用格形鋼板樁做深基坑支護的設計

高 倩 高增吉

1.煙臺市建筑設計研究股份有限公司 山東 煙臺 264000

2.煙臺金洋土木工程技術開發有限公司 山東 煙臺 264006

某大廈共32層，地下室3層。地下室層高2.8米。凈深8.4米，再加地下室底板厚度，基坑總深10米。建筑主體四周只有20米的施工面。

該工程位于海灘上，地下水與海水相通。土層自上而下為細砂、粉質粘土和風化巖。細砂厚12米，粉質粘土厚6米，粉質粘土下面為風化巖。

該基坑工程如果采用現行《建筑基坑支護技術規程（JGJ 120-2012）》中推薦的常規支護方法如噴錨支護法、單排鋼板樁法、單排灌注樁支護法、雙排鋼板樁法等難度較大。由于細砂沒有粘聚力，不能采用噴錨支護法；因為基巖埋深較淺并且要抵抗水壓力，采用單排鋼板樁支護法、單排灌注樁支護法和雙排鋼板樁支護法樁底端無法穩定。

根據上述水文、地質和工作面的特殊情況，本工程參照《干船塢設計規范》和《格形鋼板樁結構設計施工手冊》采用格形鋼板樁支護法效果較好。

格形鋼板樁一般由單根0.4米寬的直腹鋼板樁連接圍成格形。格內充填砂石料，依靠本身的重量產生的摩擦力抵抗外側的土壓力和水壓力。格體的寬度根據基坑的深度和水文、地質條件確定。由于能夠自身穩定，可以沿鋼板樁格的內側垂直開挖，具有其它支護方法沒有的優越性。

格形鋼板樁支護結構在設計時需要進行抗滑穩定計算、抗傾穩定計算、抗拔穩定計算、鎖口拉力計算、地基穩定計算和整體穩定計算。

一、格形選擇

格形鋼板樁的平面形狀有圓格形、扁格形、四分格形、扁圓格形等，如圖1所示。

圖1 格形鋼板樁平面形狀

各種格形鋼板樁支護結構的特點如下：

1、圓格形

優點：可以先做主格，后做輔格，施工中格體穩定性較好，并且鋼板樁的用量與圓格的直徑無關。

缺點：圓格直徑受到鋼板樁鎖口極限拉力的限制，不能做得太大，并且填充時只能先填充主格再填充輔格，要求的挖掘機臂較長。

2、扁格形

優點：鋼板樁用量最省，且格形結構的寬度不受鎖口極限拉力的限制，可以做得較寬。

缺點：施工中各格需要同時填充，施工難度較大。

3、四分格形

優點：各格允許單獨填充，結構寬度不受鋼板樁鎖口極限拉力的限制，施工中格體的穩定性較好。

缺點：鋼板樁用量較大。

4、扁圓格形

優點：可以連續做格體，逐個填充。

缺點：鎖口拉力較大，格體寬度受鎖口極限拉力的限制。

本工程基坑深度約10米，對于這種支護結構來說不是很深，并且原始地面為海灘，可以先做鋼板樁支護結構后開挖基坑，不必填充。所以，采用圓格形較合理。本例平面和剖面如圖2所示。

圖2 鋼板樁支護結構平面和剖面圖

二、主要設計方法和參數

（一）結構安全等級

本鋼板樁支護結構屬于臨時建筑物，屬于Ⅲ級。

（二）設計條件

1、設計水位（按當地理論最低潮面計算）

極端高水位：+2.66

設計高水位：+1.83

設計低水位：+0.03

極端低水位：-1.45

2、工程地質

從設計地面往下依次為細砂12米厚，粉質粘土6米厚，粉質粘土下面為風化巖。各層土的性質如表1。

表1 各層土特性表

3、地震

本地區抗震烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g。

（三）荷載分析和計算方法

1、自重：按照圓格換算寬度和填料容重計算，水下采用浮容重或者飽和容重。

2、土壓力：按照庫倫理論計算。

對于無粘性土：

（1）土自重產生的土壓力：eaH=γhKa

（2）地面勻布荷載產生的土壓力：eaqH=qKa

Ka=tan2(45°-Φ/2)

