市政管網(wǎng)基坑單層支撐拉森鋼板樁支護(hù)參數(shù)選擇

彭富波，張 磊，鄭先燦，李 圍

（1.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041；2.莆田學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 莆田 351100）

拉森鋼板樁因強度高、材質(zhì)輕、止水好、拼裝方便、重復(fù)利用率高、造價便宜和環(huán)保等優(yōu)點在市政管網(wǎng)明挖基坑等工程中得到了廣泛應(yīng)用.如文獻(xiàn)[1]介紹了深圳市坪山區(qū)龍?zhí)锷鐓^(qū)污水支管網(wǎng)工程中拉森鋼板樁支護(hù)工藝，有效保障溝槽開挖的安全施工.文獻(xiàn)[2]就工程實際地質(zhì)進(jìn)行了方案比選，最終采用鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了其應(yīng)用情況.文獻(xiàn)[3]就某深埋大口徑HDPE管道用拉森鋼板樁（V 型）作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析與驗算，對試驗段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，給出了設(shè)計與施工注意事項.文獻(xiàn)[4]在分析不同鋼板樁結(jié)構(gòu)形式特點基礎(chǔ)上，借助于具體工程，研究了鋼板樁在市政排水管道基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的工藝及施工要點.對于基坑位于地下高水位流沙地層，文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及其受力分析.

但若鋼板樁的長度短導(dǎo)致其插入基坑底的深度不足將引起基坑失穩(wěn)，如文獻(xiàn)[6]介紹了阿爾及利亞安納巴市Sidesalem 區(qū)排水管道和泵站工程基坑事故發(fā)生的過程，其地層為不同粒徑的砂層，地下水位為-2.2 m，距離海岸線僅100 m.基坑開挖至8.2 m時發(fā)生了大量的涌水、基坑周邊地面下陷、鋼板樁下部向內(nèi)變形了600 mm、二層工字鋼橫支撐與鋼板樁焊接處出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致了基坑支護(hù)失穩(wěn).經(jīng)分析，其主要原因是鋼板樁未按地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)驗算、打入基底的深度不足且兩根嚴(yán)重偏離軸線等，作者最后總結(jié)了鋼板樁施工與管理問題，并討論了鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計、施工和土方開挖中的技術(shù)要點.

因此，對于特定地質(zhì)條件下拉森鋼板樁用作市政管網(wǎng)明挖基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時，在不同基坑深度條件下的受力分析尤為重要.結(jié)合東莞市水生態(tài)建設(shè)五期工程常平鎮(zhèn)范圍管網(wǎng)工程，就全風(fēng)化花崗巖地質(zhì)條件下對不同基坑深度單層支撐拉森鋼板樁進(jìn)行力學(xué)行為分析，選擇相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并驗算其強度和穩(wěn)定性.

1 依托工程概況

東莞市常平鎮(zhèn)水生態(tài)建設(shè)第五期工程管網(wǎng)全長約84 km，其中開挖埋管段長約77 km、頂管法施工段長約7 km，管徑為DN400-DN800，采用鋼筋混凝土管和HDPE雙壁波紋管兩種，設(shè)置一體化污水提升泵站2座.

管徑DN800的市政官網(wǎng)明挖基坑的寬度為2 m，深度分別為3.5、5.0、6.5和8.0 m.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計為“拉森鋼板樁+H型鋼圍檁+鋼管支撐”，其鋼材都采用Q235.

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系（H=3.5 m）

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2 不同基坑深度下拉森鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計算

2.1 基坑深3.5 m拉森鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

1）飽和容重、主動和被動土壓力系數(shù).飽和容重rsat=eg/(1+e)+ρg/（1+w）=0.7×10/(1+0.7)+2×10/（1+0.241）=20.234 kN·m-3.主動土壓力系數(shù)ka=tan2（45°-φ/2）=tan2（45°-21°/2）=0.472；被動土壓力系數(shù)kp=kbtan2（45°+φ/2）=1.6 × tan2（45°+21°/2）=3.387；kb為等值梁法被動土壓力修正系數(shù)，取kb=1.6.

