HUC組合鋼板樁在深基坑支護中的應用研究

湯明明

(浙江恒躍建設管理有限公司,浙江 嘉興 314300)

0 引言

深基坑支護既要保證基坑開挖安全,又要確保周圍環境安全。傳統基坑支護形式經常受開挖場地大小的限制,無法適用于特殊情況的基坑施工場地[1]。鋼板樁作為一種綠色建筑材料,適用于狹小施工場地。但常規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[2]。隨著工程技術的不斷提高,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點,也解決了常規鋼板樁剛度不足的問題,同時止水效果較好。另外,HUC組合鋼板樁的鋼材重復利率高,在環境保護方面有突出的優勢,將HUC組合鋼板樁應用于深基坑支護中具有重要意義[4]。基于此背景下,本文對HUC組合鋼板樁的實際應用進行研究,為后期同類基坑工程支護結構提供參考。

1 工程案例

1.1 工程概況

某廣場工程項目位于嘉興市南湖區,整個地塊為商業用地性質,該廣場建成后為人們提供一站式娛樂服務。項目地上總建筑面積161 328.585 m2,包括公寓、五星級酒店及辦公樓;地下總建筑面積35 085 m2,包括地下車庫、步行街兩層。項目離周邊構筑物距離很近,并且地下環境比較復雜,基坑形狀為矩形,周長約為556 m,長約為210 m,寬約為70 m,最大開挖深度達到8.2 m,基坑周邊施工空間范圍較小。

1.2 工程地質及水文地質

根據地質鉆探報告,場地所處地貌為浙北平原區,土層巖性以雜填土、粉土、粉質黏土、砂土為主。根據土質情況,本工程基坑開挖范圍內的主要土層分布為:①雜填土,物質成分雜亂,由磚塊、混凝土塊、碎石等組成,全場分布,厚度0.3 m～0.8 m。②粉土,礦物有石英、長石及云母等,由粉粒和黏粒組成,為高壓縮性軟土,全場分布,層厚3.2 m～5.8 m。③粉質黏土,礦物有云母、煤屑、氧化物、粉土等,局部地區有粉土,為高壓縮性軟土,全場分布,層厚4.7 m～22.7 m。④砂土,主要有石英、長石及云母,并夾帶粉土、粉質黏土,全場分布,厚度13.8 m～20.2 m。基坑各土質根據現場取樣,測試得出物理力學參數結果,如表1所示。

表1 基坑土質物理力學性質指標

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

2 深基坑支護方案

從面積和挖土量來看,基坑開挖規模大,并且開挖深度深,對基坑支護結構的變形控制要求較高。基坑支護結構不僅要受力均勻合理,更要節省施工成本。起初考慮選用SMW工法樁方案,雖然SMW工法樁滿足該場地地層和基坑開挖深度的要求,但場地距離周邊構筑物距離很近,無法正常運行三軸水泥攪拌樁機[5]。另外,場地周邊地下環境復雜,地下管線較多。因此,該項目基坑支護結構決定選用垂直支護。目前,拉森鋼板樁屬于常用樁型,具有造價低、工期短等優勢。但該項目基坑最深處約為8.2 m,拉森鋼板樁樁身側向剛度較小,并且鋼板較薄,容易被撕裂。因此,綜合工程概況及場地周邊環境條件,拉森鋼板樁不適合在該項目中使用。

經工程設計并通過專家論證,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型鋼增加了支護墻體的側向剛度,U型鋼板樁又可以用來止水、止泥,取代了SMW工法中的三軸攪拌樁[6]。同時,H型鋼較厚,地層適應性好,可采用大功率的振動錘施工。從功能上看,HUC組合鋼板樁不僅環保,又提高了施工速度,是該工程深基坑支護的最佳選擇。HUC組合鋼板樁鋼材強度為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15 m;U型鋼板樁寬1 600 mm,長度為12 m。在樁頂以下1 m處設置一道內支撐,確保安全,圍檁和支撐件材料都選擇為混凝土。為了使鋼板樁滿足承載力極限狀態要求,需對支護結構的截面承載力計算,具體內容包括整體穩定性驗算、嵌固深度構造驗算、抗傾覆穩定性驗算、抗隆起驗算、抗滲流穩定性驗算、抗滑移穩定性驗算,計算結果如表2所示。

