中厚板二期軋機基礎深基坑支護

曹淋琨

(三鋼冶金建設公司 福建三明 365000)

中厚板二期軋機基礎深基坑支護

曹淋琨

(三鋼冶金建設公司 福建三明 365000)

本文采用郎肯土壓力計算模型對型鋼樁橫檔板懸臂式基坑支護結構在粘性土和砂礫土層中計算，并簡單分析位移理論值與實測值之間誤差原因。

基礎；型鋼樁橫擋板；懸臂式；開挖；支護

E-mail:iamyezhi@163.com

1 工程概況

三鋼集團中厚板軋鋼工程二期軋機基礎位于中板生產線工藝流程中段，是影響中厚板產品質量的關鍵部位。該基礎長9m、寬8.6m，標高變化大，含-1.0、-1.4、-4.0多個標高層，預留設備孔洞、預埋件多，土建施工較為復雜。通過圖紙、規范學習結合施工施工現場施工工藝，對本人專業知識系統學習有很大幫助。

2 基礎支護選型

該廠房內生產線工藝流程為縱向發展方向，受廠房柱列及周邊建筑物、設備基礎等影響，且施工期間附近設備處于生產狀態，基礎無法放坡開挖。由于中板二期軋機基礎持力層設計位于砂礫土層上(詳見土層參數表，施工區域上層為黏土厚度4m下層為砂礫厚度6m)。根據規范定義該基礎屬于危險性較大的分部分項工程范疇，需考慮支護方案及安全應急措施。

為了確保施工的質量及施工安全，根據規范要求：開挖深度雖未超過5m，但地質條件、周圍環境和地下管線復雜，或影響毗鄰建筑(構筑)物安全的基坑(槽)的土方開挖、支護工程，需進行安全性驗算。施工時土方開挖的順序、方法必須與設計要求相一致，并遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖，嚴禁超挖”的原則。基坑邊界周圍地面應設排水溝，對坡頂、坡面、坡腳采取降排水措施。

結合該基礎標高變化大、地下水位低、土質、周邊原有建構筑物及施工周期、施工成本等影響因素，采用型鋼樁橫擋板支撐結構。施工前考慮到基礎開挖較深，且地下水位較高，為了避免降水造成局部引測點沉降導致最后設備標高錯位無法對接，需將軋機軸線做多點定位，引測點距離基坑10m。同時在四周建構筑物上設沉降觀測點4個，施工期間每天早晚各觀測一次，便于及時發現問題避免因基礎施工對周邊建構筑物產生影響導致影響生產、同時考慮到設備可能對支護結構產生不利因素 ，需對型鋼支護樁進行垂直度觀測。

圖1 型鋼樁橫擋板支護結構俯視圖

3 型鋼樁橫擋板支撐模型計算

型鋼樁橫擋板支撐屬于懸臂式圍護結構，其結構特征為：無支撐的懸臂圍護結構；受力特征為：利用支撐入土的嵌固作用及結構的自身的抗彎剛度擋土及控制變形。

對于無支撐的懸臂圍護結構，其壓力分布為主動土壓力，是三角形分布；被動土壓力也是三角形分布。其驗算內容有：①嵌固深度(防傾覆)。②結構強度。

當確定懸臂式及單支點支護結構嵌固深度設計值(構造要求)hd小于0.3h時，宜取hd=0.3h[1]。

h：基坑開挖深度；

表1 基本參數

表2 土層參數

(一級基坑支護結構基地位移一般不大于30mm或0.25%基坑深度，本次驗算取15mm。根據經驗對于粉粘土層當懸臂式支護結構最大位移達30mm時可能出現土體裂縫，超過40mm則往往裂縫明顯，給人不安全感，也可能造成地表水滲入裂縫影響土體穩定)。

