基坑支護工程鋼板樁+鋼管支撐計算分析

謝 常

(廣東省海洋地質調查院,廣東 廣州 510080)

1 工程概況

湛江水上運動中心二期基坑支護工程位于湛江市交通部南海救助湛江基地西南側避風港內,屬高層建筑群中的附屬設施,為2層地下車庫。基坑東南面靠近文東路,現有堆場和廠房；東北面靠近交通部南海救助湛江基地,現有2層、3層的建筑物；北面臨近內海；西南面靠近觀海路。基坑邊線周長約1333.3m,設計基底標高-3.50m,塔樓區域基坑底面標高-4.50m,基坑開挖深度約為0～8.8m。基坑安全等級為二級。

2 工程、水文地質條件

2.1 工程地質條件

由于本基坑支護主要考慮基坑外側水土壓力,而勘察鉆孔主要為場地內部為主,為此結合現場情況和周邊環境條件對與基坑支護相關的地層分析討論。

(1)雜填土：主要成分為粘性土混雜建筑垃圾、工業垃圾、碎石塊等,屬新近堆填。層厚2.00～9.00m。

考慮有部分回填土體和塊石分布,本層土基坑設計參數取值建議值為：r=18.8kN/m3,c=10kPa,ψ=12°,τ=18kPa。

(2)淤泥：廣泛分布,灰褐色、灰黑色,飽和,流塑。土層厚度0.30～7.90m。

淤泥的標貫擊數為1～4擊,標準值的c=5.3kPa,ψ=3.5°為基坑支護的淤泥推薦值。故本層淤泥土的基坑設計參數取建議值為：r=16.8kN/m3,c=5.3kPa,ψ=3.5°,τ=10kPa。

(3)粗砂：稍密,級配較好,局部粘粒含量較高。土層厚度0.60～4.30m。

本層砂層標貫擊數為5～18擊,含粘粒(小于0.075mm)的平均含量達到20%,故可對C值進行取值為2kPa,但由于標貫擊數平均值為12擊,屬于稍密狀態,綜合考慮,本層砂土的基坑設計參數取值建議值為：r=19.0kN/m3,c=2.0kPa,ψ=22°,τ=45kPa。

(4)粗砂：廣泛分布,稍密為主,局部中密或松散狀,級配良好。土層厚度0.40～8.20m。

本層砂層標貫擊數為5～26擊,含粘粒(小于0.075mm)的平均含量達到20%,故對C值進行取值為2kPa,標貫擊數平均值為14擊,也屬于稍密狀態,綜合考慮,本層土基坑設計參數取值建議值為：r=19.0kN/m3,c=2.0kPa,ψ=25°,τ=45kPa。

(5)粘土：各鉆孔均揭示,很濕～濕,軟塑～可塑,具水平薄層理,層面夾粉細砂,局部交雜較多薄層中砂。層厚4.30～22.10m。

本層標貫擊數為2～14擊,標貫擊數平均值為6.7擊,按照統計的標準值考慮各設計參數。勘察報告對本層土的基坑設計參數取建議值為：r=17.5kN/m3,c=16.9kPa,ψ=11.5°,τ=20kPa。

2.2 水文地質條件

本工程位于麻斜海灣西側,麻斜海灣內潮流基本沿航道方向往復流動,屬不規則半日潮型,年平均高潮位高程3.2m；年平均低潮位高程-1.9m；十年一遇高潮位3.80m(1956年黃海基面,下同),五十年一遇高潮位4.53m；百年一遇高潮位高程4.84m；最高風暴潮位高程5.28m,最低潮位高程-2.29m,最大潮差5.13m,平均潮差2.14m,平均海面高程2.20m。

3 支護結構計算分析

3.1 支護機構穩定性分析計算

因該基坑支護類型在現有設計和施工規范中均沒有相同或類似的計算模型,因此針對該計算模型有如下分析。

(1)該支護形式與懸臂支護形式有類似的部分,基坑內側鋼管樁與鋼板樁之間因中空,不屬于嚴格意義上的雙排樁支護,故按照等效的懸臂結構進行計算分析。

(2)由于基坑內部原為泥塘,特別是西北角,原狀泥層厚4m。由此認為,鋼板樁和鋼管插入到基坑底面以下仍未形成可靠支點。按照基坑深度8m和本場地的基坑底面下的地層分布推算,基坑底面下7m處鋼板樁和鋼管仍不是固支狀態。

(3)基坑在水平方向上,等效為鋼板樁和鋼管的組合形式,采用抗彎剛度等效的方式進行等效。

(4)等效后的水平剛度,通過豎向剛度系數可實現與豎向的剛度建立聯系,采用基坑理正分析計算單元進行計算,將計算后的等效剛度作為鋼板樁支護結構計算參數進行計算。

3.2 基坑的空間三維數值模擬分析計算(開挖深度6.5m)

(1)巖土地層：對于基坑外的巖土地層性質考慮約三倍基坑開挖深度即基坑外水平方向26m寬度范圍；豎向深度巖土地層按照勘察鉆孔資料的分層厚度確定；對于基坑沿坑邊走向的邊線方向取多跨且長度不少于20m；這樣形成立體三維的空間實體計算模型；盡管巖土材料為非線性彈塑性材料,但考慮到土壓力最終通過支擋結構構件與建筑結構發生聯合作用,其允許的變形控制假定處在彈性限度范圍內,為此對土壓力的計算模型選用德魯克-普拉格(Drucker-Prager)模型。

(2)支護結構中的鋼板樁,采用平面板單元建立模型,其板的厚度根據豎向樁的剛度按照等效剛度轉換原則進行,即：換算厚度為h=0.17m。

(3)臨時支撐采用梁單元建立模型,采用I36c工字鋼,尺寸為：h=360mm,b=140mm,t=15.8mm。

(4)模型的計算分析為了盡量貼近實際,不采用靜力分析而采用施工階段分析,施工工況嚴格按照設計施工流程定義,包括基坑開挖、鋼管的施工、內支撐施工等。

(5)Midas-GTS三維大型分析軟件能夠較好的模擬包括塑性、非線性、粘塑性、粘彈性等在內的多種非線性材料,本次分析的計算模型采用德魯克-普拉格(Drucker-Prager)模型,該模型能夠較好的模擬包括巖石和土體在內的顆粒材料。

4 結論與建議

通過本文計算以及數值模擬,對施工參數進行優化,提出以下建議：①減少基坑開挖深度,可采用抬高地下室結構底板承臺底標高的做法,減少基坑深度,實現減少基坑位移尤其是安全穩定性的要求；

②整體加固基坑底部淤泥,基坑底部為淤泥,流動性大且不穩定,為此應采用拋石擠淤等方法對基坑底部進行置換加固處理,使基坑底部能夠形成剛度和強度較大的支點或支撐硬殼層,同時可增加鋼板樁和鋼管的豎向穩定性,增加豎向剛度和平面剛度；③控制基坑頂外周邊施工荷載的大小和范圍,周邊道路和堆場盡量硬化或鋪設鋼板,減少荷載對基坑的影響；④鋼板樁和豎向鋼管之間的水平聯系梁可增加,以增加豎向剛度影響系數,保證水平剛度的發揮,有利于控制位移。

該項目通過參考以上建議,對施工方案和主體方案重新進行調整,成功解決了該工程施工中遇到的技術難題,該工程得以順利完工。

[1]胡凱山.扣件式鋼管模板支撐架結構力學性能研究[D].浙江大學,2007．

[2]武亞軍.基坑工程中土與支護結構相互作用及邊坡穩定性的數值分析[D].大連理工大學,2003．