表2 支護結構截面承載力計算結果

由承載力計算結果與規范要求對比可知,該基坑支護的安全系數均滿足施工安全要求。HUC組合鋼板樁結構剖面圖如圖1所示。HUC組合鋼板樁長度偏差不大于±10 mm,垂直度偏差不大于1/150,兩端標高差不大于20 mm,支撐水平軸線偏差不大于30 mm,施工樁底標高偏差不大于-30 mm。

3 HUC組合鋼板樁在深基坑支護中的應用

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型鋼板樁進行組合,以提高界面參數,節省基坑支護鋼材用量。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程中,變形初期鎖扣之間完全沒有接觸,單個的H型鋼樁和U型鋼板樁作為支護體系。兩者在受到水土壓力的作用時,由于剛度不同,H型鋼樁和U型鋼板樁的變形不一致,此時,鎖扣之間才會產生摩擦力。由于外側水土壓力的不斷增大,兩者的變形會進一步的變大,鎖扣之間摩擦力也不斷增大。當摩擦力增大到一定程度時,鎖扣之間被認為是固定在一起,此時,HUC組合鋼板樁被視為一個整體,中性軸處于組合鋼板樁的截面中心位置。

3.2 HUC組合鋼板樁施工設備

HUC組合鋼板樁施工設備包括履帶吊、導向架及高頻振動錘[7]。1)履帶吊,選用500 kN履帶吊,場地作業面能保證履帶吊8 m站機位置即可。2)導向架。導向架作為HUC組合板樁施工的核心設備,它是施工精度、支護垂直度的關鍵。導向架的重量不能過輕,一般高度為3 m～3.5 m。3)高頻振動錘[8]。高頻振動錘與履帶吊配合使用,在打樁時,將H型鋼及U型鋼板通過導向架插入土層;在拔樁時,將H型鋼及U型鋼板從土層內拔出。

3.3 HUC組合鋼板樁成樁

為保證施工質量,施工人員應嚴格按照相關要求進行施工。1)H型鋼樁施打。當H型鋼樁通過導向架時,切忌大幅度晃動,確保H型鋼樁的穩定性。首先,H型鋼樁依靠樁體自重下沉,待無法下沉后,依靠振動錘進行振動下沉,速度控制在2 m/min～3 m/min,同時,下沉過程要保證滑輪面與H型鋼樁接觸并不停轉動。2)U型鋼板樁施作。H型鋼樁一次施打4根～6根為一組,當一組H型鋼樁施工完成后,對U型鋼板樁的圓鋼進行切割斜角、潤滑等處理,然后進行U型鋼板樁的插入施工,待U型鋼板樁兩端對入鎖扣后,U型鋼板樁依靠樁體自重下沉。在此期間,應對吊機進行有效調整,保證U型鋼板樁能夠自由通過導向架入土。當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行沉樁,待無法下沉后,再利用沉樁機進行控制沉樁,同理,U型鋼板樁施作也是采取一組4根～6根的方式進行。3)轉角樁和封閉樁控制。在HUC組合鋼板樁施工中,轉角樁和封閉樁的施工非常關鍵。通常情況下,應提前預測鎖扣搭接情況,并做好轉角的角度計算,然后對轉角樁和封閉樁進行特殊定制。當一組HUC組合鋼板樁施工完畢后,進行下一組施工,依次類推,循環作業。

3.4 HUC組合鋼板樁拔樁

當基坑開挖、地下構建物施工、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HUC組合鋼板樁進行拔樁。當HUC組合鋼板樁拔除后,及時做好空隙回填工作。

