HUC組合鋼板樁在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用研究

湯明明

(浙江恒躍建設(shè)管理有限公司,浙江 嘉興 314300)

0 引言

深基坑支護(hù)既要保證基坑開(kāi)挖安全,又要確保周?chē)h(huán)境安全。傳統(tǒng)基坑支護(hù)形式經(jīng)常受開(kāi)挖場(chǎng)地大小的限制,無(wú)法適用于特殊情況的基坑施工場(chǎng)地[1]。鋼板樁作為一種綠色建筑材料,適用于狹小施工場(chǎng)地。但常規(guī)鋼板樁的抗彎剛度較小,施工垂直度難以控制,不適用于深基坑支護(hù)[2]。隨著工程技術(shù)的不斷提高,鋼板樁在形式上衍生出了新型組合鋼板樁,例如:鋼管與鋼板樁組合、H型鋼和U型鋼板樁組合、HSW組合鋼板樁等等[3]。H型鋼和U型鋼板樁組合(即HUC),它不僅繼承了鋼板樁的優(yōu)點(diǎn),也解決了常規(guī)鋼板樁剛度不足的問(wèn)題,同時(shí)止水效果較好。另外,HUC組合鋼板樁的鋼材重復(fù)利率高,在環(huán)境保護(hù)方面有突出的優(yōu)勢(shì),將HUC組合鋼板樁應(yīng)用于深基坑支護(hù)中具有重要意義[4]?；诖吮尘跋?本文對(duì)HUC組合鋼板樁的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究,為后期同類(lèi)基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)提供參考。

1 工程案例

1.1 工程概況

某廣場(chǎng)工程項(xiàng)目位于嘉興市南湖區(qū),整個(gè)地塊為商業(yè)用地性質(zhì),該廣場(chǎng)建成后為人們提供一站式娛樂(lè)服務(wù)。項(xiàng)目地上總建筑面積161 328.585 m2,包括公寓、五星級(jí)酒店及辦公樓;地下總建筑面積35 085 m2,包括地下車(chē)庫(kù)、步行街兩層。項(xiàng)目離周邊構(gòu)筑物距離很近,并且地下環(huán)境比較復(fù)雜,基坑形狀為矩形,周長(zhǎng)約為556 m,長(zhǎng)約為210 m,寬約為70 m,最大開(kāi)挖深度達(dá)到8.2 m,基坑周邊施工空間范圍較小。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)鉆探報(bào)告,場(chǎng)地所處地貌為浙北平原區(qū),土層巖性以雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土、砂土為主。根據(jù)土質(zhì)情況,本工程基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)的主要土層分布為:①雜填土,物質(zhì)成分雜亂,由磚塊、混凝土塊、碎石等組成,全場(chǎng)分布,厚度0.3 m～0.8 m。②粉土,礦物有石英、長(zhǎng)石及云母等,由粉粒和黏粒組成,為高壓縮性軟土,全場(chǎng)分布,層厚3.2 m～5.8 m。③粉質(zhì)黏土,礦物有云母、煤屑、氧化物、粉土等,局部地區(qū)有粉土,為高壓縮性軟土,全場(chǎng)分布,層厚4.7 m～22.7 m。④砂土,主要有石英、長(zhǎng)石及云母,并夾帶粉土、粉質(zhì)黏土,全場(chǎng)分布,厚度13.8 m～20.2 m?；痈魍临|(zhì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣,測(cè)試得出物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果,如表1所示。

表1 基坑土質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

場(chǎng)地屬河流沖積和湖沼淤積平原地貌單元,地下水類(lèi)型主要為上層滯水,下部承壓水。上層滯水賦存于雜填土和粉土中,水量不大,主要受大氣降水補(bǔ)給。裂隙承壓水賦存于粉質(zhì)黏土和砂土中,水量較大。初見(jiàn)水位埋深為0 m～6.4 m,穩(wěn)定水位埋深為0 m～6.6 m。

