楊 陽

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

由于濕陷性黃土具有結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育等工程特點，在濕陷性黃土地區(qū)深基坑開挖過程中需要進行安全的支護，以保證建設(shè)工程的安全性[1-4]。鋼板樁支護是一種典型的基坑支護結(jié)構(gòu)，近年來，很多專家學(xué)者針對鋼板樁支護進行了理論和應(yīng)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(shè)計計算和施工應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)。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(yōu)點在基坑支護中進行了廣泛應(yīng)用，但在濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)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(qū)某深基坑為例，在基坑施工作業(yè)區(qū)域狹小等不利因素下，進行了鋼板樁支護的應(yīng)用研究，闡明了鋼板樁在濕陷性黃土地區(qū)深基坑支護中的可行性，為濕陷性黃土地區(qū)深基坑鋼板樁支護增加了寶貴的經(jīng)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(cè)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(jù)本次勘察鉆孔揭露結(jié)果，勘探深度范圍內(nèi)，自上而下去除車行道路面結(jié)構(gòu)層外主要由新近堆積的填土、馬蘭黃土和離石黃土構(gòu)成，具體土層參數(shù)見表1?？睖y深度55m范圍內(nèi)無地下水。

表1 土層參數(shù)

2 鋼板樁支護設(shè)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(guān)設(shè)計參數(shù)

2.1.1 鋼板樁參數(shù)：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(nèi)支撐參數(shù)：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(nèi)支撐。

2.2 鋼板樁布設(shè)

該基坑設(shè)計總深11m，按二級基坑進行設(shè)計計算，基坑周邊荷載按照地面超載20kPa考慮，鋼板樁布設(shè)形式見圖1。鋼板樁采用24m長的SP-IV型森鋼板樁加4道內(nèi)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(nèi)支撐分別在每邊距端部1.5m處加設(shè)，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(yīng)該分段分層連續(xù)施工，開挖至板樁頂標(biāo)高以下1.5m時，進行第1道支撐施工，開挖至板樁頂標(biāo)高以下3.5m時，進行第2道支撐施工，開挖至板樁頂標(biāo)高以下6m時，進行第3道支撐施工，開挖至板樁頂標(biāo)高以下8.5m時，進行第4道支撐施工。

圖1 鋼板樁布設(shè)形式

2.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

本文分別采用彈性法土壓力法和經(jīng)典法土壓力法進行結(jié)構(gòu)內(nèi)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(cè)土體簡化成水平向的彈性支撐，將主動側(cè)的土壓力施加到樁墻之上。利用有限元分析方法或數(shù)值計算方法，求得到其內(nèi)力及位移。經(jīng)典土壓力法中具有代表性的是等值梁法，將內(nèi)撐和錨桿處假定為不動鉸支座。計算出樁兩側(cè)的土壓力及其分布后，按靜力平衡法計算支護構(gòu)件各點的內(nèi)力。計算中彎矩折減系數(shù)取0.85，剪力折減系數(shù)取1.00，荷載分項系數(shù)取1.25，得到了開挖完成后結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖

由圖2可知：采用彈性法土壓力模型計算得到基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為114.37kN·m，基坑外側(cè)最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值66.52kN·m，最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值為82.02kN，鋼板樁最大位移為13.89mm，內(nèi)支撐最大支反力標(biāo)準(zhǔn)值為120.52kN。采用經(jīng)典法土壓力模型計算得到基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為61.38kN·m，基坑外側(cè)最大彎矩78.20kN·m，最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值為82.16kN，鋼板樁最大位移為0mm，內(nèi)支撐最大支反力標(biāo)準(zhǔn)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(tài)，鋼板樁向基坑方向的位移，必然導(dǎo)致鋼板樁后土體中應(yīng)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(xiàn)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(zhì)、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(shù)曲線和拋物線[14]。本文地表沉降具體計算結(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)內(nèi)力分別采用彈性土壓力法和經(jīng)典土壓力法計算，得到基坑最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為114.37kN·m。通過計算可得：基坑最大彎矩設(shè)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(yīng)力215MPa，鋼板樁計算抗彎應(yīng)力為53.532MPa小于允許抗彎應(yīng)力，故鋼板樁截面滿足規(guī)范要求。

2.6 整體穩(wěn)定性計算

基坑支護進行整體穩(wěn)定性驗算的目的就是要防止基坑支護結(jié)構(gòu)與周圍土體整體滑動失穩(wěn)破壞，常用的整體穩(wěn)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(chǎn)生的誤差一般會使求出的安全系數(shù)偏低10%—20%[14]。

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

2.7 內(nèi)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(nèi)支撐，邊撐邊挖法施工，可保證鋼板樁位移得到有效控制。內(nèi)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(nèi)支撐設(shè)計荷載。內(nèi)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(nèi)力計算結(jié)果分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖4 內(nèi)支撐模型圖

圖5 內(nèi)支撐變形圖

圖6 內(nèi)支撐彎矩圖

圖7 內(nèi)支撐組合應(yīng)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(yīng)力為126.7MPa<[170]MPa，斜撐DN180mm×12mm最大組合應(yīng)力為42.8MPa<[170]MPa，故內(nèi)支撐受力均滿足要求[15]。

3 結(jié)論

濕陷性黃土地區(qū)深基坑施工受制約因素多，風(fēng)險性也高。以往濕陷性黃土地區(qū)深基坑施工中鋼板樁支護的應(yīng)用較少。本次工程通過實踐證明了對于此類環(huán)境要求較高、施工作業(yè)區(qū)域狹小的基坑工程，在探明地質(zhì)條件的前提下，應(yīng)用鋼板樁進行支護可以滿足濕陷性黃土地區(qū)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(qū)深基坑支護中的應(yīng)用和推廣提供一定的借鑒和參考。