4 基坑現場監測分析

為保障HUC組合鋼板樁支護基坑的安全穩定,根據基坑安全等級和設計文件要求,制定了基坑監測方案。在基坑施工過程中,監測點布置按照監測方案執行。從HUC組合鋼板樁支護完成后,即開始進行實施監測,整個監測過程歷經5個階段:階段1為支護施工完成、階段2為實施初步開挖、階段3為開挖至1 m深度并設置內支撐、階段4為開挖至3 m深度、階段5為開挖至設計深度。監測內容包括支護結構頂部位移、基坑四周地表水平位移、基坑四周地表沉降。由于該工程基坑長約為210 m,寬約為70 m,是典型的長邊矩形形式,會存在基坑的長邊效應,因此,選取基坑長邊跨中的監測點,作為典型監測數據進行分析。

4.1 支護結構頂部水平位移監測

按照監測方案進行監測,得出支護結構水平位移數據,選取基坑長邊跨中監測數據為分析對象,繪制每個階段的水平位移圖,如圖2所示。

對圖2進行分析得知,隨著基坑逐漸開挖,支護結構頂部水平位移不斷發展。階段1的支護結構頂部水平位移是由樁身自重、土體的初始應力、施工機械振動等因素引起的,最大位移集中在樁身頂部。階段2的支護結構頂部水平位移是由基坑開挖后,未設置內支撐,支護結構內側主動土壓力消失引起的,相當于懸臂狀態,支護結構沒有約束和支撐。階段3的支護結構頂部水平位移開始變小,主要是內支撐系統的成型,對支護結構起到了約束作用,最小位移位于樁身底部。階段4的支護結構頂部水平位移進一步加大,位置位于樁身頂部,但位移擴大速率明顯減緩,證明內支撐的作用抑制了支護結構的變形。階段5的支護結構頂部水平位移達到15.18 mm,位移發展明顯減緩。該項目基坑最大開挖深度達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測

按照監測方案進行監測,得出基坑四周地表水平位移數據,選取基坑長邊跨中監測數據為分析對象,繪制每個階段的基坑四周地表水平位移圖,如圖3所示。

對圖3進行分析得知,隨著基坑逐漸開挖,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結構頂部水平位移變化一致,最大地表水平位移出現在階段5,水平位移達到15.24 mm,符合要求。此外,基坑具有坑角效應,通常情況下,基坑角部的水平位移會較小。

4.3 基坑四周地表沉降監測

按照監測方案進行監測,得出基坑四周地表沉降數據,選取基坑長邊跨中監測數據為分析對象,繪制每個階段的基坑四周地表沉降圖,如圖4所示。

對圖4進行分析得知,隨著基坑逐漸開挖,基坑四周地表沉降呈現階段性變化。階段1對地表沉降基本沒有影響。從階段2開始,基坑四周地表發生較大的沉降。階段3與階段2類似,設置內支撐對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加大。階段5基坑四周地表沉降趨勢與階段4相同,沉降最大值出現在支護樁墻后3.5 m處,為7.28 mm。按照基坑規范要求,該工程基坑四周地表沉降深度紅線為12.3 mm,符合要求。

5 結論

HUC組合鋼板樁的剛度較大,適用于深基坑支護工程。以嘉興市南湖區某廣場工程項目為例,對HUC組合鋼板樁的應用進行了分析總結,得出以下結論:

1)對于周邊環境受限的深基坑場地,可以選用HUC組合鋼板樁方案,憑借其獨特的特點,保證深基坑支護施工的質量、進度、安全效益。2)HUC組合鋼板樁的受力與其自身的結構特點有關,主要是依靠鎖扣之間的摩擦力來實現。當鎖扣完全鎖死,摩擦力即達到了極限,此時,H型鋼樁和U型鋼板樁被視為一個整體,中性軸不再移動。3)從基坑開挖的5個階段,對現場監測數據進行了分析,得出支護結構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,均滿足基坑規范要求,支護效果良好。