鋼板樁在濕陷性黃土地區深基坑支護中的應用研究

楊 陽

(1.隴東學院 土木工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅省高校黃土工程性質及工程應用省級重點實驗室，甘肅 慶陽 745000)

由于濕陷性黃土具有結構疏松、孔隙發育等工程特點，在濕陷性黃土地區深基坑開挖過程中需要進行安全的支護，以保證建設工程的安全性[1-4]。鋼板樁支護是一種典型的基坑支護結構，近年來，很多專家學者針對鋼板樁支護進行了理論和應用研究。劉陽平[5]針對鄰近既有線的基坑支護工程，對鋼板樁支護進行了設計計算和施工應用研究。卓全[6]分析了鋼板樁支護在地埋式污水處理池工程中的設計要點。許立等[7]研究了建筑物保護加固中鋼板樁的支護應用。徐順平等[8]研究了雙排鋼板樁圍堰在深厚軟土地基中的應用。李瓊林等[9]研究了臨近軟土路基深溝開挖支護中鋼板樁的應用。王理[10]利用有限元分析軟件對比研究了鋼板樁、SMW工法和鉆孔灌注三種圍護結構。鋼板樁支護由于自身具有高強度、對空間要求低、施工簡單等優點在基坑支護中進行了廣泛應用，但在濕陷性黃土地區應用較少，有待于進一步研究和推廣。因此，本文以濕陷性黃土地區某深基坑為例，在基坑施工作業區域狹小等不利因素下，進行了鋼板樁支護的應用研究，闡明了鋼板樁在濕陷性黃土地區深基坑支護中的可行性，為濕陷性黃土地區深基坑鋼板樁支護增加了寶貴的經驗，對于鋼板樁支護在同類工程支護中的使用和推廣具有很好的借鑒意義[11-13]。

1 工程概況

某城市海綿城市改造工程中擬建重力污水管道，需在非機動車道距東側人行道路沿路沿石1.5米處開挖截水井基坑，最大深度達到11m，基坑平面尺寸為5m×5m，四周無放坡條件。本次勘察的最大揭露深度55m，根據本次勘察鉆孔揭露結果，勘探深度范圍內，自上而下去除車行道路面結構層外主要由新近堆積的填土、馬蘭黃土和離石黃土構成，具體土層參數見表1。勘測深度55m范圍內無地下水。

表1 土層參數

2 鋼板樁支護設計

鑒于該工程位于主干道的非機動車道上，無封閉交通和放坡條件，且基坑深度達到11m，故決定采用SP-Ⅳ型拉森鋼板樁支護。

2.1 鋼板樁相關設計參數

2.1.1 鋼板樁參數：SP-IV型鋼板樁寬400mm，高170mm，厚15.5mm，截面積96.9cm2，理論重量76.1kg/m，自帶鎖口相互插接連接。

2.1.2 鋼板樁內支撐參數：鋼板樁之間采用工25b腰梁圍檁進行連接，直徑DN180mm×12mm的鋼管進行斜內支撐。

2.2 鋼板樁布設

該基坑設計總深11m，按二級基坑進行設計計算，基坑周邊荷載按照地面超載20kPa考慮，鋼板樁布設形式見圖1。鋼板樁采用24m長的SP-IV型森鋼板樁加4道內支撐進行支護，鋼板樁之間采用工25b腰梁圍檁進行連接，直徑DN180mm×12mm的鋼管進行斜內支撐分別在每邊距端部1.5m處加設，第一道支撐距地面1m，第二道支撐距第一道支撐2m，第三道支撐距第二道支撐2.5m鋼板樁，第四道支撐距第三道支撐2.5m。土方開挖應該分段分層連續施工，開挖至板樁頂標高以下1.5m時，進行第1道支撐施工，開挖至板樁頂標高以下3.5m時，進行第2道支撐施工，開挖至板樁頂標高以下6m時，進行第3道支撐施工，開挖至板樁頂標高以下8.5m時，進行第4道支撐施工。

圖1 鋼板樁布設形式

2.3 結構內力計算

本文分別采用彈性法土壓力法和經典法土壓力法進行結構內力計算。彈性土壓力法是將作用樁墻上的支錨點簡化為彈性支撐，將基坑開挖面以下被動側土體簡化成水平向的彈性支撐，將主動側的土壓力施加到樁墻之上。利用有限元分析方法或數值計算方法，求得到其內力及位移。經典土壓力法中具有代表性的是等值梁法，將內撐和錨桿處假定為不動鉸支座。計算出樁兩側的土壓力及其分布后，按靜力平衡法計算支護構件各點的內力。計算中彎矩折減系數取0.85，剪力折減系數取1.00，荷載分項系數取1.25，得到了開挖完成后結構內力包絡圖如圖2所示。