土層參數：

荷載參數：查找歷史資料，將周邊設備基礎荷載轉換為條形局部荷載3.5Kpa，據支護邊緣a=2m，分布寬度b=2m。

參數說明：

qn:地面荷載傳遞到第n層土底面的垂直荷載。

γi:第i層土的重度。hi:第i層土的厚度。

Ψn:第n層土內摩擦角。Cn:第n層土內聚力。

υ：懸臂樁嵌固末端水平位移

圖2 土壓力分布示意圖

圖3 附加荷載示意圖

3.1 主動土壓力計算

1)主動土壓力系數

Ka1=tan2(45-ψ/2)= tan2(45-18/2)=0.528；

Ka2= tan2(45-ψ/2)=0.528；

Ka3= tan2(45-ψ/2)= tan2(45-35/2)=0.271；

2)土壓力、地下水產生的水平荷載

第1層土：0-0m (H1荷載影響深度；h基坑開挖深度)；

H1'=[∑γ0h0+∑q1]/γsati=[0+2]/20=0.10m

Pak1上=γsat1H1'Ka1-2c1Ka10.5=20×0.10×0.528-2×10×0.5280.5= -13.48kN/m2

Pak1下=γsat1(h1+H1')Ka1-2c1Ka10.5=20×(0+0.10)×0.528-2×10× 0.5280.5= -13.48kN/m2

第2層土：0-4m ； (基坑開挖深度)

H2'=[∑γ1h1+∑q1]/γsati=[0+0]/20=0m

Pak2上=γsat2H2'Ka2-2c2Ka20.5=20×0×0.528-2×10×0.5280.5= -14.53kN/m2

Pak2下=γsat2(h2+H2')Ka2-2c2Ka20.5=20×(4+0)×0.528-2×10× 0.5280.5=27.71kN/m2

第3層土：4-8m ；(坑底到樁尖高度，及懸臂樁埋深)

H3'=[∑γ2h2+∑q1+∑qb/(b+2a)]/γsati=[40+0+1.167]/22=1.87m

Pak3上=γsat3H3'Ka3-2c3Ka30.5=22×1.87×0.271-2×10×0.2710.5=-5.5kN/m2

Pak3下=γsat3(h3+H3')Ka3-2c3Ka30.5=22×(4+1.87)×0.271-2X10X0.2710.5=18.34KN/m2

3)水平荷載 :

臨界深度：Z0=Pak2下Xh2/(Pak2上+ Pak2下)=27.71×4/(27.71+14.53)=2.62m；(模型應力為零處深度)

第1層土 Eak1=0kN；

第2層土

Eak2=0.5Pak2下Z0ba=0.5×27.71×2.62×0.5=18.15kN；

(荷載等效計算)

aa2=Z0/3+∑h3=2.62/3+4=4.87m；

第3層土

Z3=Pa3下×h3/(Pa3上+Pa3下)=3.08

Eak3=0.5Pak3下Z3ba=0.5×18.34×3.08×0.5=14.12kN；

aa3= Z3/3 =1.03m；

土壓力合力：

Eak=ΣEaki=0+18.15+14.12=32.27kN；

合力作用點：aa=Σ(aaiEaki)/Eak=(0×0+18.15×4.87+14.12×1.03)/32.27=3.19m；

3.2 被動土壓力計算

1)被動土壓力系數

Kp1= tan2(45+ψ/2)= tan2(45+35/2)=3.69；

Kp2= tan2(45+ψ/2)= 3.69；

2)土壓力、地下水產生的水平荷載

第1層土：4-4m

H1'=[∑γ0h0]/γsati=[0]/22=0m

Ppk1上=γsat1H1'Kp1+2c1Kp10.5=22×0×3.69+2×16×3.690.5=61.47kN/m2

Ppk下=γsat1(h1+H1')Kp1+2c1Kp10.5=22×(0+0)×3.69+2×16× 3.690.5=61.47kN/m2

第2層土：4-8m

H2'=[∑γ1h1]/γsati=[0]/22=0m

Ppk2上=γsat2H2'Kp2+2c2Kp20.5=22×0×3.69+2×16×3.690.5=61.47kN/m2;