2 深基坑支護(hù)方案

從面積和挖土量來(lái)看,基坑開(kāi)挖規(guī)模大,并且開(kāi)挖深度深,對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制要求較高?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)不僅要受力均勻合理,更要節(jié)省施工成本。起初考慮選用SMW工法樁方案,雖然SMW工法樁滿(mǎn)足該場(chǎng)地地層和基坑開(kāi)挖深度的要求,但場(chǎng)地距離周邊構(gòu)筑物距離很近,無(wú)法正常運(yùn)行三軸水泥攪拌樁機(jī)[5]。另外,場(chǎng)地周邊地下環(huán)境復(fù)雜,地下管線(xiàn)較多。因此,該項(xiàng)目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)決定選用垂直支護(hù)。目前,拉森鋼板樁屬于常用樁型,具有造價(jià)低、工期短等優(yōu)勢(shì)。但該項(xiàng)目基坑最深處約為8.2 m,拉森鋼板樁樁身側(cè)向剛度較小,并且鋼板較薄,容易被撕裂。因此,綜合工程概況及場(chǎng)地周邊環(huán)境條件,拉森鋼板樁不適合在該項(xiàng)目中使用。

經(jīng)工程設(shè)計(jì)并通過(guò)專(zhuān)家論證,該基坑采用HUC組合鋼板樁方案。HUC組合鋼板樁屬于預(yù)制成品樁,它由H型鋼和U型鋼板樁組成,H型鋼增加了支護(hù)墻體的側(cè)向剛度,U型鋼板樁又可以用來(lái)止水、止泥,取代了SMW工法中的三軸攪拌樁[6]。同時(shí),H型鋼較厚,地層適應(yīng)性好,可采用大功率的振動(dòng)錘施工。從功能上看,HUC組合鋼板樁不僅環(huán)保,又提高了施工速度,是該工程深基坑支護(hù)的最佳選擇。HUC組合鋼板樁鋼材強(qiáng)度為Q235,H型鋼和U型鋼板樁間隔布置,間距1 600 mm。H型鋼為700 mm×300 mm×13 mm×24 mm,樁長(zhǎng)15 m;U型鋼板樁寬1 600 mm,長(zhǎng)度為12 m。在樁頂以下1 m處設(shè)置一道內(nèi)支撐,確保安全,圍檁和支撐件材料都選擇為混凝土。為了使鋼板樁滿(mǎn)足承載力極限狀態(tài)要求,需對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面承載力計(jì)算,具體內(nèi)容包括整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、嵌固深度構(gòu)造驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算、抗?jié)B流穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)截面承載力計(jì)算結(jié)果

由承載力計(jì)算結(jié)果與規(guī)范要求對(duì)比可知,該基坑支護(hù)的安全系數(shù)均滿(mǎn)足施工安全要求。HUC組合鋼板樁結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。HUC組合鋼板樁長(zhǎng)度偏差不大于±10 mm,垂直度偏差不大于1/150,兩端標(biāo)高差不大于20 mm,支撐水平軸線(xiàn)偏差不大于30 mm,施工樁底標(biāo)高偏差不大于-30 mm。

3 HUC組合鋼板樁在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

3.1 HUC組合鋼板樁的受力原理

HUC組合鋼板樁是將H型鋼樁和U型鋼板樁進(jìn)行組合,以提高界面參數(shù),節(jié)省基坑支護(hù)鋼材用量。為保證HUC組合鋼板樁具有一定的施工靈活度,通過(guò)兩者之間圓管和圓鋼的鎖扣連接,間距為5 mm,鎖扣采用自身密貼防滲。HUC組合鋼板樁在工作過(guò)程中,變形初期鎖扣之間完全沒(méi)有接觸,單個(gè)的H型鋼樁和U型鋼板樁作為支護(hù)體系。兩者在受到水土壓力的作用時(shí),由于剛度不同,H型鋼樁和U型鋼板樁的變形不一致,此時(shí),鎖扣之間才會(huì)產(chǎn)生摩擦力。由于外側(cè)水土壓力的不斷增大,兩者的變形會(huì)進(jìn)一步的變大,鎖扣之間摩擦力也不斷增大。當(dāng)摩擦力增大到一定程度時(shí),鎖扣之間被認(rèn)為是固定在一起,此時(shí),HUC組合鋼板樁被視為一個(gè)整體,中性軸處于組合鋼板樁的截面中心位置。