對于粘性土：

（1）土自重產生的土壓力：eaH=γhKa-2cKa0.5

（2）地面勻布荷載產生的土壓力：eaqH=qKa

Ka=tan2(45°-φ/2)

3、水壓力：按照水深和比重計算。

4、地面勻布荷載：取q=60kpa

應注意的是由于圓格形鋼板樁支護結構無底，其所受的揚壓力僅為鋼板樁本身受到的揚壓力，可忽略不計。

（四）結構計算

1、圓格形支護結構直徑的確定

參照《干船塢設計規范》中的《第二篇 水工結構 （JTJ 252-87）》中的《第九章 圍堰與基坑》，取圓格直徑D=0.8H (H為鋼板樁高度，本例中H=18米)。因鋼板樁每塊寬度為0.4米，圓格直徑應是0.4米的倍數，取D=14.77米，每個圓格由116根0.4米寬的鋼板樁組成。

2、抗滑計算

參照《干船塢設計規范》中的《第二篇 水工結構 （JTJ 252-87）》中的《第九章 圍堰與基坑》，第9.1.8條，以鋼板樁底端為滑動面，抗滑安全系數按下式計算：

Ks=(Gtanφ+BC+Ep)/H≥1.2

式中：

Ks-抗滑安全系數，

G-圓格結構的自重，包括填料自重（KN/m）,

2.3 尿酸鹽溶液的酸堿度 在生理pH值狀態下，MSU結晶的主要組成成分是尿酸鹽離子。尿酸鹽溶解度在pH值≤6或≥10時最大，在pH值為7～8時最小[10]。這可能與不同pH值條件下尿酸存在的形式不同有關：在37℃溶液中，當pH值較低時是以尿酸為主；在較高pH值時，以尿酸鹽離子為主。另一項研究[11]發現，在37℃過飽和溶液中，pH值<5.62時，尿酸的濃度最高；pH值為5.62時，尿酸鹽離子的濃度最高；pH值接近9時，尿酸鹽離子開始轉變為重尿酸鹽離子。因此，通過改變尿酸鹽溶液的酸堿度，可以對MSU結晶產生影響，微堿性環境促進痛風石的形成。

H-作用于滑動面以上除Ep以外的所有水平力的合力（KN/m），

B-計算滑動面的寬度（m），取B=0.85D,

C-計算滑動面上的粘聚力（kpa），

φ-計算滑動面上土的內摩擦角（°），本例中滑動面為樁底端，土層為粉質粘土，取φ=24.2°，

Ep-內側鋼板樁覆蓋土的被動土壓力（KN/m），取30%計算值。

本例計算結果如下：

（1）設計高水位：+1.83m時

圖3 設計高水位支護結構受力圖

表2 抗滑計算成果表（設計高水位時）

（2）設計低水位：+0.03m時

圖4 設計低水位支護結構受力圖

表3 抗滑計算成果表（設計低水位時）

根據以上計算結果，在設計高水位和設計低水位時，圓格形支護結構抗滑安全系數均大于1.2，抗滑安全性足夠。

3、抗傾計算

采用重力法，以鋼板樁內側底端為支點，鋼板樁折算寬度按B=0.85D計算，計算結果如表4和表5。

（1）設計高水位：+1.83m時

表4 力矩計算表（設計高水位時）

（2）設計低水位：+0.03m時

表5 力矩計算表（設計低水位時）

4、抗剪穩定性計算

格形鋼板樁結構的抗剪計算模型和理論有很多種，有各種理論計算方法。本例樁端位于巖基，可參照《干船塢設計規范》中的《第二篇 水工結構 （JTJ 252-87）》中的《第九章 圍堰與基坑》，第9.1.9條，以基坑底平面的鋼板樁格中心取力矩進行計算。抗剪安全系數按下式計算：