Ppk2下=γsat2(h2+H2')Kp2+2c2Kp20.5=22×(4+0)×3.69+2×16×3.690.5=386.19kN/m2

3)水平荷載

第1層土

Epk1=bah1(Pp1上+Pp1下)/2=0kN；

ap1=h1(2Pp1上+Pp1下)/(3Pp1上+3Pp1下)+∑h2=0=4m；

第2層土

Epk2=bah2(Pp2上+Pp2下)/2=447.66kN；

ap2=h2(2Pp2上+Pp2下)/(3Pp2上+3Pp2下)=1.42m；

土壓力合力：

Epk=ΣEpki=447.66kN；

合力作用點： ap=Σ(apiEpki)/Epk=1.42m；

3.3 基坑內側土反力計算

1)主動土壓力系數

Ka1=tan2(45-ψ/2)= tan2(45-35/2)=0.271；

Ka2=tan2(45-ψ/2)= 0.271；

2)土壓力、地下水產生的水平荷載

第1層土：4-4m

H1'=[∑γ0h0]/γsati=[0]/22=0m

Psk1上=(0.2ψ12-ψ1+c1)∑h0(1-∑h0/ld)υ/υb+γsat1H1'Ka1[3]= 0kN/m2

Psk1下=(0.2ψ12-ψ1+c1)∑h0(1-∑h0/ld)υ/υb+γsat1H1'Ka1=0kN/m2

第2層土：4-8m

H2'=[∑γ1h1]/γsati=[0]/22=0m

Psk2上=0kN/m2；

Psk2下=(0.2ψ22-ψ2+c2)∑h1(1-∑h1/ld)υ/υb+γsat2H2'Ka2=(0.2×352-35+16) ×4×(1-4/4)×0.015/0.015+22×(0+4)×0.271=23.85kN/m2

3)水平荷載

第1層土

Psk1=b0h1(Ps1上+Ps1下)/2=0kN；

as1=h1(2Ps1上+Ps1下)/(3Ps1上+3Ps1下)+∑h2=4m；

第2層土

Psk2=b0h2(Ps2上+Ps2下)/2=23.85kN；

as2=h2(2Ps2上+Ps2下)/(3Ps2上+3Ps2下)= 1.33m；

土壓力合力：

Ppk=ΣPpki=23.85kN；

合力作用點：

as= Σ(asiPski)/Ppk=1.33m；

Psk=23.85kN≤Ep=447.66kN

土體側向承載滿足要求。

4 穩定性驗算

4.1 嵌固穩定性驗算：(被動土矩/主動土矩)

Epkapl/(Eakaal)=447.66X1.42/(32.27X3.19)=6.18>Ke=1.2 滿足要求！

5 型鋼支護樁應力驗算

圖4 單根型鋼樁受力等效圖

I25a δmax=M/W=(18.15×4.87+14.12×1.03-23.85×1.33)×106/(1.05×402×103)=168.71<210N/mm2

τmax=2V/A=2×(18.15+14.12-23.85) ×1000/4850=3.42<125N/mm2滿足要求

6 實測數據與計算值對比

經實測采用該方案型鋼樁末端位移20.5mm，其中嵌固端最大位移13.1mm，懸臂部分最大位移7.4mm在安全經濟范圍內。將懸臂部分等效成懸臂梁三角形荷載模型及附圖四土體等效荷載作用點進行計算，末端位移理論值約為f=ql4/8EI×(l1/l)=7.7mm[4](l1為懸臂端長度，l為等效土壓力與嵌固端距離)，嵌固端最大位移理論值15mm。出現位移量比理論值小的主要原因是：朗肯土壓力理論是從研究半無限大土體中一點的極限平衡狀態出發，應用莫爾應力圓，推導出了極限應力的理論。為了滿足土體的極限平衡條件，朗肯理論假定：墻是剛性、墻背垂直光滑、墻后填土表面水平。 由于朗肯理論忽略了實際墻背并非光滑并存在摩擦力的事實，使計算所得的主動土壓力偏大，而計算所得的被動土壓力偏小，因此朗肯理論也是偏安全的理論。