3.2 HUC組合鋼板樁施工設(shè)備

HUC組合鋼板樁施工設(shè)備包括履帶吊、導(dǎo)向架及高頻振動(dòng)錘[7]。1)履帶吊,選用500 kN履帶吊,場(chǎng)地作業(yè)面能保證履帶吊8 m站機(jī)位置即可。2)導(dǎo)向架。導(dǎo)向架作為HUC組合板樁施工的核心設(shè)備,它是施工精度、支護(hù)垂直度的關(guān)鍵。導(dǎo)向架的重量不能過(guò)輕,一般高度為3 m～3.5 m。3)高頻振動(dòng)錘[8]。高頻振動(dòng)錘與履帶吊配合使用,在打樁時(shí),將H型鋼及U型鋼板通過(guò)導(dǎo)向架插入土層;在拔樁時(shí),將H型鋼及U型鋼板從土層內(nèi)拔出。

3.3 HUC組合鋼板樁成樁

為保證施工質(zhì)量,施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行施工。1)H型鋼樁施打。當(dāng)H型鋼樁通過(guò)導(dǎo)向架時(shí),切忌大幅度晃動(dòng),確保H型鋼樁的穩(wěn)定性。首先,H型鋼樁依靠樁體自重下沉,待無(wú)法下沉后,依靠振動(dòng)錘進(jìn)行振動(dòng)下沉,速度控制在2 m/min～3 m/min,同時(shí),下沉過(guò)程要保證滑輪面與H型鋼樁接觸并不停轉(zhuǎn)動(dòng)。2)U型鋼板樁施作。H型鋼樁一次施打4根～6根為一組,當(dāng)一組H型鋼樁施工完成后,對(duì)U型鋼板樁的圓鋼進(jìn)行切割斜角、潤(rùn)滑等處理,然后進(jìn)行U型鋼板樁的插入施工,待U型鋼板樁兩端對(duì)入鎖扣后,U型鋼板樁依靠樁體自重下沉。在此期間,應(yīng)對(duì)吊機(jī)進(jìn)行有效調(diào)整,保證U型鋼板樁能夠自由通過(guò)導(dǎo)向架入土。當(dāng)U型鋼板樁入土一定深度后,U型鋼板樁還可以依靠自身重量進(jìn)行沉樁,待無(wú)法下沉后,再利用沉樁機(jī)進(jìn)行控制沉樁,同理,U型鋼板樁施作也是采取一組4根～6根的方式進(jìn)行。3)轉(zhuǎn)角樁和封閉樁控制。在HUC組合鋼板樁施工中,轉(zhuǎn)角樁和封閉樁的施工非常關(guān)鍵。通常情況下,應(yīng)提前預(yù)測(cè)鎖扣搭接情況,并做好轉(zhuǎn)角的角度計(jì)算,然后對(duì)轉(zhuǎn)角樁和封閉樁進(jìn)行特殊定制。當(dāng)一組HUC組合鋼板樁施工完畢后,進(jìn)行下一組施工,依次類(lèi)推,循環(huán)作業(yè)。

3.4 HUC組合鋼板樁拔樁

當(dāng)基坑開(kāi)挖、地下構(gòu)建物施工、基坑回填完畢后,按照先拔U型鋼板樁、后拔H型鋼樁的順序,對(duì)HUC組合鋼板樁進(jìn)行拔樁。當(dāng)HUC組合鋼板樁拔除后,及時(shí)做好空隙回填工作。

4 基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

為保障HUC組合鋼板樁支護(hù)基坑的安全穩(wěn)定,根據(jù)基坑安全等級(jí)和設(shè)計(jì)文件要求,制定了基坑監(jiān)測(cè)方案。在基坑施工過(guò)程中,監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置按照監(jiān)測(cè)方案執(zhí)行。從HUC組合鋼板樁支護(hù)完成后,即開(kāi)始進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè),整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程歷經(jīng)5個(gè)階段:階段1為支護(hù)施工完成、階段2為實(shí)施初步開(kāi)挖、階段3為開(kāi)挖至1 m深度并設(shè)置內(nèi)支撐、階段4為開(kāi)挖至3 m深度、階段5為開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部位移、基坑四周地表水平位移、基坑四周地表沉降。由于該工程基坑長(zhǎng)約為210 m,寬約為70 m,是典型的長(zhǎng)邊矩形形式,會(huì)存在基坑的長(zhǎng)邊效應(yīng),因此,選取基坑長(zhǎng)邊跨中的監(jiān)測(cè)點(diǎn),作為典型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測(cè)

