拉森鋼板樁在市政基坑支護中的運用分析

肖登峰

(福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著國內(nèi)城鎮(zhèn)化的進一步發(fā)展，基坑工程成為市政工程一項重要的內(nèi)容，但由于市區(qū)內(nèi)建筑物密集，施工器械、建筑材料等都受到空間限制，而基坑工程需兼顧經(jīng)濟效益、施工周期和安全性等諸方面因素，而拉森鋼板樁作為一種新型建筑材料，具有高強度大剛度、施工工藝簡單、建筑周期短和施工空間小等特點，伴隨鋼材價格的降低，成本大大降低，在國內(nèi)市政基坑工程廣泛應(yīng)用。遺憾的是，國內(nèi)目前缺少針對鋼板樁的施工規(guī)范和手冊。研究鋼板樁及其在基坑工程的運用情況，可有力推動相關(guān)行業(yè)規(guī)范的制定，亦對類似工程具有借鑒作用。

基于此，本文選取某市政基坑工程作為研究對象，分析該基坑以鋼板樁和鋼支撐結(jié)合的支護方式安全性能和變形情況。

1 拉森鋼板樁支護的特點

拉森鋼板樁是一種適用于基坑的新型臨時支護形式，經(jīng)由振動錘或打樁機持續(xù)擊打進形成嵌入土體的連續(xù)板墻[1]。與傳統(tǒng)的基坑支護結(jié)構(gòu)相比，拉森鋼板樁具有以下幾個特點。

(1)鋼板樁相互之間具有較好的咬合能力，起到基坑止水的作用；

(2)拉森鋼板樁占用空間小，在經(jīng)常存在狹窄空間的市政工程中能發(fā)揮其優(yōu)勢；

(3)拉森鋼板樁采用鋼板材料和鋼管作為施工材料，材料強度高、剛度大，施工過程無需泥漿護壁，達到環(huán)保和縮短工期效果。

(4)鋼板樁材料可重復(fù)使用，重復(fù)次數(shù)可達30次以上，大大縮減成本，并緩解臨時工程的材料浪費問題。

基于以上幾個特點，拉森鋼板樁在基坑支護、橋梁工程、管溝支護運用廣泛，尤其在河道駁岸基坑工程、管道工程和路面塌陷應(yīng)急搶險較為常見[2]。其實，在市政管線工程中，由于施工條件存在空間限制，大型器械難以調(diào)用，拉森鋼板樁亦是一種經(jīng)濟可靠的樁型選擇。

2 工程概況及其支護設(shè)計

本研究案例基坑工程，位于福建省莆田市內(nèi)，該基坑長度84.14m，寬13.5m，場地標(biāo)高約為黃海7.0m～7.3m，開挖前場地整平至黃海6.7m以下。基坑開挖至墊層底深度約為5.6m，如圖1所示。該基坑安全等級為二級，工程重要性系數(shù)取γ=1.0，采用森鋼板樁和鋼支撐相結(jié)合支護形式。

圖1 工程平面圖

2.1 地層巖性

根據(jù)場地巖土工程勘察報告，場地上部土層自上而下依次為：雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥、卵石、殘積砂質(zhì)粘性土和風(fēng)化程度不同的花崗巖。卵石層界面以下均可作為樁持力層的地層。

2.2 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合前期勘察以及土工試驗獲取的巖土層物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 基坑支護設(shè)計方案

該基坑采用拉森鋼板樁和鋼支撐支護方案，選用Ⅳ型拉森鋼板樁，拉森鋼板樁樁長15m，深入至卵石層1m，設(shè)計參數(shù)如表2所示。

鋼支撐布設(shè)于距地面1m處，分14個對撐和4個角撐，對撐之間相距5m。同時，在基坑內(nèi)設(shè)置箱涵，底部采用C25素砼以及砂墊層，如圖2所示；雨水箱涵施工在基坑支護完成并開挖至底部，主要起匯集雨水作用，基坑支護過程并非計算重點。鋼板樁采用U型口鉸接，連接施工圖如圖3所示。

表2 Ⅳ型拉森鋼板樁設(shè)計參數(shù)

圖2 基坑支護剖面圖

圖3 拉森鋼板連接施工圖

3 基坑支護設(shè)計驗算

該基坑支護設(shè)計，采用理正深基坑計算程序，對基坑臨時支護進行剖面單元分析計算——圍護結(jié)構(gòu)整體分析計算——支撐結(jié)構(gòu)強度驗算。計算結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 基坑工程驗算表

圖4 內(nèi)力和位移包絡(luò)圖

4 基坑支護有限元分析

除了以理正深基坑計算程序?qū)又ёo工程進行安全驗算，本文還通過二維有限元法對該基坑工程進行模擬計算，并分析基坑變形、應(yīng)力分布和鋼板樁變形情況，以及通過強度折減法分析失穩(wěn)模式。

