深基坑開(kāi)挖過(guò)程中鋼圍堰-土相互作用機(jī)理研究

毛學(xué)墻

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司,上海 200070)

0 引言

建筑基礎(chǔ)所處地質(zhì)條件和周?chē)h(huán)境的不同,決定了基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)的形式多種多樣,如放坡開(kāi)挖、土釘墻、拉森鋼板樁、混凝土內(nèi)支撐、重力式水泥土擋墻和地下連續(xù)墻等。對(duì)于深度較大、地下水位較高的基坑,鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種更為便捷、經(jīng)濟(jì)和安全的支護(hù)方式[1-2]。但鋼圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性受開(kāi)挖過(guò)程中土壓力變化的影響,合理開(kāi)挖和支護(hù)才能保證深基坑穩(wěn)定。因此,研究開(kāi)挖過(guò)程中鋼圍堰與土體相互作用機(jī)理具有重要意義。

鋼板樁圍堰技術(shù)廣泛應(yīng)用于深基坑開(kāi)挖支護(hù)中。張建民等[3]依托實(shí)際工程對(duì)深水基坑鋼圍堰穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算,保證基坑開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程安全。對(duì)于河岸存在傾斜裸露巖床處基坑施工,王新榮[4]提出采用水中爆破傾斜巖石,然后再圍堰后樁的施工方法,此方法對(duì)同類(lèi)工程施工具有一定的借鑒意義。對(duì)于重黏土特殊地層,鋼板樁面臨不易插打巨大問(wèn)題,陳士忠[5]針對(duì)此特殊地層圍堰鋼板樁插打方法進(jìn)行了研究,研究表明,首先通過(guò)螺旋鉆機(jī)引孔鉆至鋼板樁樁底上3.00m處,再插打鋼板樁可加快鋼板樁圍堰支護(hù)施工。對(duì)于細(xì)卵石與粉砂巖互層地層,鋼板樁插打困難,李光均[6]針對(duì)此特殊地層圍堰鋼板樁插打方法進(jìn)行了研究,研究表明,首先通過(guò)旋挖鉆引孔置換特殊土層為黏土,再插打鋼板樁入黏土可加快鋼板樁圍堰支護(hù)施工。曹雪山等[7]通過(guò)研究深基坑支護(hù)鋼支撐軸力變化規(guī)律,提出對(duì)鋼支撐預(yù)加軸力方法,可有效改善鋼支撐和地下連續(xù)墻受力變形。對(duì)于室外開(kāi)挖的深基坑工程,高低溫會(huì)引起基坑內(nèi)支撐溫度變形,進(jìn)而引起基坑滑塌事故,金亞兵等[8]提出彈性抗力法考慮溫度變形對(duì)內(nèi)支撐的影響,并研發(fā)了相應(yīng)的智能預(yù)警平臺(tái)?；娱_(kāi)挖會(huì)對(duì)支護(hù)和邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響,居玥辰等[9]利用最小勢(shì)能建立了基坑開(kāi)挖下支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形模型,并與實(shí)際基坑開(kāi)挖工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證模型的正確性。隨著高層建筑的施工,基坑深度規(guī)模越來(lái)越大,竇錦鐘等[10]研究表明,在深基坑支護(hù)過(guò)程中減小斜撐間距可有效限制基坑變形,增加基坑開(kāi)挖的穩(wěn)定性。

1 深基坑鋼板樁圍堰支護(hù)系統(tǒng)

1.1 工程與地質(zhì)概況

1)工程概況 本項(xiàng)目為高層建筑,地處城市區(qū)域。采用筏板基礎(chǔ),基坑開(kāi)挖尺寸為36.00m×22.00m,基坑深度為5.20m,如圖1所示。

圖1 基坑開(kāi)挖尺寸示意

2)地質(zhì)概況 地質(zhì)詳勘表明,深基坑處地層從上到下依次為雜填土、黃土、粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂土層,根據(jù)巖土施工工程分級(jí)基坑開(kāi)挖地層屬于Ⅱ級(jí)普通土。深基坑處各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 深基坑處地質(zhì)情況

1.2 鋼板樁圍堰支護(hù)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目為深基坑開(kāi)挖工程,地處市區(qū)中心,為了保證施工時(shí)對(duì)附近建筑的保護(hù)及防止地下水對(duì)工程施工造成影響,基坑的施工及支護(hù)選擇尤為重要。根據(jù)本工程場(chǎng)地地質(zhì)情況特點(diǎn),采用鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼板樁能有效穩(wěn)固基坑邊坡,還能隔絕地下水滲入,保證深基坑開(kāi)挖安全。本基坑支護(hù)采用的鋼板樁為拉森鋼板樁,其斷面形狀和截面尺寸參數(shù)如圖2和表2所示。

表2 鋼板樁截面尺寸參數(shù)