鋼板樁從上到下的關(guān)鍵點命名為G、A、E、C、B、D，G表示地面、A表示鋼管支撐位置、E表示剪力為0位置、C表示基坑底部、B為反彎點、D為鋼板樁插入土體的端部（最深位置），LGA=1m、LGC=3.5 m=H，基坑深度H=3.5 m.采用水土合算進(jìn)行計算，即取地層的重量為飽和容重，地面超載q0=30 kPa.

作用于拉森鋼板樁上的水土壓力eG=kaq0=0.472 × 30=14.16 kPa；eC=ka（q0+rsatH）=0.472 ×（30+20.234 × 3.5）=47.587 kPa.

2）鋼板樁最大彎矩和支撐軸力.①反彎點.地面超載的等效高度H0=q0/rsat=30/20.234=1.483 m，定義鋼板樁土壓力為0 的點為反彎點，用B表示，則：LCB=(rsatka(H0+H))/(rsat(kp-ka))=0.472 ×(1.483+3.5)/（3.387-0.472）=0.807 m.②支撐軸力.對B點求彎矩，且其和為0，可以計算出A點的反力（RA）：（2.5+0.807）RA=14.16 × 3.5× 2.557+0.5× 3.5× 33.427× 1.974+0.5× 47.587× 0.807×0.538.RA=76.362 kN，則內(nèi)支撐的軸力N為4RA=4 × 76.362=305.448 kN；RB=((14.16+47.587) ×3.5/2+0.5× 47.587× 0.807) -76.362=50.897 kN.③最大彎矩.確定剪力為0 的位置為E，設(shè)LGE=x，則：RA=0.5（eG+eX）x，而eX=eG+（eC-eG）x/H，得出關(guān)于x的二次方程如下：0.5x（2eG+（eC-eG）x/H）=RA，x2+2HeGx/（eC-eG）-2HRA/（eC-eG）=0，即x2+2 × 3.5× 14.16x/33.427-2 ×3.5× 76.362/33.427=0,化簡得x2+2.965x-15.991=0,解得x=2.782 m，則LGE=x=2.782 m.

對E點求彎矩可以計算出最大彎矩Mmax=RA（x-1）-eGx2/2 -0.5×(eX-eG)x2/3；eX=eG+（eC-eG）x/H=14.16+33.427× 2.782/3.5=40.73 kPa；Mmax=76.362×1.782-14.16×2.782×2.782/2-0.5×(40.73-14.16)×2.782×2.782/3=47.008 kN·m.

3）拉森鋼板樁入土深度最小值.拉森鋼板樁入土深度指從基底往下的長度為LCD，其入土深度最小值計算如下：LBD=(6RB/(kp-ka)/rsat)0.5=(6 × 50.897/(3.387-0.472)/20.234)0.5=2.275 m.則LCD=LCB+LBD=0.807+2.275=3.082 m.所以拉森鋼板樁入土深度最小值為3.082 m，取為3.0 m，則總長度需要6.5 m.

2.2 不同基坑深度拉森鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

不同基坑深度拉森鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果匯總于表2 中.從表2 可以看出，隨著基坑深度的增加，鋼板樁的最大彎矩和內(nèi)支撐軸力以及入土深度均增加.基坑深度增加均為1.5 m，而拉森鋼板樁從基底往下入土深度也基本均勻增加1 m 左右，而內(nèi)支撐軸力和鋼板樁最大彎矩增加的量值越來越多.內(nèi)支撐軸力增加值是基坑深度的平方后差值的10 倍左右，即內(nèi)支撐軸力與基坑深度的二次方成比例關(guān)系.鋼板樁的最大彎矩的增加值與基坑深度的三次方后的差值相當(dāng)，則表明鋼板樁的最大彎矩值與基坑深度的三次方成比例關(guān)系.

