姚莊大橋基礎施工深基坑方案比選

鄧 剛

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

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姚莊大橋基礎施工深基坑方案比選

鄧 剛

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

摘要：深基坑的開挖支護受水文、地質條件以及周邊環境的影響。以姚莊大橋橋墩基礎的基坑支護為研究內容，結合工程地質特點等因素擬定排樁支護、鋼板樁圍護、放坡開挖等方案進行比選；并結合有限元數值模擬分析，對基坑開挖過程中基坑支護結構的受力和變形進行分析和驗算。綜合考慮工程的施工難度、經濟、安全、工期等因素，最終選擇了放坡開挖方案。

關鍵詞：深基坑；支護結構；數值分析；方案比選

基礎施工是建筑施工的重要組成部分，為確保施工安全，必須對開挖的建筑基坑采取支護措施。深基坑支護工程是一個綜合難度較大的工程，方案選取的優劣直接影響到基坑工程的安全性﹑經濟性﹑施工進度等。由于深基坑支護工程是一個綜合性的巖土工程問題，既與土力學中典型的強度、穩定與變形問題有關，又涉及到水、土與支護結構的共同作用。針對具體的工程，如何找出具有可操作性的方案，來保證基坑的穩定性和土體變形的要求，又能使綜合造價最低，是一個值得研究的問題。

1 工程背景

1.1 工程概述

姚莊大橋為跨越規劃中的引江濟巢工程而設，橋址DK7+815處為規劃III級航道中線，設計為(60+100+60) m懸灌梁。姚莊大橋起訖里程為DK8+697.645～DK9+178.02，橋長480.375 m,其中連續梁主墩1#墩和2#墩為深基坑施工。1#墩原地面標高29.888 m，承臺底標高11.038 m，基坑深18.86 m；2#墩原地面標高30.45 m，承臺底標高9.598 m，基坑深15.9 m。墩身均采用變截面的實體墩，斷面為長圓形，從墩頂到墩底進行放坡，承臺采用倒圓角的矩形承臺，每個承臺下設鉆孔灌注樁。

1.2 地質資料

根據地質報告，1#橋墩基坑所在地的地質條件:第1層為粘土，硬塑，承載力為200 kPa，厚度為19.7 m，土的重度γ=18 kN/m3，粘聚力c=10 kPa，內摩擦角φ=30°；第2層為全風化砂巖，承載力為200 kPa，厚度為2.6 m；第3層為強風化砂巖，承載力為400 kPa，厚度為3.8 m。2#橋墩基坑所在地的地質條件：第1層為粘土，硬塑，厚度為13 m，承載力為200 kPa，土的重度γ=18 kN/m3，粘聚力c=10 kPa，內摩擦角φ=30°；第2層為全風化砂巖，厚度為3 m，承載力為200 kPa；第3層為強風化砂巖，厚度為8 m，承載力為400 kPa。地下水在此不予考慮。

根據姚莊大橋的工程背景，結合基坑設計支護原則，本工程橋墩基礎的基坑支護擬采用排樁支護、鋼板樁圍護、放坡開挖等方案。由于1#墩和2#墩的地質條件相似，這里僅以1#墩的方案設計及結構分析為例進行基坑支護方案比選。

2排樁支護方案

2.1 排樁支護方案的設計和支護形式

根據圖紙等相關資料，基坑中承臺的尺寸為17 m×17 m。考慮100 cm的立模空間，實際基坑開挖尺寸為19 m×19 m的正方形區域，基坑周邊采用?1.25 m、間距為1.5 m的鋼筋混凝土灌注樁進行圍護，內支撐采用4層雙排H型鋼(Q345，HN700×300×13/24)做圍檁，內角支撐采用粗鋼管(Q345，?63 cm，壁厚12 mm)，共對稱設計了4道角支撐。基坑防護樁和內支撐布置如圖1、圖2所示。

1#墩的基坑開挖深度為18.86 m，嵌固深度為12 m，在防護樁施工完成后，在鋼筋混凝土樁頂澆筑厚度0.5 m、寬度1 m的冠梁，以增加防護樁的整體性，然后再進行基坑開挖作業。邊開挖邊加圍檁和內撐，設置支撐體系需要超挖50 cm，以保證施工空間和安裝牛腿，1#墩的開挖加撐分9個工況進行，基坑斷面及開挖工況如圖3所示。

圖1　基坑防護樁布置平面圖(單位：cm)

圖2 內支撐平面圖(單位：cm)

2.2 排樁支護結構分析

1#墩采用長度為30.86 m的防護樁進行支護，驗算防護樁的嵌入深度、防護樁的強度以及圍檁和內支撐的受力。

圖3 基坑斷面及開挖工況示意圖(單位：m)