圖2 鋼板樁截面

本深基坑圍堰支護(hù)布置如圖3所示,鋼板樁沿基坑四周連續(xù)布設(shè)形成封閉的帷幕,根據(jù)規(guī)范要求,鋼板樁入土深度≥1/3樁長(zhǎng)。則拉森鋼板樁最小尺寸為5.20÷(1-1/3) = 7.80m。本基坑工程選擇長(zhǎng)度為9.00m的FSP-Ⅳ鋼板樁,滿足要求。因此,本基坑深度h= 5.20m,鋼板樁嵌固深度為3.80m。由JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[11]可知,本深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0= 1.00。

圖3 本深基坑圍堰支護(hù)布置

2 鋼板樁變形模型

土壓力模型分別采用彈性法和經(jīng)典法,如圖4所示。土壓力模型的調(diào)整系數(shù)如表3所示。鋼板樁為連續(xù)結(jié)構(gòu),其每延米截面參數(shù)為:面積Am為236.00cm2,慣性矩Im為39 600.00cm4,抗彎模量Wm為2 200.00cm3。鋼板樁的許用抗彎強(qiáng)度[σ] = 215.00MPa。

表3 土壓力模型調(diào)整系數(shù)

圖4 土壓力模型

3 開(kāi)挖深度(土壓力)對(duì)鋼板樁力學(xué)特性影響

深基坑開(kāi)挖過(guò)程會(huì)對(duì)鋼圍堰產(chǎn)生擾動(dòng),隨著開(kāi)挖深度的增加,基坑邊坡土壓力和鋼圍堰力學(xué)特性也會(huì)隨之變化。本基坑采用3步施工流程,第1步是先從地表開(kāi)挖至1.20m深度(工況1);第2步是開(kāi)挖至1.20m后在0.85m處加撐(工況2);第3步是開(kāi)挖至5.20m深度(工況3),研究開(kāi)挖深度(土壓力)對(duì)鋼圍堰鋼板樁力學(xué)特性的影響規(guī)律。

3.1 工況1對(duì)鋼板樁力學(xué)特性影響

基坑開(kāi)挖至1.20m時(shí)鋼板樁的力學(xué)特性如圖5a所示。采用彈性法計(jì)算,由圖可知,當(dāng)從地表開(kāi)挖至1.20m時(shí),隨著開(kāi)挖深度增加,土體向基坑內(nèi)滑動(dòng),鋼板樁頂端向基坑內(nèi)側(cè)變形,鋼板樁彎矩和剪力呈“S”形分布,鋼板樁頂端位移最大為0.79mm;鋼板樁樁身最大彎矩為9.14kN·m,位于樁身約6.00m處,向基坑外側(cè);鋼板樁樁身最大剪力為11.94kN,位于樁身約4.50m處,向基坑內(nèi)側(cè)。這主要是由于彈性法將鋼板樁等效為懸臂結(jié)構(gòu),基坑開(kāi)挖后基坑外側(cè)土體內(nèi)力重分布,土體向基坑內(nèi)滑動(dòng)引起鋼板樁彎曲變形。采用經(jīng)典法計(jì)算,由圖可知,當(dāng)從地表開(kāi)挖至1.20m時(shí),鋼板樁位移不發(fā)生變形,其彎矩和剪力均為0。

圖5 基坑開(kāi)挖至不同深度時(shí)鋼板樁力學(xué)特性

3.2 工況2對(duì)鋼板樁力學(xué)特性影響

基坑開(kāi)挖至1.20m后在0.85m處加撐時(shí)鋼板樁的力學(xué)特性如圖5b所示。由圖可知,當(dāng)開(kāi)挖至1.20m后在0.85m處加撐時(shí),采用彈性法和經(jīng)典法計(jì)算,加橫撐對(duì)鋼板樁位移、彎矩和剪力無(wú)影響。這主要是加設(shè)橫撐時(shí),基坑外側(cè)土體壓力未重分布,基坑外土體對(duì)鋼板樁壓力恒定不變。

別名紅棉花、英雄樹(shù)花、廣州市花。為木棉科植物木棉的花。分布于廣東、廣西、福建、臺(tái)灣、海南、云南和四川南部等地，中國(guó)的廣州、珠海、昆明、深圳、泉州、福州、廈門(mén)等地都有種植，廣泛種植于華南、臺(tái)灣、中印半島及南洋群島，印度、中南半島、馬來(lái)西亞至熱帶澳洲均有。

