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        市政工程基坑中的鋼板樁應(yīng)用

        2023-04-04 09:40:24李玉才
        大科技 2023年13期
        關(guān)鍵詞:剪力標(biāo)高彎矩

        李玉才

        (湖北地礦建設(shè)勘察有限公司,湖北武漢 430050)

        0 引言

        鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的建筑、市政、港口、鐵路等領(lǐng)域都有悠久的使用歷史。鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)屬板式支護(hù)結(jié)構(gòu)之一,適用于場地等條件受限的地下工程施工,基坑或基槽無法采用放坡開挖、必須進(jìn)行垂直土方開挖時采用。鋼板樁是一種帶鎖口或鉗口的熱軋(或冷彎)型鋼,靠鎖口或鉗口相互連接咬合,形成連續(xù)的鋼板樁墻,用來擋士和擋水(在防水要求不高的工程中,自身防水基本滿足);具有高強(qiáng)、輕型、施工快捷、環(huán)保、美觀、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)[1]。

        1 工程概況

        沙塘安置小區(qū)周邊配套道路工程建設(shè)地點(diǎn)位于湖北省鄂州市新廟鎮(zhèn)。本次工程范圍為學(xué)府路及球團(tuán)西路的雨水管、污水管基坑工程。擬建學(xué)府路(文塘路-球團(tuán)西路)起點(diǎn)樁號為K0+040,終點(diǎn)樁號為K0+950,道路紅線寬度為30m,屬城市次干路。擬建球團(tuán)西路(鄂東大道—吳楚大道)起點(diǎn)樁號為K0+035,終點(diǎn)樁號為K1+760.635,道路紅線寬度為30m,屬城市次干路。雨水管徑為0.8~1.8m,污水管徑0.5m。基坑支護(hù)用地范圍不得超出擬建道路紅線寬度。支護(hù)長度1126m,基底開挖寬度為3m,基坑挖深為5.0~8.0m。

        2 工程水文地質(zhì)

        場地沿線地貌單元主要為剝蝕堆積壟崗及長江沖洪積二級階地,局部地段見剝蝕殘丘。勘察期間,場地主要為農(nóng)田、水塘、溝渠、菜地、村莊、林地及道路等。場地地段地勢有起伏較大,現(xiàn)狀地面標(biāo)高在19.73~28.40m。

        擬建場地巖土層自上而下主要由6 個單元層組成:第(1)單元層為人工填土層(Qml)、素填土混淤泥層(Qml);第(2)單元層為第四系全新統(tǒng)沖積形成的一般黏性土層(Q4al);第(3)單元層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積老黏性土、粉質(zhì)黏土夾粉土、黏質(zhì)粉細(xì)砂層(Q3al+pl);第(4)單元層為花崗巖殘積土和紅黏土層(Qel);第(5)單元層為燕山期侵入的花崗巖(η);第(6)單元層為石炭系(C)灰?guī)r層及溶洞。

        擬建工程沿線地表水體較發(fā)育,局部地段分布有魚塘、藕塘和溝渠等,地表水主要來源于地表散水和大氣降水的補(bǔ)給,以蒸發(fā)和下滲為主要排泄方式,同時與其鄰側(cè)填土層中的地下水之間存在一定的互補(bǔ)關(guān)系。本場區(qū)地下水按賦存條件,可分為上層滯水、層間潛水、孔隙承壓水、基巖裂隙水。

        3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

        3.1 基坑重要性等級

        根據(jù)基坑挖深、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境(無重要特殊保護(hù)對象,大部分場地較寬松,判斷周邊環(huán)境為一般)參照湖北省《基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/T 159—2012)標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮基坑工程重要性等級為二級。

        3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

        根據(jù)地勘報(bào)告及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)影響深度范圍地層分布情況,統(tǒng)計(jì)相關(guān)地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

        表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

        3.3 周邊荷載參數(shù)

        基坑周邊施工荷載按30kPa 計(jì)入穩(wěn)定性計(jì)算,且施工荷載距基坑開口線距離不得小于3m,施工荷載不得超過設(shè)計(jì)值。

        3.4 計(jì)算程序計(jì)算方法

        本基坑計(jì)算和輔助設(shè)計(jì)軟件采用“天漢”軟件(V2015)。采用朗肯土壓力理論,按水土壓力合算,被動土壓力折減系數(shù)取1.0,臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)為0.95[2]。

        3.5 基本設(shè)計(jì)思路

        管道基坑開挖深度5.0~8.0m,大部分場地具備放坡條件,由于管道基坑施工工期短,隨挖隨填,從施工成本、施工可行性及安全因素考慮,優(yōu)先選用放坡開挖的形式。局部挖深7.0~8.0 區(qū)段為擬建橋梁,避免擾動擬建橋墩周邊地層,選用鋼板樁+內(nèi)支撐+樁頂放坡的支護(hù)形式。本文主要介紹鋼板樁支護(hù)段的種植基坑支護(hù)設(shè)計(jì)。