7 施工要點

因該技改項目在已建成廠房中進行，為節約成本同時方便施工，最后選用履帶式液壓打樁機進行型鋼樁打樁施工。優勢有三：①體積小，可由中板成品庫大門駛入施工區域，無需鋪設施工通道。②可由挖掘機改裝，成本相對低，設備充足。③施工噪音小、震動小、不影響周邊生產線正常工作。該設備由廣州市九環工程機械有限公司改造。采用30t級別挖掘機原型改裝，震動錘主要由五大部分組成：附臂總成、旋轉連接總成、旋轉連接吊架總成、箱體總成、夾具總成。其核心部分為震動液壓錘，取自挖掘機液壓系統液壓通過專利技術安裝變頻液壓管路。該設備輸出能量大，工作速度快，同時采用液壓監控裝置，保護挖掘機主油泵。通過偏心塊及主速液壓電機產生正弦波壯垂直振動，再通過箱體底部夾具傳遞給受力型鋼樁從而實現打樁或拔樁。施工范圍為16m以內型鋼樁。通過使用該設備，打樁工作在6個小時內完成，樁身垂直度在規范要求范圍內，極大的提高了施工效率。

因型鋼樁成品長度為6m，本工程在施工過程中需接樁。考慮到受壓構件長細比，為避免施工中樁身彎曲在施工過程中接樁較科學，且需控制打樁速度。待先打入的6m型鋼樁打入5m左右后，對型鋼末端斜切割，并用打樁機夾具固定接長端后滿焊拼接。

為了節約施工成本，增加型鋼的使用周期可以在型鋼應力較小處腹板開孔，待基礎施工后便于使用打樁機夾具將型鋼拔出。

在生產線附近進行技改升級的基坑開挖，應做好基坑支護，應受設備荷載影響大且施工過程中存在一定不確定因素，不可盲目憑經驗施工，基坑支護方案設計時要留有一定安全余地。施工進度安排應合理、緊湊，避免基坑開挖后長時間放置，土體暴露期間若遇到大雨或劇烈震動易造成土體內聚力和摩擦角降低，支護結構主動土壓力增大，被動土壓力減小，造成安全隱患。根據地勘資料，選擇合理的支護方案對工程造價有較大影響。施工過程需加強關鍵部位監測，確保施工安全。

依據郎肯土壓力理論對型鋼樁橫檔板懸臂式基坑支護結構進行驗算，通過理論結合實際，本工程在不影響周邊建構筑物及中板生產線安全生產情況下保證了施工質量和進度并取得較好的經濟效益。

[1]JGJ120-2012,建筑基坑支護技術規程[S].

[2]江正榮，建筑施工計算手冊[M].北京：中國建筑工業出版社.2013.

[3]謝建明，施工現場設施安全設計計算手冊[M].北京：中國建筑工業出版社.2007.

[4]黃強，深基坑支護結構實用內里計算手冊 [M].北京：中國建筑工業出版社.1995.

曹淋琨(1986.3- )，女，助理工程師，主要從事建筑工程施工方面的工作。

Middle thickness steel plate second phase rolling mill shoe foundation pit bolster

CAOLinkun

(Shangang metallurgy construct corporation, Sanming 365000)

Rankine's W.J.M. RankineW.J.M. Rankinesoil pressure calculate model and the calculate of cantalever merchant steel foundation pit bolster W.J.M. Rankine and sketchy ankyse the different parameter of theory and reality.

Foundation; Merchant steel foundation pit bolster; Cantilever; Excavate; Bolster

曹淋琨(1986.3- )，女，助理工程師。

2015-07-23

TU

A

1004-6135(2015)10-0064-04