2.2.1 防護樁的嵌固深度驗算

足夠的支護結構的嵌固深度既是基坑底抗隆起穩定性的需要，也是保證支護結構具有足夠抗傾覆穩定性的需要，本工程按圓弧滑動簡單條分法計算防護樁嵌固深度設計值。

(1)

式中：hd為防護樁嵌固深度設計值；α為圓弧滑動簡單條分法嵌固系數，α=1.1；γ0為建筑基坑側壁重要性系數，本工程為二級工程，γ0=1；h0為防護樁嵌固深度計算值，按《建筑基坑支護技術規程》圓弧滑動簡單條分法計算嵌固深度得到h0=10.50 m。代入數據有hd=1.1×1×10.50 m=11.55 m。

防護樁嵌固深度采用值h=12.00 m>hd=11.55 m，滿足安全性要求。

2.2.2 防護樁的強度驗算

將基坑開挖過程中每一工況的防護樁內力圖匯總，得到防護樁整體內力包絡圖如圖4所示。

圖4 防護樁內力包絡圖

防護樁強度可以通過樁所能承受的彎矩與開挖過程中防護樁所受的最大彎矩來驗算。如圖4所示樁的最大彎矩為1 529.59 kN·m，考慮的荷載安全分項系數為1.2，采用1 529.59 kN·m×1.2=1 835.5 kN·m進行配筋設計。經過計算，該防護樁的配筋為22根HRB335?25 mm鋼筋。

(2)

(3)

(4)

式中：Mu為所能承受的彎矩；A為構件截面面積，A=πr2；As為受拉縱向鋼筋的面積，As=10 794 mm2；r 為圓形截面的半徑，r=625 mm；rs為受拉鋼筋的形心半徑，rs=578 mm；α為對應于受壓區混凝土截面面積的圓周心角(rad)與2π的比值；αt為縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值(αt=1.25-2α)；fc為混凝土抗壓強度設計值，fc=14.3 MPa；fy為鋼筋的強度設計值，fy=300 MPa。

通過試算得：α=0.250 9,αt=0.748 2，Mu=1 676 kN·m>Mmax=1 529.59 kN·m ,滿足強度要求。

2.2.3 圍檁和內支撐的強度驗算

鋼板樁圍堰采用4層內支撐，每層內支撐布置形式一致，內支撐主要由圍檁和角支撐組成，其布置原則是合理受力，利于施工。其布置圖如圖2所示，圍檁由雙拼H型鋼組成，最大跨度為6.4 m，其主要承受支撐處鋼板樁傳遞的土壓力，即沿圍檁外側連續分布的鋼板樁支反力。根據開挖過程中防護樁的計算，圍檁的受力按照支反力進行設計。本方案實際上有4道圍檁支撐，因方案采用的4道圍檁都采用同樣的結構，只對受最大支反力的圍檁進行結構分析。由圖4可知，最大支反力為2 007.01 kN，則圍檁所受均布荷載為q=2 007.01 kN/6.3 m=319 kN/m。采用有限元midas Civil建模分析,得到圍檁和角支撐的應力分析如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，圍檁的最大正應力：σ=149.6 MPa< [σ] = 245 MPa;內撐的最大正應力：σ=196 MPa<[σ] = 245 MPa。

綜上所述，1#墩基坑開挖排樁支護結構受力滿足安全要求。

3鋼板樁圍護方案

3.1 鋼板樁圍護的方案設計和支護形式

圖5 圍檁應力圖(單位：MPa)

圖6 角支撐應力圖(單位：MPa)

1#墩基坑圍護結構采用15 m長Ⅳ型拉森鋼板樁(Q235)對基坑進行防護，圍護結構內尺寸大于設計結構尺寸不小于1 m，鋼板樁(Q235)圍護樁打入地下并露出地面不小于0.2 m，然后開挖基坑。1#墩順橋向距基坑中心線22 m放坡開挖，坡率1∶1，放坡開挖5 m至標高24.9 m后，坡腳設第1層拉森鋼板樁防護，深度15 m。樁基施工完成后，留出2 m作為平臺，繼續以1∶1的坡率放坡開挖3.28 m至標高21.62 m位置后留出平臺，再進行承臺拉森鋼板樁圍護施工。1#墩順橋向基坑開挖及支撐側面圖如圖7所示。

圖7 1#墩順橋向基坑開挖及支撐側面圖 (單位：cm)

鋼板樁型號采用Ⅳ型拉森鋼板樁。鋼板樁圍檁、內角支撐采用I45b工字鋼(Q235)，內十字撐采用?630 mm鋼管(Q235)，壁厚10 mm。圍護結構上層和中層采用雙層圍檁，下層采用3層圍檁，工字鋼內角支撐位置分別連接在承臺長邊1/4和短邊1/3處，鋼管內十字支撐設在承臺長邊角撐旁和短邊中心。內支撐對稱設置，開挖至圍檁及內支撐安裝位置時及時施作圍檁及內支撐，隨開挖深度逐層施工。1#墩鋼板樁圍堰布置和內支撐設置如圖7、圖8所示。

