軟土地區鋼板樁支護結構在深基坑中的應用及計算分析

楊 毅

(中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引 言

鋼板樁是一種帶鎖口或鉗口的熱軋(或冷彎)型鋼,靠鎖口或鉗口相互連接咬合,形成連續的鋼板樁墻,用來擋土和擋水,具有高強、輕型、施工快捷、環保、美觀、可循環利用等優點。鋼板樁支護結構由打入土層中的鋼板樁和必要的支撐體系組成,以抵抗水、土壓力并保持周圍地層的穩定,確保地下工程施工的安全[1]。

本文以某軟土地區深基坑支護為例,對鋼板樁及橫向鋼支撐進行內力分析,并對支護結構的整體穩定性、抗踢腳穩定性、抗隆起穩定性、抗流土穩定、抗突涌穩定、嵌固深度等內容進行了驗算。同時,介紹了該深基坑支護的設計方案,以期為類似工程提供參考。

1 工程背景概況

某公路與既有鐵路交叉,其主道和輔導采用同層高架上跨鐵路,人非通道分左右兩側下穿鐵路。人非通道單側寬6 m,單側長均為314 m,其中U槽段長304 m,框架段長10 m。左側人非通道基坑最大開挖深度6.44 m,右側人非通道基坑最大開挖深度6.52 m。

2 工程地質和水文地質條件

地形地貌:長江三角洲沖積平原,地形平坦,地勢開闊。

地層巖性:工點范圍內地層自上而下分別為:

1a雜填土:灰黃色,濕,松散～稍密,層厚2.40～4.70 m;Ⅱ級普通土。

1-2淤泥質粉質黏土層:灰色,流塑,層厚3.20～9.80 m;基本承載力σ0=70 kPa,Ⅱ級普通土。

1-2c粉砂層:灰色,飽和,稍密,層厚3.30～8.20 m;基本承載力σ0=90 kPa;Ⅰ級松土。

2-1粉砂層:灰黃色～灰色,飽和,中密,層厚13.70～20.00 m;基本承載力σ0=130 kPa,Ⅰ級松土。

水文地質:工點區域內無地表水。地下水主要類型為潛水及弱承壓水,潛水主要賦存與淺部松散地層中,其主要補給源為大氣降水、人工用水、地表徑流,主要以蒸騰作用排泄;弱承壓水主要分布于中下部砂性土層中,主要接受地表水及大氣降水補給;地下水水位埋深0.95～2.96 m,地下水對混凝土結構具化學侵蝕環境,環境作用等級為H1。

基本地震動峰值加速度:地震動峰值加速度為0.10g,抗震設防烈度為Ⅶ度,特征周期0.35 s。

3 基坑支護設計方案

綜合考慮目前基坑深度、地質條件、周邊環境、建設工期等因素,對基坑開挖采用兩種支護形式:

(1) K5+460-K5+482及K5+755-K5+774段兩側基坑開挖深度≤2.5 m,采用放坡開挖,坡率為1∶1,坡面采用5 cm水泥砂漿抹面。

(2) K5+482-K5+755段兩側基坑開挖深度>2.5 m,采用鋼板樁+鋼圍檁+內支撐的支護方式。鋼板樁采用熱軋U型鋼板樁,型號為400 mm×170 mm。鋼圍檁采用雙拼H型鋼,型號為400 mm×400 mm×13 mm×21 mm。內支撐選用鋼管支撐,設在距原地面1.0 m處,水平間距3.5 m,型號為φ609 mm,t=16 mm。其中K5+587-RK5+657段兩側基坑開挖深度>5 m,需對鋼支撐施加210 kN的軸向預加力。

采用井點降水將基坑內側水位降至基坑底面以下1.0 m。在基坑頂部設置截水溝,地表裂縫處應予封堵,注意排走地勢低凹處的積水,防止地表水流入基坑內和沖刷基坑；并在基坑內設置排水溝,及時排除滲水。施工斷面如圖1所示。

圖1 代表性斷面示意圖(單位：cm)

4 支護結構內力分析

4.1 計算方法

內支撐簡化為彈簧支座,基坑內開挖面以下的土體亦采用彈簧進行模擬,而基坑外土體的水土壓力則視為外部荷載施加于地基梁上,從而通過桿系有限元的方法即可計算彈性地基梁的內力和變形[2]。