按照監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行監(jiān)測(cè),得出支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移數(shù)據(jù),選取基坑長(zhǎng)邊跨中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象,繪制每個(gè)階段的水平位移圖,如圖2所示。

對(duì)圖2進(jìn)行分析得知,隨著基坑逐漸開(kāi)挖,支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移不斷發(fā)展。階段1的支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移是由樁身自重、土體的初始應(yīng)力、施工機(jī)械振動(dòng)等因素引起的,最大位移集中在樁身頂部。階段2的支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移是由基坑開(kāi)挖后,未設(shè)置內(nèi)支撐,支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)主動(dòng)土壓力消失引起的,相當(dāng)于懸臂狀態(tài),支護(hù)結(jié)構(gòu)沒(méi)有約束和支撐。階段3的支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移開(kāi)始變小,主要是內(nèi)支撐系統(tǒng)的成型,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了約束作用,最小位移位于樁身底部。階段4的支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移進(jìn)一步加大,位置位于樁身頂部,但位移擴(kuò)大速率明顯減緩,證明內(nèi)支撐的作用抑制了支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。階段5的支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移達(dá)到15.18 mm,位移發(fā)展明顯減緩。該項(xiàng)目基坑最大開(kāi)挖深度達(dá)8.2 m,水平位移不能大于基坑挖深的0.004倍,即32.8 mm,符合要求。

4.2 基坑四周地表水平位移監(jiān)測(cè)

按照監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行監(jiān)測(cè),得出基坑四周地表水平位移數(shù)據(jù),選取基坑長(zhǎng)邊跨中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象,繪制每個(gè)階段的基坑四周地表水平位移圖,如圖3所示。

對(duì)圖3進(jìn)行分析得知,隨著基坑逐漸開(kāi)挖,基坑四周地表水平位移也在隨之增大。從階段1至階段5,基坑四周地表水平位移與支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移變化一致,最大地表水平位移出現(xiàn)在階段5,水平位移達(dá)到15.24 mm,符合要求。此外,基坑具有坑角效應(yīng),通常情況下,基坑角部的水平位移會(huì)較小。

4.3 基坑四周地表沉降監(jiān)測(cè)

按照監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行監(jiān)測(cè),得出基坑四周地表沉降數(shù)據(jù),選取基坑長(zhǎng)邊跨中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象,繪制每個(gè)階段的基坑四周地表沉降圖,如圖4所示。

對(duì)圖4進(jìn)行分析得知,隨著基坑逐漸開(kāi)挖,基坑四周地表沉降呈現(xiàn)階段性變化。階段1對(duì)地表沉降基本沒(méi)有影響。從階段2開(kāi)始,基坑四周地表發(fā)生較大的沉降。階段3與階段2類(lèi)似,設(shè)置內(nèi)支撐對(duì)基坑四周地表沉降影響不大。階段4基坑四周地表沉降繼續(xù)加大。階段5基坑四周地表沉降趨勢(shì)與階段4相同,沉降最大值出現(xiàn)在支護(hù)樁墻后3.5 m處,為7.28 mm。按照基坑規(guī)范要求,該工程基坑四周地表沉降深度紅線(xiàn)為12.3 mm,符合要求。

5 結(jié)論

HUC組合鋼板樁的剛度較大,適用于深基坑支護(hù)工程。以嘉興市南湖區(qū)某廣場(chǎng)工程項(xiàng)目為例,對(duì)HUC組合鋼板樁的應(yīng)用進(jìn)行了分析總結(jié),得出以下結(jié)論:

1)對(duì)于周邊環(huán)境受限的深基坑場(chǎng)地,可以選用HUC組合鋼板樁方案,憑借其獨(dú)特的特點(diǎn),保證深基坑支護(hù)施工的質(zhì)量、進(jìn)度、安全效益。2)HUC組合鋼板樁的受力與其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān),主要是依靠鎖扣之間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)鎖扣完全鎖死,摩擦力即達(dá)到了極限,此時(shí),H型鋼樁和U型鋼板樁被視為一個(gè)整體,中性軸不再移動(dòng)。3)從基坑開(kāi)挖的5個(gè)階段,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得出支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部最大水平位移為15.18 mm、基坑四周地表最大水平位移為15.24 mm、基坑四周地表最大沉降值為7.28 mm,均滿(mǎn)足基坑規(guī)范要求,支護(hù)效果良好。