Ks=(Sc+Ft)/Q

Sc=γH2Kctanφ/2

Ft= FtHKc(H-d)fs

Q=1.5M/B

式中：Ks-抗剪安全系數，大于或等于1.25，

Sc-中性面上填料的總抗剪力（KN），

Ft-中性面上鎖口的總抗剪力（KN），

Q-中性面上的總剪力（KN），

γ-填料重力密度（KN/m3）,

φ-填料內摩擦角（°），

Kc-填料側壓力系數，取0.4-0.6，

fs-鋼板樁鎖口間的摩擦系數，取0.3，

H-基坑深度（m），

d-鎖口摩阻力最大處到基坑底的距離，取（1/4-1/2）H（m）,

M-水壓力、土壓力等外荷載對基坑底平面格形中心的合力矩（KNm）,

B-格形支護結構的折算寬度（m）。

（1）設計高水位+1.83m時，抗剪穩定性計算

圖5 設計高水位抗剪計算受力圖

在設計高水位時各參數計算如表6。

表6 抗剪計算表（設計高水位時）

Ks=(Sc+Ft)/Q =（290.43+114.58）/325.04=1.25,安全

（2）設計低水位+0.03m時，抗剪穩定性計算

在設計低水位時各參數計算如表7。

表7 抗剪計算表（設計低水位時）

Ks=(Sc+Ft)/Q =（290.43+114.58）/299.36=1.35＞1.25,安全

5、抗拔計算

本例支護結構為巖石地基，可以根據《干船塢設計規范》中的《第

二篇 水工結構 （JTJ 252-87）》附錄十五的計算方法計算。結合本例的實際情況，抗拔安全系數為：

K1=[B(Pw+Pa)fgs+Mp+Mw2]/(Mw1+Ma)

式中：K1-巖基上鋼板樁抗拔安全系數，

Pw-水壓力（KN）,

Pa-主動土壓力（KN）,

fgs-填料與鋼板樁間的摩擦系數，

B-支護結構的折算寬度，

Mp-內側被動土壓力產生的彎矩（KN.m）,

Mw2-內側水壓力產生的彎矩（KN.m）,

Mw1-外側水壓力產生的彎矩（KN.m）,

Ma-外側被動土壓力產生的彎矩（KN.m）。

（1）設計高水位+1.83時，根據圖2受力分析，抗拔穩定性計算如表8。

表8 抗剪計算表（設計高水位時）

抗拔安全系數K1=1.26＞1.2,安全度足夠。

（2）設計低水位+0.03時，根據圖3受力分析，抗拔穩定性計算如表9。

表9 抗剪計算表（設計低水位時）

抗拔安全系數K1=1.29＞1.2,安全度足夠。

6、鋼板樁鎖口拉力計算

根據《干船塢設計規范》中的《第二篇 水工結構 （JTJ 252-87）》附錄十四，圓格形鋼板樁在主格圓弧處，t1=PR；在主格與連弧的連接點，t2=PL/cosφ。

式中：P-填料的水平拉力強度（kpa）,按照貯倉壓力計算，

R-圓格半徑（m），

L-兩主格中心距（m）,

t1-主格圓弧處鎖口拉力（KN/m）,

t2-主格與圓弧連接點處鎖口拉力（KN/m）。

根據本例的受力情況，計算結果如表10。

表10 鎖口拉力計算表

從表10中可知，最大鎖口拉力t=t2=1783.54 KN/m,本例使用日本鋼板樁YSP-F型，鎖口極限拉力tu=4500 KN/m,鎖口強度安全系數：Kt=tu/t2=4500/1783.54=2.52,安全！

五、地基穩定計算

對于非巖地基尚應進行地基承載力和沉降計算。本例地基持力層為風化巖，不必進行這兩項計算。

六、整體穩定計算

對于非巖地基尚應進行地基整體穩定計算。本例地基持力層為風化巖，不必進行整體穩定計算。

七、經濟指標

本例中鋼板樁購買價8000元/噸，沉樁和拔樁費2500元/噸。鋼板樁折舊按15%計算，折舊費1200元/噸。支護結構總造價3700元/噸。經濟指標如表11。

表11 經濟指標表

八、綜合利用

本支護結構在施工期作為基坑支護結構，為大廈基礎和地下室的施工創造條件。在施工期結束后，如果不拆除，可以作為地下室的防滲結構。

本工程地下水與海水相通，如果不做防滲結構，地下水量很大，需要由地下室的擋水墻承受水壓力，墻體的斷面和配筋量會較大，地下室墻的防滲做法要求也高，增加工程總造價。采用本鋼板樁支護結構作為永久防滲設施，可以有效降低工程總造價。可以通過方案比選，擇優采用。