圖8 1#墩鋼板樁圍堰內支撐平面圖(單位：cm)

3.2 鋼板樁圍堰結構分析

1#墩采用15 m長拉森Ⅳ鋼板樁進行圍護，驗算鋼板樁內支撐的間距、鋼板樁的入土深度、鋼板樁強度以及圍檁和內支撐的受力[1]。

3.2.1 內支撐間距驗算

根據手冊要求，多撐式鋼板樁內支撐布置需滿足下式：

(5)

(6)

式中：h為內支撐最大布置間距；f為鋼板樁的抗彎強度設計值，參照《鋼結構設計原理》[2]，f =160 MPa；γ為鋼板樁墻后土的重度，γ=18 kN/m3；Ka為主動土壓力系數，Ka=tan2(45°-φ/2)=0.33,φ為摩擦角；W為所取鋼板樁每延米板面的截面模量，W=2 037 cm3。

代入上述數據，計算得到內支撐最大布置間距為6.9 m，大于此次布置的最大間距3.5 m，因此內支撐布置間距符合要求。

3.2.2 鋼板樁入土深度驗算

(1)計算作用于鋼板樁上的土壓力強度，并繪出土壓力分布圖，計算土壓力強度時，應考慮板樁墻與土的摩擦作用，將板樁墻后被動土壓力乘以修正系數，參照《建筑施工計算手冊》[3]，這里取修正系數為1.80，計算模型如圖9所示。

圖9 鋼板樁受力模型圖

(2)計算板樁墻上土壓力強度等于零的點離基坑底的距離x，在f點鋼板樁墻前的被動土壓力等于墻后的主動土壓力，其計算模型如圖10所示。

圖10 鋼板樁計算模型圖

主動土壓力：

(7)

被動土壓力：

(8)

式中：Kp=tan2(45°+φ/2)=3，Ka=tan2(45°-φ/2)=0.33。

f點處主動土壓力為：Pa=18 kN/m3×(10.6 m+x)×0.33-2×10 kN/m2×0.577。

f點處被動土壓力為：Pp=18 kN/m3×3x+2×10 kN/ m2×1.732。

根據關系式Pa=1.80Pp，為簡化計算(偏于安全)，計算時不考慮粘聚力c的影響，即18 kN/m3×(10 m+x)×0.33 = 1.8×18 kN/m3×3x，計算得到x= 0.7 m。

(3)利用邁達斯建模分析鋼板樁在土壓力的作用下鋼板樁af的最大彎矩Mmax和支反力Ra，Rb，Rc，Rd，Rf。

經計算鋼板樁af的最大彎矩Mmax為34.9 kN·m，f點處支反力Rf為25.7 kN。

(4)計算鋼板樁的最小入土深度，根據f點處支反力和墻前凈被動土壓力對e點的力矩相等，則有：

為簡化計算(偏于安全)，計算時不考慮粘聚力的影響，代入數據解得y=1.3 m。鋼板樁最小入土深度為t0= x+y= 0.7 m+1.3 m= 2 m，而鋼板樁的實際埋深應在e點之下，參照《建筑施工計算手冊》[3]，所需實際鋼板樁的入土深度為:t =1.2t0，即t =2.4 m，如圖7所示，鋼板樁實際入土深度為4.2 m，滿足安全性要求。

3.2.3 鋼板樁強度驗算

計算可知鋼板樁的最大彎矩Mmax為34.9 kN·m，拉森Ⅳ鋼板樁每延米截面模量W為2 037 cm3，最大彎矩下鋼板樁內力為σ=Mmax/W=17.1 MPa，小于容許應力170 MPa，滿足強度要求。

3.2.4 圍檁受力驗算

鋼板樁圍堰采用3層內支撐，每層內支撐布置形式一致，內支撐主要由圍檁、橫撐和角支撐組成，其布置原則是合理受力，利于施工。其布置圖如圖8所示，首先驗算圍檁的受力。

圍檁由雙拼或三拼I45b工字鋼焊接組成，其中第1、第2道圍檁采用雙拼，第3道圍檁采用三拼。圍檁最大跨度為l=5.034 m，其主要承受支撐處鋼板樁傳遞的土壓力，即沿圍檁外側連續分布的鋼板樁支反力。計算時可將其簡化為一個承受均布力的連續梁，只需驗算承受最大支反力的圍檁即可。