圖2 結構內力包絡圖

由圖2可知：采用彈性法土壓力模型計算得到基坑內側最大彎矩標準值為114.37kN·m，基坑外側最大彎矩標準值66.52kN·m，最大剪力標準值為82.02kN，鋼板樁最大位移為13.89mm，內支撐最大支反力標準值為120.52kN。采用經典法土壓力模型計算得到基坑內側最大彎矩標準值為61.38kN·m，基坑外側最大彎矩78.20kN·m，最大剪力標準值為82.16kN，鋼板樁最大位移為0mm，內支撐最大支反力標準值為130.41kN。

2.4 地表沉降計算

由于鋼板樁前土體的挖除，破壞了原來的基坑平衡狀態，鋼板樁向基坑方向的位移，必然導致鋼板樁后土體中應力的釋放和取得新的平衡，將引起鋼板樁后土體的位移。土體位移可以分解為土體向基坑方向的水平位移以及土體豎向位移，其中土體豎向位移的總和表現為地面的沉陷。基坑開挖過程中的地表沉降的范圍還取決于地層的性質、基坑開挖深度H、墻體入土深度、下臥軟弱土層深度、基坑開挖深度以及開挖支撐施工方法等。沉降范圍一般為(1～4)H。地表最大沉降近似于樁體最大水平位移，典型的地表沉降曲線主要有三角形曲線、指數曲線和拋物線[14]。本文地表沉降具體計算結果如圖3所示。

圖3 地表沉降圖

由圖3可知：用三角法計算得到基坑地表最大沉降量為13mm，拋物線法計算得到基坑地表最大沉降量為20mm，指數法計算得到基坑地表最大沉降量為10mm。

2.5 鋼板樁截面計算

結構內力分別采用彈性土壓力法和經典土壓力法計算，得到基坑最大彎矩標準值為114.37kN·m。通過計算可得：基坑最大彎矩設計值為121.52kN·m，選用的SP-IV型鋼板樁每延米抗彎模量2270cm3，允許抗彎應力215MPa，鋼板樁計算抗彎應力為53.532MPa小于允許抗彎應力，故鋼板樁截面滿足規范要求。

2.6 整體穩定性計算

基坑支護進行整體穩定性驗算的目的就是要防止基坑支護結構與周圍土體整體滑動失穩破壞，常用的整體穩定性分析條分法主要有瑞典圓弧滑動法、簡化Bishop法、Janbu法、力平衡方法、Morgenstern-Price法和Spencer法等。分析的方法雖然很多，但目前工程實踐中常用的分析方法就是瑞典圓弧滑動條分法，但該方法中僅能滿足整個滑動土體的整體力矩平衡條件，產生的誤差一般會使求出的安全系數偏低10%—20%[14]。

本文的整體穩定性計算方法采用瑞典條分法，應力狀態按有效應力法計算，條分法中的土條寬度取0.40m，滑裂面數據具體為：圓弧半徑25.020m，圓心坐標(-2.606，11.839)，計算至開挖11m，計算得到整體穩定安全系數Ks=2.202>1.30,滿足規范要求。

2.7 內支撐計算

鋼板樁支撐形式采用最基本最原始的支護方式——內支撐，邊撐邊挖法施工，可保證鋼板樁位移得到有效控制。內支撐采用I25b工字鋼圈梁和DN180mm×12mm的斜撐組成，如圖4所示。取圖2計算得到的最大支撐反力作為內支撐設計荷載。內支撐最大反力為130.41kN/m,采用大型有限元分析軟件Midas進行整體建模分析計算(在支撐鋼管與圈梁相交處下方焊接牛腿作為豎向約束)，內力計算結果分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖4 內支撐模型圖

圖5 內支撐變形圖

圖6 內支撐彎矩圖

圖7 內支撐組合應力圖

由5、圖6和圖7可知：圍堰長邊最大變形為0.473mm<[L/400]=12.5mm，圈梁I25b工字鋼最大組合應力為126.7MPa<[170]MPa，斜撐DN180mm×12mm最大組合應力為42.8MPa<[170]MPa，故內支撐受力均滿足要求[15]。

3 結論

濕陷性黃土地區深基坑施工受制約因素多，風險性也高。以往濕陷性黃土地區深基坑施工中鋼板樁支護的應用較少。本次工程通過實踐證明了對于此類環境要求較高、施工作業區域狹小的基坑工程，在探明地質條件的前提下，應用鋼板樁進行支護可以滿足濕陷性黃土地區深基坑支護的施工要求，也可為鋼板樁支護在類似濕陷性黃土地區深基坑支護中的應用和推廣提供一定的借鑒和參考。