4.1 數(shù)值模型構(gòu)建

構(gòu)建基坑數(shù)值模型寬53m，深20m，基坑開挖區(qū)域?qū)挾?3m，開挖深度5.6m，模型兩側(cè)邊界距基坑開挖各有20m距離，超過開挖深度造成的影響區(qū)域；鋼板樁長15m，地下水初始水位距離地面2.2m，基坑超載為10kPa。采用三角形網(wǎng)格將模型劃分為4037個單元，對基坑兩側(cè)施加水平向約束，對底部邊界施加完全固定約束。本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb，數(shù)值模型圖如圖5所示，模型中各土層采用表1的物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)剛度等效原則，選用等效厚度板模擬拉森鋼板樁，并基于相似工程數(shù)值模擬結(jié)果[3]，各支護構(gòu)件選取的模擬參數(shù)如表4所示。

表4 支護結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)

圖5 基坑支護數(shù)值模型

4.2 工況設(shè)計

該基坑工程開挖前，預(yù)先將拉森鋼板樁打入土體深部15m，隨后進行第一次工程開挖至地面以下1m；然后，架設(shè)鋼支撐和圍檁，地下水初始水位位于第一次開挖界面以下，地下水位未變化。第二次開挖至地面以下5.6m，開挖過程通過降水措施，將地下水位降至地面以下6.5m。該基坑模擬工況分為如表5所示5種工況，初始工況主要為平衡地應(yīng)力。

表5 模擬工況 m

4.3 基坑變形結(jié)果分析

基坑變形是本研究重點內(nèi)容。在第2步布設(shè)拉森鋼板樁工況中，基坑并未發(fā)生變形，故不展示該工況下基坑變形情況。圖6為第一次開挖至1m時基坑總位移云圖。由于本次數(shù)值模擬選用的是Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，受本構(gòu)模型自身限制，該處理基坑受開挖影響導(dǎo)致坑底土體隆起時易產(chǎn)生較大變形。圖7是架設(shè)鋼支撐后的總位移云圖，由圖7可見，坑底變形量值減少，形成以基坑中心為主的變形區(qū)域。在基坑開挖至5.6m時，數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示，圖8顯示，此時兩側(cè)土體形成以開挖中心區(qū)為出口的轉(zhuǎn)動體，基坑內(nèi)土體向基坑中部擠壓隆起，變形較為明顯，位于開挖中心區(qū)長度約8m、深度約1.8m區(qū)域；數(shù)值模擬顯示，開挖至基坑底部是基坑支護最危險的階段。

圖6 開挖至1m時基坑總位移云圖

圖7 架設(shè)鋼支撐后的基坑總位移云圖

圖8 開挖至5.6m時基坑總位移云圖

4.4 鋼板樁變形分析

由于該模型是軸對稱模型，本研究選取其中一個鋼板樁進行分析。圖9是鋼板樁剪力分布圖，其最大剪力位置在距樁頂1.3m處，該處剪力250kN；距樁頂約8m位置剪力0，整個剪力圖呈現(xiàn)以該位置為對稱點的S型，如圖10所示；圖11是鋼板樁彎矩圖，彎矩最大位置在距樁頂7.67m處，該處彎矩-556.33kN·m，距樁頂2.4m范圍內(nèi)形成向基坑開挖區(qū)內(nèi)的彎矩，該范圍內(nèi)最大彎矩260.67kN·m，鋼板樁彎矩圖在數(shù)值模型圖如圖12所示，鋼板位移如圖13所示，距樁頂1m處由于有架設(shè)鋼支撐，變形很小，變形區(qū)域最大為距樁頂8m位置。

圖9 鋼板樁剪力分布圖

圖10 鋼板樁剪力在數(shù)值模型的分布圖

圖11 鋼板樁彎矩圖

圖12 鋼板樁彎矩在數(shù)值模型的分布圖

圖13 鋼板樁位移圖

4.5 鋼板樁失穩(wěn)模式

通過強度折減法計算該基坑安全系數(shù)，計算結(jié)果顯示，在基坑挖至5.6m時，該基坑安全系數(shù)為3.17，圖14是該基坑在臨界狀態(tài)下的最大剪應(yīng)變分布云圖。由圖14可見，鋼板樁以兩側(cè)樁底為軸點形成圓弧形滑動，但滑動面未完全貫通；圖15是該基坑在臨界破壞狀態(tài)時的總位移云圖的效果呈現(xiàn)圖，由圖15可以清楚看到基坑受鋼板樁的約束，基坑周圍土體和鋼板樁樁頂處只發(fā)生微小的變形，而基坑內(nèi)部土體呈隆起狀態(tài)，兩側(cè)樁底端均受到土體擠壓向基坑內(nèi)變形。

圖14 臨界狀態(tài)時基坑最大剪應(yīng)變分布云圖

圖15 臨界狀態(tài)時基坑總位移分布云圖

5 結(jié)論

本文以某市政基坑工程采用鋼板樁和鋼支撐相結(jié)合的支護設(shè)計方案為研究案例，通過單元計算和有限元法分析了基坑和鋼板樁的變形情況，得到以下兩個結(jié)論：

(1)該基坑在開挖至坑底時變形最大，呈現(xiàn)以開挖中心位置為出口的轉(zhuǎn)動變形，基坑內(nèi)土體向基坑中部擠壓隆起。

(2)采用以拉森鋼板樁和鋼支撐組合的支護方式滿足基坑安全要求，施工區(qū)域較為狹窄的區(qū)域，拉森鋼板樁具有明顯優(yōu)勢。