        3.6 支護(hù)方案

        (1)拉森鋼板樁:采用長12m 新Ⅳ型拉森鋼板樁小鎖口打入。

        (2)鋼支撐及圍檁:選用?478×12 焊接鋼管,縱向間距3.0m,雙拼型鋼HW300×300×10×15 圍檁,圍檁與鋼板樁間空隙采用C30 細(xì)石混凝土填實(shí)。

        (3)樁頂平臺寬1.0m,樁頂坡高2.0m,坡率1∶1。坡面掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土護(hù)坡,噴射混凝土強(qiáng)度等級C20,厚80mm,二次噴射?,F(xiàn)場拌制,配比為水泥:砂:石子:速凝劑=1∶2∶2∶0.03。選用?6.5@250×250 鋼筋網(wǎng),土釘為1m 長HRB400?16 鋼筋,與土釘連接部位,設(shè)雙向HRB400?16 加強(qiáng)筋,與土釘焊接。

        3.7 支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息

        樁頂標(biāo)高:-2.000m(24.3m),樁頂埋深:2m。

        入土樁長:11.0m,樁排水平間距:1m。

        鋼板樁型號:拉森鋼板樁FSP-Ⅳ型,壁厚為15.5mm,單片樁截面寬400mm,高度170mm,單片樁截面面積96.99cm2,慣性矩4670cm4,截面模量362cm3。

        樁身計(jì)算截面幾何類型:矩形;計(jì)算面截參數(shù):寬×厚=1000mm×340mm。

        樁身每延米截面面積:0.02425m2;每延米截面慣性矩:0.000386m4;每延米截面模量0.002270m3。

        鋼材質(zhì):Q235,彈性模量:200GPa。

        圍檁:雙拼HW300×300×10×15 型、對x 軸截面凈截面模量Wnx=2657.70cm3、鋼材質(zhì):Q235。

        支撐:?478×12 焊接鋼管,對x 軸截面凈截面模量Wnx=2270cm3、鋼材質(zhì):Q235。

        4 支護(hù)結(jié)果計(jì)算

        4.1 天漢計(jì)算結(jié)果

        工程名稱:沙塘安置小區(qū)周邊配套道路工程管道基坑。

        計(jì)算單元名稱:學(xué)府路污水管K0+457—K0+530

        計(jì)算單元說明:基坑重要性等級:2,臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù):0.95,采用總應(yīng)力法(水土合算),被動區(qū)無加固。

        引用鉆孔名:QLK6,孔頂絕對標(biāo)高:26.69m,結(jié)構(gòu)±0.00=26.3m,采用整平標(biāo)高作為計(jì)算地面標(biāo)高,計(jì)算地面相對標(biāo)高=26.3m,結(jié)構(gòu)±0.00 與計(jì)算地面的相對高差:0m,最大開挖深度=8m,共4 工況。

        結(jié)構(gòu)信息:樁排結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)樁長:11m 方形截面,樁排截面高(垂直邊坡方向):340mm,樁排截面寬(平行邊坡方向):1000mm,嵌入坑底深度:5m,小于彈性嵌固特征深度:6.8m。

        計(jì)算結(jié)果:最大位移:14.4mm,最大位移發(fā)生在相對標(biāo)高=-7.10m(地面以下7.10)m,最大位移發(fā)生在工況:4/最大正向彎矩:27kN·m,最大正向彎矩發(fā)生在相對標(biāo)高=-11.05m(地面以下11.05)m,最大負(fù)向彎矩:-144kN.m,最大負(fù)向彎矩發(fā)生在相對標(biāo)高=-6.70m(地面以下6.70)m。

        計(jì)算結(jié)果:最大正向剪力:69kN,最大正向剪力發(fā)生在相對標(biāo)高=-8.79m(地面以下8.79)m,最大負(fù)向剪力:-51kN/最大負(fù)向剪力發(fā)生在相對標(biāo)高=-4.61m(地面以下4.61)m,最小被動區(qū)彈性抗力安全系數(shù)=1.76,發(fā)生在工況4,滿足相關(guān)規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。

        圖1 計(jì)算結(jié)果

        4.2 型鋼圍檁截面強(qiáng)度驗(yàn)算

        學(xué)府路K0+457—K0+530 段污水管雙拼HW300型鋼圍檁支撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值最大值Nk=50kN、支撐間距s=3.0m、支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)0.95、恒載分項(xiàng)系數(shù)1.35、對x 軸截面塑性發(fā)展系數(shù)γx=1.05、對x 軸截面凈截面模量Wnx=2657.70cm3、圍檁型號:雙拼HW300×300×10×15 型、鋼材質(zhì):Q235。