3.3 工況3對(duì)鋼板樁力學(xué)特性影響

基坑開(kāi)挖至5.20m時(shí)對(duì)鋼板樁的受力特性如圖5c所示。采用彈性法計(jì)算,當(dāng)繼續(xù)開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度5.20m時(shí),隨著開(kāi)挖深度的增加,鋼板樁位移、彎矩和剪力呈“S”形分布,樁身最大位移為4.67mm,樁身最大彎矩為71.00kN·m,位于樁身3.00m處,向基坑內(nèi)側(cè)變形;樁身最大剪力為56.71kN,位于樁身約4.65m處。這主要是由于鋼板樁頂端加設(shè)橫撐,鋼板樁等效為一端簡(jiǎn)支和一端嵌固的梁結(jié)構(gòu)。隨著開(kāi)挖深度的增加,土體向基坑內(nèi)滑動(dòng),土體壓力重分布,鋼板樁外側(cè)受到土體壓力進(jìn)一步增加。為保證基坑開(kāi)挖穩(wěn)定,可將鋼板樁頂端橫撐間距減小,并在最大位移處向土體內(nèi)打設(shè)錨桿約束鋼板樁向基坑內(nèi)變形,減少鋼板樁變形量。采用經(jīng)典法計(jì)算,由圖可知,當(dāng)繼續(xù)開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度5.20m時(shí),由于鋼板樁頂端加設(shè)橫撐,鋼板樁等效為一端簡(jiǎn)支和一端嵌固的梁結(jié)構(gòu),鋼板樁位移為0;樁身最大彎矩為55.96kN·m,位于樁身約3.00m處,向基坑內(nèi)側(cè)變形;樁身最大剪力為63.08kN,位于樁身約4.65m處,向基坑內(nèi)側(cè)變形。

安全等級(jí)為二級(jí)的基坑,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)許用最大位移[f] = 15.00mm[11],鋼板樁的許用彎矩[M] = 75.44kN·m,鋼板樁的許用剪力[Fτ] = 72.72kN,綜上可知,采用彈性法和經(jīng)典法計(jì)算的位移、彎矩和剪力均滿足規(guī)范要求。

3.4 地表沉降分析

深基坑開(kāi)挖時(shí),最大開(kāi)挖深度(最大土壓力)下基坑周邊地表沉降最大,為最不利開(kāi)挖工況。基坑最大開(kāi)挖深度(最大土壓力)下地表沉降量隨距基坑邊距的變化如圖6所示。由圖可知,采用三角法和指數(shù)法,隨著距基坑邊距的增加,地表沉降量逐漸減小直至消失,而采用拋物線法計(jì)算的地表沉降量隨著距基坑邊距的增加先增加后減小直至消失。采用三角法和指數(shù)法,地表沉降量最大值均位于基坑邊緣;而采用拋物線法,基坑邊緣沉降量為0,地表最大沉降量位于基坑邊緣外側(cè)。地表許用最大沉降量[fe] = 10.00mm,采用三角法(9.00mm)、指數(shù)法(13.00mm)和拋物線法(7.00mm)計(jì)算的地表最大沉降量基本上滿足規(guī)范要求。

圖6 地表沉降量隨距基坑邊距的變化

4 鋼圍堰支護(hù)力學(xué)特性數(shù)值模擬研究

通過(guò)以上分析可知,深基坑開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中,開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度5.20m時(shí)鋼圍堰外側(cè)受到的土體壓力最大為最不利工況。因此,為保證施工安全,按最不利工況進(jìn)行深基坑鋼板樁圍堰支護(hù)力學(xué)特性數(shù)值模擬計(jì)算。采用有限元軟件建立數(shù)值模型,鋼圍堰支護(hù)尺寸為36.00m×22.00m,鋼板樁長(zhǎng)度為9.00m,鋼板樁采用板單元進(jìn)行模擬,其網(wǎng)格與荷載分布如圖7所示。腰梁及支撐采用雙拼H350×350×12×19型鋼,根據(jù)鋼板樁在施工過(guò)程中的最不利工況,腰梁受到的最大土壓力q= 47.8kN/m。

圖7 鋼圍堰支護(hù)數(shù)值模型

4.1 鋼板樁力學(xué)特性分析

鋼板樁應(yīng)力與位移云圖如圖8所示。由圖8a可知,在基坑開(kāi)挖至5.20m時(shí),土壓力作用于鋼板樁,鋼板樁圍堰整體正應(yīng)力較小,鋼板樁正應(yīng)力主要介于40 ～ 60N/mm2,并且主要分布于鋼板樁頂端;最大正應(yīng)力為96.69N/mm2,遠(yuǎn)小于鋼板樁許用正應(yīng)力[σ] = 215.00N/mm2,并且最大正應(yīng)力分布區(qū)域不明顯,主要集中于圍堰邊角處。由圖8b可知,鋼板樁圍堰整體變形較小,鋼板樁變形主要介于1.12 ～ 3.92mm,并且主要分布于鋼板樁頂部到向下1/3長(zhǎng)度局部區(qū)域,最大位移(3.92mm)位于鋼板樁頂部向下1/3處,即3.00m位置,這與3.3節(jié)彈性法和經(jīng)典法研究結(jié)果一致;彈性法計(jì)算的最大位移(4.67mm)與模擬結(jié)果(3.92mm)基本吻合;另外,鋼圍堰整體最大變形量為6.16mm,遠(yuǎn)小于許用變形量[f] = 85.00mm,滿足剛度要求,并且最大變形分布區(qū)域不明顯。