鋼板樁嵌固段基坑內側土反力采用m法,鋼板樁基坑外側主動土壓力采用庫侖法。鋼板樁傳至內支撐的荷載取鋼板樁結構分析時得出的支點力[3]。

支護結構應考慮的設計工況包括:工況1，基坑開挖1.5 m;工況2，加內支撐;工況3，基坑開挖6.52 m。

4.2 計算參數

4.2.1 鋼板樁尺寸及參數

鋼板樁長H=17.02 m,其中嵌固深度10.5 m。鋼板樁截面面積A=242.5 cm2,慣性矩I=38 600 cm4,抗彎模量W=2 270 cm3,抗彎強度f=215 MPa。

4.2.2 地層參數

1a雜填土:重度γ=19.7 kN/m3;黏聚力c=28.0 kPa,內摩擦角φ=10°,地基系數m取3.8 MN/m4,層厚2.87 m。

1-2淤泥質粉質黏土層:重度γ=18.2 kN/m3;黏聚力c=11.7 kPa,內摩擦角φ=11.3°,地基系數m取2.59 MN/m4,層厚8.39 m。

1-2c粉砂層:重度γ=19.3 kN/m3;黏聚力c=5.0 kPa,內摩擦角φ=26.6°,地基系數m取11.99 MN/m4,層厚5.54 m。

2-1粉砂層:重度γ=19.4 kN/m3;黏聚力c=9.0 kPa,內摩擦角φ=30.2°,地基系數m取16.12 MN/m4,層厚17.34 m。

4.2.3 其他參數

基坑外附加荷載按30 kPa的均布荷載計列。降水后基坑內側地下水深度7.52 m,基坑外側地下水位深度1.42 m。

4.3 內力計算

分別對工況1、工況2、工況3進行計算分析,得出工況3為最不利情況,根據計算結果繪制鋼板樁樁身內力位移包絡圖，如圖2所示。

圖2 樁身內力位移包絡圖

分析可知:基坑內側最大彎矩363.12 kN·m,基坑外側最大彎矩174.81 kN·m,最大剪力153.44 kN。樁身最大水平位移為40.25 mm,內支撐最大支反力為501.30 kN。

4.4 鋼板樁截面驗算

支護結構構件按承載能力極限狀態設計,作用基本組合的綜合分項系γF=1.35[3],支護結構的安全等級采用二級,結構的重要性系數γ0=1.0[3]。

基坑內側設計彎矩Mn=1.0×1.25×363.12=453.9 kN·m;基坑外側設計彎矩Mw=1.0×1.25×174.81=218.51 kN·m。

σn=MnW=453.9 kN·m2 270 cm3=199.96 MPa<215 MPa

σw=MwW=218.51 kN·m2 270 cm3=96.26 MPa<215 MPa

基坑內、外側最大彎矩處的正應力均滿足鋼板樁抗彎強度。

4.5 嵌固段基坑內側土反力驗算

嵌固段作用在鋼板樁上的分布土反力按下式計算:

ps=ksν+ps0,ks=m(z-h)[3]

分別對3種設計工況下的嵌固段基坑內側土反力進行驗算:

工況1:Ps=1 833.15 kN≤Ep=4 694.92 kN;工況2:Ps=1 796.38 kN≤Ep=4 694.92 kN;工況3:Ps=1 704.76 kN≤Ep=2 068.65 kN。均滿足要求。

5 支護結構穩定性驗算

5.1 整體穩定驗算

支護結構的強度較高,滑動面不易穿過支護結構而發生滑動破壞,而只能從樁底或樁底以下一定深度處滑動,且基坑地處深厚軟土場地,因此基坑發生整體失穩的可能性仍高[2]。

采用瑞典條分法進行整體穩定性驗算,每個土條寬取0.4 m,支護結構整體穩定性應滿足下式要求[4]:

KR=MRMS≥1.3

以錨固點為坐標原點,通過計算,滑裂面圓弧半徑R=16.292 m,圓心坐標X=-1.868 m,圓心坐標Y=5.633 m。整體穩定安全系數為1.328> 1.3,整體穩定驗算滿足要求。

