(zhǔn)值為130.41kN。

2.4 地表沉降計(jì)算

由于鋼板樁前土體的挖除，破壞了原來(lái)的基坑平衡狀態(tài)，鋼板樁向基坑方向的位移，必然導(dǎo)致鋼板樁后土體中應(yīng)力的釋放和取得新的平衡，將引起鋼板樁后土體的位移。土體位移可以分解為土體向基坑方向的水平位移以及土體豎向位移，其中土體豎向位移的總和表現(xiàn)為地面的沉陷?；娱_挖過程中的地表沉降的范圍還取決于地層的性質(zhì)、基坑開挖深度H、墻體入土深度、下臥軟弱土層深度、基坑開挖深度以及開挖支撐施工方法等。沉降范圍一般為(1～4)H。地表最大沉降近似于樁體最大水平位移，典型的地表沉降曲線主要有三角形曲線、指數(shù)曲線和拋物線[14]。本文地表沉降具體計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 地表沉降圖

由圖3可知：用三角法計(jì)算得到基坑地表最大沉降量為13mm，拋物線法計(jì)算得到基坑地表最大沉降量為20mm，指數(shù)法計(jì)算得到基坑地表最大沉降量為10mm。

2.5 鋼板樁截面計(jì)算

結(jié)構(gòu)內(nèi)力分別采用彈性土壓力法和經(jīng)典土壓力法計(jì)算，得到基坑最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為114.37kN·m。通過計(jì)算可得：基坑最大彎矩設(shè)計(jì)值為121.52kN·m，選用的SP-IV型鋼板樁每延米抗彎模量2270cm3，允許抗彎應(yīng)力215MPa，鋼板樁計(jì)算抗彎應(yīng)力為53.532MPa小于允許抗彎應(yīng)力，故鋼板樁截面滿足規(guī)范要求。

2.6 整體穩(wěn)定性計(jì)算

基坑支護(hù)進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算的目的就是要防止基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體整體滑動(dòng)失穩(wěn)破壞，常用的整體穩(wěn)定性分析條分法主要有瑞典圓弧滑動(dòng)法、簡(jiǎn)化Bishop法、Janbu法、力平衡方法、Morgenstern-Price法和Spencer法等。分析的方法雖然很多，但目前工程實(shí)踐中常用的分析方法就是瑞典圓弧滑動(dòng)條分法，但該方法中僅能滿足整個(gè)滑動(dòng)土體的整體力矩平衡條件，產(chǎn)生的誤差一般會(huì)使求出的安全系數(shù)偏低10%—20%[14]。

本文的整體穩(wěn)定性計(jì)算方法采用瑞典條分法，應(yīng)力狀態(tài)按有效應(yīng)力法計(jì)算，條分法中的土條寬度取0.40m，滑裂面數(shù)據(jù)具體為：圓弧半徑25.020m，圓心坐標(biāo)(-2.606，11.839)，計(jì)算至開挖11m，計(jì)算得到整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.202>1.30,滿足規(guī)范要求。

2.7 內(nèi)支撐計(jì)算

鋼板樁支撐形式采用最基本最原始的支護(hù)方式——內(nèi)支撐，邊撐邊挖法施工，可保證鋼板樁位移得到有效控制。內(nèi)支撐采用I25b工字鋼圈梁和DN180mm×12mm的斜撐組成，如圖4所示。取圖2計(jì)算得到的最大支撐反力作為內(nèi)支撐設(shè)計(jì)荷載。內(nèi)支撐最大反力為130.41kN/m,采用大型有限元分析軟件Midas進(jìn)行整體建模分析計(jì)算(在支撐鋼管與圈梁相交處下方焊接牛腿作為豎向約束)，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖4 內(nèi)支撐模型圖

圖5 內(nèi)支撐變形圖

圖6 內(nèi)支撐彎矩圖

圖7 內(nèi)支撐組合應(yīng)力圖

由5、圖6和圖7可知：圍堰長(zhǎng)邊最大變形為0.473mm<[L/400]=12.5mm，圈梁I25b工字鋼最大組合應(yīng)力為126.7MPa<[170]MPa，斜撐DN180mm×12mm最大組合應(yīng)力為42.8MPa<[170]MPa，故內(nèi)支撐受力均滿足要求[15]。

3 結(jié)論

濕陷性黃土地區(qū)深基坑施工受制約因素多，風(fēng)險(xiǎn)性也高。以往濕陷性黃土地區(qū)深基坑施工中鋼板樁支護(hù)的應(yīng)用較少。本次工程通過實(shí)踐證明了對(duì)于此類環(huán)境要求較高、施工作業(yè)區(qū)域狹小的基坑工程，在探明地質(zhì)條件的前提下，應(yīng)用鋼板樁進(jìn)行支護(hù)可以滿足濕陷性黃土地區(qū)深基坑支護(hù)的施工要求，也可為鋼板樁支護(hù)在類似濕陷性黃土地區(qū)深基坑支護(hù)中的應(yīng)用和推廣提供一定的借鑒和參考。