地下綜合管廊支護(hù)用鋼管樁抗彎剛度分析

魏振豹 王金鵬

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司 河北石家莊 050081）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，城市人口急劇增長(zhǎng)，各類地下管線也明顯增多。地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設(shè)電力、通信、給水、排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的公共隧道。圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑開挖與回填是管廊建設(shè)的主要內(nèi)容。鋼管樁連續(xù)墻成套技術(shù)是一種深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，具有施工速度快、施工環(huán)境安全可靠、環(huán)保、靈活、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有防水性能好、結(jié)構(gòu)整體性能好的優(yōu)點(diǎn)。

在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中，鋼管樁的抗彎剛度是一個(gè)重要參數(shù)，其直接關(guān)系到圍擋結(jié)構(gòu)的變形。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼管混凝土抗彎力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究工作，包括鋼管混凝土的承載能力和抗彎剛度的研究。Varma［1］等人對(duì)采用高強(qiáng)混凝土的方鋼管混凝土梁柱進(jìn)行了靜力和擬靜力試驗(yàn)研究；Elremaily［2］等人對(duì)圓鋼管混凝土梁柱進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明截面換算剛度K＝EcIc＋EsIs，可近似作為圓鋼管混凝土的剛度。在鋼管混凝土抗彎力學(xué)性能的試驗(yàn)研究方面，楊有福［3］、蔡紹懷［4］、潘友光［5］、盧輝［6］等人開展了一系列工作。此外，數(shù)值計(jì)算方面，李黎明［7］等對(duì)試驗(yàn)和數(shù)值分析曲線進(jìn)行擬合得到鋼管混凝土構(gòu)件彈性階段的抗彎剛度，并提出了簡(jiǎn)化計(jì)算式；陳蘭響［8］等利用有限元軟件對(duì)型鋼-圓鋼管混凝土的短柱軸壓、長(zhǎng)柱失穩(wěn)和構(gòu)件的抗彎力學(xué)性能進(jìn)行了研究；臧華［9］等推導(dǎo)了鋼管混凝土構(gòu)件在受彎極限狀態(tài)時(shí)的抗彎承載力計(jì)算式。在支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，微型鋼管樁構(gòu)件抗彎力學(xué)性能的研究較多，孫書偉等［10］認(rèn)為微型樁的抗彎承載性能須通過相應(yīng)的試驗(yàn)確定；王少杰等［11］指出微型鋼管樁需考慮樁體水泥砂漿對(duì)抗彎承載力的貢獻(xiàn)；吉伯海等［12］通過對(duì)圓鋼管輕集料混凝土構(gòu)件抗彎性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)填芯材料對(duì)提升構(gòu)件的抗彎能力效果顯著。

支護(hù)鋼管樁打入土體時(shí)，土體會(huì)擠入鋼管內(nèi)形成帶土塞的土體鋼管樁，其力學(xué)性能特別是抗彎剛度的研究目前鮮有報(bào)道，設(shè)計(jì)時(shí)僅基于鋼管的抗彎參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。隨著樁徑的增加，進(jìn)入鋼管內(nèi)的土體越多，加之其與普通鋼管混凝土構(gòu)件在尺寸上有較大的區(qū)別，且填芯材料的性質(zhì)也不完全一致，這種材質(zhì)上的區(qū)別及尺寸效應(yīng)的影響需要通過測(cè)試試驗(yàn)與理論計(jì)算相比較確定。所以有必要對(duì)剛管樁的抗彎受力變形特性展開研究，為合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。本文結(jié)合南京江北新區(qū)地下管廊項(xiàng)目，通過對(duì)直徑1 000 mm、壁厚10 mm管廊支護(hù)用鋼管樁的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)參照鋼管混凝土的計(jì)算方法開展分析，以獲得鋼管樁的抗彎剛度。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

江北新區(qū)核心區(qū)綜合管廊建設(shè)工程是全國(guó)城市建設(shè)區(qū)規(guī)模最大的綜合管廊之一，綜合管廊二期工程位于江北新區(qū)核心區(qū)及其周邊地區(qū)的18條路段，工程全長(zhǎng)53.41 km，含管廊干線和管廊支線，干線綜合管廊31.29 km，支線綜合管廊22.12 km。本次建設(shè)的管廊艙室分為單艙、雙艙和四艙。入廊管線為電力、通信、給水、中水、垃圾、污水、雨水、燃?xì)狻⒖照{(diào)熱氣管等。

擬建四艙綜合管廊斷面設(shè)計(jì)為11.8m×4.15m，單艙綜合管廊斷面設(shè)計(jì)為5.3 m×4.15 m。埋深約7.0 m，管廊底標(biāo)高0.3 m，覆土約3.0 m；下穿石佛大街段（倒虹段）綜合管廊埋深約9.5 m，管廊底標(biāo)高-2.55m，覆土約5.0m。擬采用明挖法施工，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100年，抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）。

2.2 工程地質(zhì)條件

擬建工程所在范圍地形特點(diǎn)可概括為“北部山體、中部丘陵、南部水網(wǎng)平原”的態(tài)勢(shì)。擬建管廊位于江北新區(qū)，屬長(zhǎng)江漫灘地貌單元，主要覆蓋第四紀(jì)松散沉積物。因城市道路建設(shè)改變了原來的地貌形態(tài)，場(chǎng)區(qū)現(xiàn)狀為城市道路，地勢(shì)較平坦，各孔口高程一般5.96～8.03 m，高差起伏約2.07 m。