表2 不同基坑深度支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

3 不同基坑深度拉森鋼板樁支護(hù)參數(shù)選擇

3.1 深3.5 m基坑支護(hù)參數(shù)選擇

1）基坑支護(hù)參數(shù)選擇及其強度驗算.選擇IA 型拉森鋼板樁，其最大壓應(yīng)力σmax=Mmax/W=47.008/529=88.862 MPa ＜200 MPa.圍檁采用H 型鋼（250 mm×250 mm×9 mm），抗彎截面模量為867 cm3·m-1，則最大應(yīng)力計算為：Mmax=RAl2/8=76.362 × 42/8=152.724 kN·m，σmax=Mmax/W=152.724/867=176.152 MPa ＜200 MPa.內(nèi)支撐采用鋼管支撐：直徑為203 mm、壁厚為10 mm、間距為4 m，其截面積A=6 063.288 mm2，則其最大應(yīng)力計算：N/A=305.448× 1000/6 063.288=50.377 MPa ＜200 MPa.

2）抗傾覆驗算.被動土壓力對內(nèi)支撐點的彎矩MpA=0.5× 3.387× 20.234 × 3× 3×（3× 2/3+3.5-1）=1387.784 kN·m.主動土壓力對內(nèi)支撐點的彎矩MaA=0.5× 0.472 × 20.234 ×（1.483+3.5+3）×（1.483+3.5+3）×（（1.483+3.5+3）× 2/3-1-1.483）=863.956 kN·m.抗傾覆驗算：kQ=MpA/MaA=1387.784/863.956=1.6 ＞1.2，即從基底入土深度為3 m，滿足抗傾覆要求.

3）基底抗隆起穩(wěn)定性驗算.Nq=eπtanφtan2(45°+φ/2)=eπtan21°tan2(45°+21°/2)=e1.2× 2.117=7.071.Nc=(Nq-1)/tanφ=(7.071-1)/tan 21°=15.815.kL=(rsatLCDNq+cNc)/(rsat(H+LCD)+q0)=(20.234 × 3× 7.071+13.1× 15.815)/(20.234 × (3.5+3)+30)=3.94.基底抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)為3.94＞1.7，基底抗隆起穩(wěn)定性滿足要求.

3.2 不同基坑深度拉森鋼板樁支護(hù)參數(shù)選擇匯總

不同基坑深度拉森鋼板樁支護(hù)參數(shù)選擇計算匯總于表3 中，基坑深5 m 的拉森鋼板樁選擇II 型、圍檁H 型鋼（300 mm×300 mm×10 mm），基坑深6.5 m 的拉森鋼板樁選擇IV 型、圍檁H 型鋼（350 mm×350 mm×10 mm），基坑深8 m 的拉森鋼板樁選擇VL 型、圍檁H 型鋼（350 mm×350 mm×12 mm）.當(dāng)基坑深8 m時，圍檁H型鋼的強度盡管超過了200 MPa，但未超過1%，小于工程規(guī)定的5%，故滿足要求.

表3 基坑不同深度下支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其驗算結(jié)果

4 結(jié)束語

結(jié)合東莞市水生態(tài)建設(shè)五期工程常平鎮(zhèn)范圍管網(wǎng)工程，針對全風(fēng)化花崗巖地質(zhì)條件，設(shè)計了“拉森鋼板樁+H型鋼圍檁+鋼管支撐”的基坑支護(hù)拉森鋼板樁單層支撐結(jié)構(gòu)體系.就不同基坑深度條件下拉森鋼板樁單層支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出了鋼板樁最大彎矩、圍檁荷載和鋼支撐軸力以及基底入土深度最小值.依據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，針對不同深度基坑支護(hù)選擇了拉森鋼板樁型號、總長度以及圍檁H 型鋼和內(nèi)支撐鋼管參數(shù)，并進(jìn)行了強度和穩(wěn)定性驗算.隨著我國城市功能提升工程的逐步實施，將會修建越來越多的市政管網(wǎng)工程，研究結(jié)果將為類似市政管網(wǎng)工程明挖基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇提供參考.