最大彎矩M=(1/8)Rmaxl2=441 kN·m，三拼I45b工字鋼，其截面模量W為4 500 cm3，應力為σ=Mmax/W=98 MPa，小于容許應力170 MPa，滿足強度要求。

3.2.5 內支撐受力驗算

綜上所述，1#墩基坑開挖鋼板樁結構受力滿足安全要求。

4放坡開挖方案

4.1 1#墩的順橋向邊坡方案

基坑放坡共設四階：一級邊坡坡比1∶1.75，坡高2.86 m，平臺寬度2.0 m；二級邊坡坡比1∶1.75，垂直邊坡高度5.0 m，平臺寬度為2.0 m；三級邊坡坡比1∶1.5，垂直邊坡高度5.0 m，平臺寬度2 m；四級邊坡坡比1∶1.5，垂直邊坡高度5.0 m，預留基坑工作寬度2 m。基坑放坡開挖剖面圖見圖11所示。

圖11 1#墩深基坑順橋向開挖斷面圖(單位：cm)

4.2 1#墩的橫橋向邊坡方案

基坑放坡共設四階：一級邊坡坡比1∶1.75，坡高4.36 m，平臺寬度2.0 m；二級邊坡坡比1∶1.75，垂直邊坡高度5.0 m，平臺寬度為2.0 m；三級邊坡坡比1∶1.5，垂直邊坡高度5.0 m，平臺寬度2 m；四級邊坡坡比1∶1.5，垂直邊坡高度5.0 m，預留基坑工作寬度2 m。基坑放坡開挖剖面見圖12所示。

4.3 放坡開挖基坑邊坡穩定性驗算

根據粘性土坡穩定性計算公式：

(9)

式中：Hc為邊坡的臨界高度，即邊坡的穩定高度；φs為穩定系數，根據《土力學》[4]，查表取100(φs根據坡度角和內摩擦角取得，本基坑坡度角為27°，土的內摩擦角取20°)；c為粘聚力，取5 kPa；γ為土的重度，取18 kN/m3。將各取值代入穩定性能計算公式得：Hc=27.78 m>H=18.862 m，滿足要求。

根據計算機軟件分析可知基坑邊坡開挖四面邊坡穩定安全系數均大于1.3，滿足《建筑邊坡工程技術規范》[5]邊坡穩定性要求。

綜上所述，1#墩基坑放坡開挖邊坡受力滿足安全要求。

圖12 1#墩深基坑橫橋向開挖斷面圖(單位：cm)

5 結束語

經過結構分析，三種方案支護結構的受力和變形均滿足要求。排樁支護中，鉆孔灌注樁的施工工序多，而且灌注混凝土后，必須達到一定強度才能起到支護作用，從而施工進度慢，且造價高。在鋼板樁施工中，受工程地質的影響，鋼板樁的打入難度大，開挖深度大，且拉森鋼板樁的費用高。根據現場工程地質及水文條件，放坡開挖不僅施工難度小，經濟投資低，而且在設計中采用多級放坡安全性大，還可以在平臺堆放適當的建筑材料，有利于縮短施工工期。綜合工程的技術可靠性、造價、工期、對環境的影響、施工難度等因素，最終本工程選擇放坡開挖。

參考文獻

[1]馮煥富,豐思明,張蘭柱.鋼板樁圍堰支護研究[J].鐵道標準設計,1999(2):17-18

[2]張耀春,周緒紅.鋼結構設計原理[M].北京：高等教育出版社，2011

[3]江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2013:108-109

[4]李廣信,張丙印,于玉貞.土力學[M].北京：清華大學出版社，2013

[5]建設部標準定額研究所.GB50330—2013 建筑邊坡工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013

收稿日期：2016-04-21

作者簡介：鄧剛(1984—)，男，工程師，主要從事橋梁施工與監控方面的技術工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.014

中圖分類號：U443.13

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)04-0052-06

On the Comparison and Choice of Different Construction Schemes for Deep Foundation Pits for the Yao Village Bridge

Deng Gang

(18th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Tianjin 300222,China )

Abstract:The excavation support for deep foundation pits may be influenced by hydrological and geological conditions,and its environmental conditions.With the support for the foundation pit of the pier of the Yao Village Bridge as the object of our research, and with the geological characteristics of the project taken into account,made in the paper are several construction schemes,namely,the pile row retaining,maintaining with steel sheet piles and the slope excavation.Then,the various construction schemes are compared and analyzed,upon the basis of which the stress and deformation of the support system,in the course of the excavation for the foundation pit, are analyzed and examined in combination with the finite element numerical analyses.After a comprehensive consideration of the difficulty in the construction, economy,safety,construction duration and other factors of the project,the slope excavation scheme is finally chosen for the project.

Key words:deep foundation pit;supporting structure;numerical analysis;scheme comparison