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        型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)設(shè)計與施工創(chuàng)新

        2020-12-21 03:58:22吳剛莊寧洪佳杰
        關(guān)鍵詞:支護(hù)設(shè)計

        吳剛 莊寧 洪佳杰

        摘? ?要: 隨著地下空間被大量開發(fā)和利用,坑中坑的穩(wěn)定性與安全性越來越成為基坑設(shè)計中的關(guān)鍵問題。以杭州運河中央公園工程為例,結(jié)合淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘性土特點,將朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論相結(jié)合,得到粘性土的等效內(nèi)摩擦角,進(jìn)而推演出型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)長度L及板樁配筋面積。將設(shè)計的支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于施工實踐,表明支護(hù)方案安全性高,現(xiàn)場施工方便,經(jīng)濟(jì)合理,支護(hù)性能滿足GB 50068-2018等國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

        關(guān)鍵詞: 型鋼與板樁組合;坑中坑;支護(hù)設(shè)計;等效內(nèi)摩擦角;粘性土

        中圖分類號:TV551.4+2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? 文章編號:2095-8412 (2020) 05-101-05

        工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.019

        引言

        近年來,隨著地下空間被大量開發(fā)和利用,大型深基坑的施工成本、安全性、可靠性的綜合控制成為施工單位考量的重點和難點。大量的工程實踐表明,基坑內(nèi)部再多挖3~5 m產(chǎn)生的局部坑中坑(用于放置電梯井、集水井、設(shè)備基礎(chǔ)等)對整個基坑的影響不容忽視。尤其是在我國沿海沿江地區(qū),淤泥質(zhì)粘性土或淤泥等較多,土質(zhì)很差,或坑中坑距離基坑邊、工程樁較近,在不允許采用放坡的情況下,基坑中的坑中坑支護(hù)難度較大。

        傳統(tǒng)坑中坑的支護(hù)方法主要有鉆孔灌注排樁、復(fù)合土釘墻、重力式擋墻(水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁)等[1-5],這些傳統(tǒng)圍護(hù)方式的施工工藝復(fù)雜,周期較長,挖填土方量多,勞動力投入大,受天氣因素干擾大,且增加了基坑開挖過程中的時空效應(yīng),對基坑的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。浙江新盛建設(shè)集團(tuán)有限公司(以下簡稱“我公司”)在杭州運河中央公園工程中創(chuàng)新地提出了一種型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)設(shè)計與施工方法,有效地解決了上述問題。

        本文以杭州運河中央公園工程(以下簡稱“本工程”)為例,首先簡要介紹工程概況和支護(hù)方法;其次將朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論相結(jié)合,對計算深度、最大彎矩、配筋面積等指標(biāo)進(jìn)行測算;最后將測算結(jié)果應(yīng)用于施工實踐,并開展討論。

        1? 工程概況

        本工程位于杭州市拱墅區(qū)運河公園西南角,南臨喜塘河,西南側(cè)為美食街,東側(cè)為高層居住區(qū),西北角為拱墅區(qū)圖書館和體育中心??偨ㄖ娣e69 871m2,其中地上建筑面積 19 349 m2,地下建筑面積50 522 m2。本工程相對標(biāo)高±0.00相對于黃海高程5.5 m,場地自然地面平均相對標(biāo)高-2.8 m,基坑開挖深度9.7 m。

        本工程集水井、電梯井等形成的坑中坑共44個,坑中坑的坑底高差一般在2.2~2.5 m左右,其中38個坑中坑采用放坡開挖,其余6個坑中坑位于基坑西北段。由于該區(qū)第二層土層為淤泥質(zhì)粘性土層或淤泥層,土質(zhì)很差,故需考慮坑中坑支護(hù)。

        坑中坑各土層的物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

        2? 型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)方法

        我公司經(jīng)多年對坑中坑圍護(hù)的實踐研究,開發(fā)出一種型鋼混凝土復(fù)合板樁坑中坑圍護(hù)施工技術(shù)。該技術(shù)在基坑底部的坑中坑位置四周各施作導(dǎo)溝,在導(dǎo)溝內(nèi)施作自制預(yù)制板樁與自制組合型鋼,板樁與導(dǎo)溝之間通過自行研制的定位支架固定[6-7]。轉(zhuǎn)角處采用H型鋼與C型鋼焊接而成的轉(zhuǎn)角組合型鋼連接,用現(xiàn)場挖機(jī)將預(yù)制板樁與型鋼壓入圍護(hù)土中,將各根板樁通過型鋼連接成為一道整體性較好的板墻。型鋼與板樁組合式支護(hù)平面、立面示意圖分別如圖1a、圖1b所示。

        3? 坑中坑支護(hù)長度的取值

        在坑中坑支護(hù)設(shè)計中,朗肯土壓力理論不考慮土體與墻壁間的摩擦力,庫倫土壓力理論只能用于計算非粘性土。粘性土中的粘聚力對土壓力影響明顯,不少學(xué)者采用朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論結(jié)合的形式,提出粘性土的等效內(nèi)摩擦角[8],對粘性土的土壓力進(jìn)行簡化。計算公式為