圖8 鋼板樁應(yīng)力與位移云圖

4.2 內(nèi)撐力學(xué)特性分析

內(nèi)撐軸力與彎矩云圖如圖9所示。由圖9a可知,鋼圍堰角部?jī)?nèi)側(cè)斜撐軸力最大,平撐軸力次之,鋼圍堰角部外側(cè)斜撐軸力最小;鋼圍堰受到的最大軸力為1 001.45kN。由圖9b可知,鋼圍堰橫撐彎矩最大,鋼圍堰角部外側(cè)斜撐彎矩次之,鋼圍堰角部?jī)?nèi)側(cè)斜撐彎矩最小,平撐受到的最大彎矩為 30.47kN·m, 并且鋼圍堰內(nèi)撐彎矩以鋼圍堰對(duì)稱(chēng)軸呈對(duì)稱(chēng)分布。由此可知,在實(shí)際工程中可增加內(nèi)撐數(shù)量或縮小內(nèi)撐間距,改善內(nèi)撐受力。

圖9 內(nèi)撐受力云圖

平撐的回轉(zhuǎn)半徑ix=219.2mm,面積A=3.5×104mm,計(jì)算長(zhǎng)度l0=22 000mm,軸力N=829.50kN,最大彎矩為Mmax=30.47kN·m,λx=l0/ix= 100.36,屬于b類(lèi)截面,穩(wěn)定性系數(shù)φ=0.555-[(100.36-100)/(101-100)]×(0.555-0.549)=0.552 84,βmx=1.00,γx=1.15,Nex=π2EA/(1.1λx) = 3 778.42kN,N/φxA+βmxMx/γxW1x(1-0.8N/NEx)=47.05N/mm2<[σ]=215.00N/mm2,平撐滿足穩(wěn)定承載力的要求。

4.3 鋼腰梁力學(xué)特性分析

鋼腰梁力學(xué)位移與應(yīng)力云圖如圖10所示。由圖10a可知,腰梁長(zhǎng)邊中部和中部鄰近兩側(cè)彎矩最大,并且彎矩沿對(duì)稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng)分布,并沿腰梁長(zhǎng)邊中部?jī)蓚?cè)依次減小;腰梁受到的最大彎矩為±33.79N/mm2,小于最大許用抗彎強(qiáng)度[σ]=215N/mm2。由圖10b可知,腰梁長(zhǎng)邊鄰近中部?jī)蓚?cè)剪力最大,角部剪力最小,腰梁中部剪力為0,并且剪力沿對(duì)稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng)分布;腰梁受到的最大剪力為±23.37N/mm2,小于最大許用剪切強(qiáng)度[τ]=120N/mm2,結(jié)果表明鋼腰梁結(jié)構(gòu)滿足彎曲和剪切強(qiáng)度要求。

圖10 鋼腰梁彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

鋼圍堰的力學(xué)特性受土體壓力影響,深基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體壓力變化對(duì)基坑和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要影響。本文依托深基坑開(kāi)挖支護(hù)工程,首先研究了基坑開(kāi)挖中土體壓力(深度)變化對(duì)鋼圍堰鋼板樁變形、彎矩和剪力的影響,揭示了鋼板樁與土體相互作用機(jī)理;然后分析了最不利開(kāi)挖深度(最大土體壓力)下基坑周邊地表沉降變化規(guī)律;最后通過(guò)數(shù)值模擬研究了最不利開(kāi)挖深度(最大土壓力)下鋼圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。研究得到如下結(jié)論。

1)內(nèi)撐對(duì)鋼圍堰的變形能起到有效的約束作用,對(duì)于土體側(cè)壓力較大的深地基,可通過(guò)增加內(nèi)撐數(shù)量或減小內(nèi)撐間距增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

2)開(kāi)挖過(guò)程中土體壓力會(huì)引起鋼圍堰鋼板樁中部向基坑內(nèi)彎曲,可在鋼圍堰鋼板樁最大彎曲變形處向土體內(nèi)打設(shè)錨桿約束鋼圍堰鋼板樁的變形,保證鋼圍堰和基坑穩(wěn)定。

3)在最不利開(kāi)挖深度(最大土壓力)下,基坑周邊地表最大沉降量基本上滿足規(guī)范要求,可保證基坑開(kāi)挖穩(wěn)定。

4)在最不利開(kāi)挖深度(最大土壓力)下數(shù)值結(jié)果表明,鋼圍堰支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度均滿足規(guī)范要求。