        支撐軸力設(shè)計(jì)值N=1.35ψtNk·s=1.35×0.95×50×3.0=192.375kN。

        圍檁均布荷載q=N/s=192.375/3.0=64.125kN/m。

        端部彎矩設(shè)計(jì)值W =qs2/12 =64.125 ×32/12 =48.10kN·m。

        強(qiáng) 度 驗(yàn) 算σ=M/(γx×Wnx)=1000×48.10/(1.05×2657.70)=17.25MPa<215MPa,滿足強(qiáng)度要求。

        4.3 鋼板樁截面強(qiáng)度驗(yàn)算

        學(xué)府路K0+457—K0+530 段污水管最大正彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Wk=27kN·m、最大正剪力標(biāo)準(zhǔn)值Vk=69kN;最大負(fù)彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Wk=-144kN·m、最大負(fù)剪力標(biāo)準(zhǔn)值Vk=-51kN;支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)0.95、恒載分項(xiàng)系數(shù)1.35、對x軸截面塑性發(fā)展系數(shù)γx=1.05、對x 軸截面凈截面模量Wnx=2270cm3、鋼材質(zhì):Q235。

        最大正彎矩設(shè)計(jì)值W=27×1.35×0.95=34.65kN.m。

        最大正剪力設(shè)計(jì)值V=69×1.35×0.95=88.50kN。

        最大負(fù)彎矩設(shè)計(jì)值W=-144×1.35×0.95=-184.68kN·m。

        最大負(fù)剪力設(shè)計(jì)值V=-51×1.35×0.95=-65.50kN。

        根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)第6.1.1[3],鋼板樁截面受力狀態(tài)為單向受彎,最大抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式簡化為:

        抗剪強(qiáng)度滿足要求。

        鋼板樁抗彎抗剪強(qiáng)度均滿足要求。

        4.4 支撐強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算

        支撐強(qiáng)度主要為抗壓強(qiáng)度,由軸力及彎矩(自重及施工荷載引起彎矩,安裝偏心彎矩)兩部分組成。穩(wěn)定性驗(yàn)算分為平面內(nèi)及平面外兩種。限于篇幅,省略計(jì)算過程。經(jīng)計(jì)算本支撐強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足要求。

        5 需重視的施工技術(shù)要求

        本項(xiàng)目施工主要涉及測量放線、鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐、土方開挖及回填、土釘掛網(wǎng)噴混凝土等施工內(nèi)容。本文強(qiáng)調(diào)以下兩個內(nèi)容。

        5.1 鋼板樁引孔及成樁

        (1)鋼板樁樁端進(jìn)入硬塑狀黏性土,應(yīng)采用旋挖機(jī)(長螺旋鉆樁機(jī)、攪拌樁機(jī))等機(jī)械引孔[4]。

        (2)宜進(jìn)行試成樁試驗(yàn)。鋼板樁樁體不應(yīng)彎曲,鎖口不應(yīng)有缺損和變形。

        5.2 開挖和回填施工

        應(yīng)符合下列規(guī)定:①基坑土方開挖的順序應(yīng)與設(shè)計(jì)工況相一致,嚴(yán)禁超挖;基坑開挖應(yīng)分層進(jìn)行;基坑開挖不得損壞支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程樁等。②基坑周邊施工材料、設(shè)施或車輛荷載嚴(yán)禁超過設(shè)計(jì)要求的地面荷載限值。③基坑開挖至坑底標(biāo)高時,應(yīng)及時進(jìn)行坑底封閉,并采取防止水浸、暴露和擾動基底原狀土的措施。④基坑回填應(yīng)排除積水,清除虛土和建筑垃坡,填土應(yīng)按設(shè)計(jì)要求選料,分層填筑壓實(shí),對稱進(jìn)行,且壓實(shí)系數(shù)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求[5]。

        6 結(jié)語

        市政工程管道基坑的施工場地受很多因素限制。全工段大放坡無施工可行性。灌注樁(有時組合內(nèi)支撐)的支護(hù)類型費(fèi)用高、支模澆筑(養(yǎng)護(hù)及拆除)的較長工期要求。鋼板樁結(jié)合內(nèi)支撐與樁頂放坡具有施工安全高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、循環(huán)利用的優(yōu)勢,對保證工期、節(jié)省工程造價及統(tǒng)籌工程推進(jìn)有較大參考價值,類似工程可以結(jié)合實(shí)際采取適合的鋼板樁組合類型。

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