5.2 抗踢腳穩定驗算

內支撐以下的鋼板樁在主被動區水土壓力的作用下有可能產生以內支撐支點為圓心的轉動破壞,即踢腳破壞。驗算踢腳穩定破壞,主要是驗算內支撐以下主、被動區繞最下道支點的轉動力矩是否平衡[2]。

支護結構嵌固穩定性應滿足下式要求,其中Kem取值1.2。

EpkZp2EakZa2≥Kem

通過計算,嵌固穩定安全系數=25697.20/19375.09=1.326>1.2,抗踢腳穩定驗算滿足要求。

5.3 抗隆起穩定驗算

土體從支護構件底端以下向坑內隆起擠出,即隆起失穩破壞。這是一種土體喪失豎向平衡狀態的破壞模式,由于內支撐只能對支護結構提供水平方向的平衡力,對隆起破壞不起作用,只能通過增加擋土構件嵌固深度來提高抗隆起穩定性[2]。

(1) 坑底的抗隆起穩定性應滿足下式要求,其中Khe取值1.6。

γm2DNq+cNcγm1(h+D)+q0≥Khe

通過計算,隆起安全系=(18.806×10.500×18.824+9.000×30.625)/(18.826×(6.520+10.500)+30.000)=11.393>1.6,抗隆起驗算滿足要求。

(2)坑底以下為軟土時,以內支撐支點為轉動軸心的圓弧滑動模式下的抗隆起穩定性應滿足下式要求,其中KRL取值1.9。

∑[cjlj+(qjbj+ΔGj)cosθjtanφj]∑(qjbj+ΔGj)sinθj≥KRL

通過計算,以最下層支點為軸心的圓弧滑動穩定安全系數=2.698>1.9,抗隆起穩定驗算滿足要求。

5.4 抗流土穩定驗算

由于基坑內降水,形成坑內外水力坡降較大,在滲流壓力的作用下,發生流土的可能性則應予以考慮,抗流土穩定驗算應滿足下式要求,其中Kf取值1.5[2]。

(2ld+0.8D1)γ'Δhγω≥Kse

通過計算,流土穩定性安全系數=(2×10.55+0.8×5.1)×8.87/(6.1×10)=3.662>1.5,抗流土穩定驗算滿足要求。

5.5 抗突涌穩定驗算

以壓力平衡理論為基礎,坑底以下有水頭高于坑底的承壓水含水層,且未用截水帷幕隔斷其基坑內外的水力聯系,承壓水作用下的坑底突涌穩定性應滿足下式要求,其中Ktf取值1.1[2]。

Dγ(Δh+D)γω≥Kty

通過計算,突涌穩定性安全系數=4.8×18.214/60=1.457>1.1,抗突涌穩定驗算滿足要求。

5.6 嵌固深度構造驗算

對單支點支擋式結構,要求擋土構件的嵌固深度不小于0.3倍的基坑深度[3]。

嵌固構造深度=嵌固構造深度系數×基坑深度=0.3×6.52=1.956m。鋼板樁嵌固深度采用值10.5 m>1.956 m,滿足構造要求。

6 基坑監測

6.1 監測內容

基坑工程的監測項目與基坑工程設計、施工方案相匹配。針對監測對象的關鍵部位,做到重點觀測、項目配套并形成有效的、完整的監測系統[1]。主要監測內容包括:深層土體水平位移;圍護樁頂部水平位移及沉降;坑外地下水位的監測;鋼支撐軸力;以及周圍環境的監測(周圍道路路面、地下管線設施的沉降、變形)。

6.2 監測報警界限

基坑監測數據、現場巡查結果應及時整理和反饋。當出現下列危險征兆時應立即報警:鋼板樁頂部水平位移為26 mm,變形速率連續3 d大于3 mm/d;深層土體位移為40 mm,變形速率連續3 d大于3 mm/d;內支撐軸力值允許值為2 000 kN,報警值為1 600 kN;坑外水位沉降速率大于500 mm/d或累計1 000 mm;周邊一般市政地下管線報警界限應根據管線單位及有關部門要求確定;周邊道路路面沉降50 mm。

7 結束語

對于軟土地區開挖深度超過5 m的深基坑,通過井點降水將基坑內側水位降至基坑底面以下1.0 m,采用鋼板樁+鋼圍檁+內支撐的支護方式,并加強基坑監測,能達到較好的支護效果和經濟效益。該方案具有一定的參考價值。