        其中,h為坑中坑深度,為土的內(nèi)摩擦角,c為土的粘聚力,ρ為板后土的密度,為等效內(nèi)摩擦角。

        本工程坑中坑深度h為2.5 m,土體容重為18.5 kN/m2,地面荷載為24.8 kN/m2,等效內(nèi)摩擦角取33.3°。采用型鋼與板樁組合無錨式板樁支護(hù)結(jié)構(gòu),由于型鋼的剛度比混凝土板樁大,按最不利因素考慮,設(shè)計該板樁樁長及最大彎矩,如圖2所示的布魯姆理論受力示意圖。

        4? 軟土地區(qū)坑中坑支護(hù)設(shè)計最大彎矩及配筋面積計算

        板樁最大彎矩的作用點,即是結(jié)構(gòu)端面剪力為零的點。如圖2所示,當(dāng)剪力為零的點在坑中坑底面以下深度為b時,即滿足,那么

        根據(jù)支護(hù)板樁與H型鋼的剛度進(jìn)行彎矩設(shè)計分配,板樁的Ec=3×104 MPa,板樁的Ic=bh3/12 =9 366 cm4,H型鋼的Eh=2.06×104 MPa,H型鋼的Ih=bh3/12=5 799 cm4,支護(hù)板樁的設(shè)計最大彎矩為

        為滿足可靠度的要求,在實際設(shè)計中計算板樁內(nèi)力時,將荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載分項系數(shù)。根據(jù)最新國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50068-2018[10]中第8.2項條文規(guī)定,建筑結(jié)構(gòu)的作用分項系數(shù),應(yīng)采用其中的表8.2.9。因此板樁最大彎矩設(shè)計值為

        先假設(shè)受力鋼筋按一排布置,其中混凝土強(qiáng)度等級為C30,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fc=14.3 N/mm,fy=360 N/mm。

        其中,ξb為相對界限受壓區(qū)高度,Es為鋼筋的彈性模量,為受壓區(qū)邊緣混凝土的應(yīng)變,為高度系數(shù)。

        其中,為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);為板樁最大彎矩設(shè)計值;為系數(shù),根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010-2002 的6.2.6條的規(guī)定計算;b為板樁擋土面寬度;h0為板樁截面有效高度,取88 mm。

        5? 施工應(yīng)用

        綜合第3章和第4章的測算,將支護(hù)板樁的鋼筋配置為910mm。板樁及型鋼設(shè)計圖如圖3所示,板樁現(xiàn)場施工示意圖如圖4所示,型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)示意圖如圖5所示。

        6? 討論與結(jié)論

        (1)杭州運河中央公園工程部分坑中坑土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,土質(zhì)較差,并且部分坑中坑距離工程樁較近,在不允許采用放坡的情況下,傳統(tǒng)基坑中的坑中坑支護(hù)方案難度較大。因此,本工程的坑中坑支護(hù)采用創(chuàng)新的設(shè)計與施工方法,將板樁與板樁之間采用型鋼連接,坑中坑支護(hù)轉(zhuǎn)角處采用H型鋼與C型鋼焊連接,并通過現(xiàn)場挖機(jī)配合施工,充分考慮現(xiàn)場施工條件、施工機(jī)具、結(jié)構(gòu)安全等因素。實踐證明本支護(hù)方案安全性高、現(xiàn)場施工方便、經(jīng)濟(jì)合理。

        (2)本文以朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論結(jié)合的形式,采用粘性土的等效內(nèi)摩擦角對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計算。考慮了墻后均載和水位的影響,避免等效內(nèi)摩擦角取值過大時設(shè)計的板樁的長度L與彎矩M偏小,避免板樁處于不安全狀態(tài),同時避免經(jīng)濟(jì)上的浪費。

        (3)本工程設(shè)計初期進(jìn)行了大膽簡化計算。首先根據(jù)板樁插入土體的受力平衡計算插入深度L,求出最大彎矩Mmax;再將板樁與型鋼的共同體按各自材料剛度進(jìn)行彎矩分配,通過計算板樁的最大彎矩Mc max,設(shè)計板樁配筋面積As,從而完成坑中坑擋土支護(hù)設(shè)計。

        實踐證明,本工程現(xiàn)場檢查變形量滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求,坑中坑支護(hù)自身穩(wěn)定較好,板樁沒有出現(xiàn)裂縫,坑中坑支護(hù)底部沒有出現(xiàn)涌土現(xiàn)象。

        基金項目

        浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學(xué)技術(shù)項目“預(yù)制混凝土構(gòu)件在臨時施工設(shè)施中的應(yīng)用與研究”(2018K135)

        參考文獻(xiàn)

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        作者簡介:

        吳剛(1988—),通信作者,男,四川巴中人,碩士,工程師,從事建筑工程施工技術(shù)及技術(shù)研發(fā)工作。

        E-mail: wugangone@163.com

        (收稿日期:2020-07-21)

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