根據(jù)勘探揭露，淺部主要覆蓋為較厚的第四紀(jì)松散沉積物（粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂）及中晚更新統(tǒng)沉積物（粉細(xì)砂、含礫中粗砂），底部基巖為浦口組泥質(zhì)砂巖。勘探深度范圍內(nèi)揭露的土層分布，按其成因、類型、物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的差異劃分為5個(gè)工程地質(zhì)層和若干個(gè)地質(zhì)亞層。

①-1雜填土：土質(zhì)不均勻，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度變化大，上部為雜填土，夾碎石、磚塊等建筑垃圾；下部為素填土，以黏性土為主，含植物根莖及有機(jī)質(zhì)，工程性質(zhì)差。

①-2素填土：松散，主要成分為軟可塑狀黏性土夾少量植物根莖。

②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：含少量的腐殖質(zhì)，淤臭味較重，夾粉土薄層，局部夾粉砂薄層，切面稍光滑，無搖震反應(yīng)，韌性、干強(qiáng)度中低，流塑，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不利。

②-3粉質(zhì)黏土夾粉土：見少量的腐殖質(zhì)，夾粉土、粉砂薄層，切面稍光滑，無搖震反應(yīng)，韌性、干強(qiáng)度中低，軟塑。

基坑影響深度范圍內(nèi)土層主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 地下水類型

場(chǎng)地內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，松散巖類孔隙水可分為孔隙潛水和微承壓水。其中，場(chǎng)區(qū)潛水含水巖性主要由①層填土組成，埋深淺，勘察期間量測(cè)的潛水水位埋深初見1.5 m、穩(wěn)定于1.3 m，歷史及近3～5年最高地下水位埋深0.50～1.50 m；場(chǎng)區(qū)微承壓水含水巖性主要由②-2c3粉土夾粉砂、②-3d2粉砂層組成，其沉積物多呈二元或多元結(jié)構(gòu)，夾粉質(zhì)黏土透鏡體或薄層，沉積物顆粒不均。勘察期間，測(cè)得微承壓水水位埋深為2.4～4.1 m。

孔隙潛水主要補(bǔ)給來源為大氣降水、地表水入滲、灌溉水回滲。因區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，地下水徑流比較滯緩，水力坡度僅在千分之幾至萬分之幾，排泄方式以自然蒸發(fā)、向長(zhǎng)江等地表水體排泄以及少量的人工開采為主。微承壓水主要補(bǔ)給來源為上部孔隙潛水下滲和長(zhǎng)江水的側(cè)向滲流，排泄方式以徑流及向長(zhǎng)江水體側(cè)向滲流為主。

2.4 基坑概況

根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告及地形圖中周邊道路標(biāo)高，取0.00為現(xiàn)狀地坪絕對(duì)標(biāo)高6.62 m，基坑開挖深度為9.50 m。本工程基坑形狀呈不規(guī)則長(zhǎng)條形溝槽。

擬采用鋼管樁連續(xù)墻圍護(hù)型式，鋼管樁連續(xù)墻的型號(hào)選用φ1000×10@1600，圍護(hù)樁有效長(zhǎng)度15.0 m。本工程設(shè)置兩道水平鋼支撐，支護(hù)剖面如圖1所示。

圖1 地下管廊支護(hù)剖面（單位：mm）

3 計(jì)算分析

為了分析支護(hù)用鋼管樁的抗彎剛度，從工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中挑選分布較好的3根鋼管樁在開挖結(jié)束后的水平位移測(cè)試數(shù)據(jù)，并與空心鋼管樁的水平位移計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，然后通過調(diào)節(jié)鋼管樁的抗彎剛度，以使其水平位移與實(shí)測(cè)值吻合，以確定鋼管樁抗彎剛度的增量。

依據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告，表2為選出的3根鋼管樁位置處的土層分布情況，為后期的計(jì)算做準(zhǔn)備。

表2 三根鋼管樁位置處土層分布

采用基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)所挑選的3根鋼管樁在開挖過程中的水平位移情況進(jìn)行計(jì)算，并與調(diào)整剛度后的計(jì)算值以及實(shí)測(cè)值繪制于圖2～圖4。由圖可知，3根鋼管樁水平位移的實(shí)測(cè)值均小于空心樁的計(jì)算值，表明鋼管樁內(nèi)的土塞對(duì)其抗彎剛度有貢獻(xiàn)。

圖2 1#鋼管樁位移對(duì)比曲線

圖3 2#鋼管樁位移對(duì)比曲線

圖4 3#鋼管樁位移對(duì)比曲線

為進(jìn)一步確定土塞對(duì)鋼管樁抗彎剛度的貢獻(xiàn)大小，可調(diào)節(jié)鋼管樁的抗彎剛度進(jìn)行分析。考慮到抗彎剛度EI由彈性模量和慣性矩相乘而得，為保證截面尺寸不變，可通過調(diào)節(jié)彈性模量來改變抗彎剛度，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 鋼管樁抗彎剛度增量分析

由表3可知，通過對(duì)空心鋼管樁調(diào)增3%～5%的抗彎剛度，可使得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值幾乎完全吻合，位移也相應(yīng)地減小，但位移的降幅與剛度的增幅不一致。其中的原因比較復(fù)雜，首先位移是應(yīng)變的積分，抗彎剛度只與應(yīng)變成反比，但與位移不成比例關(guān)系；其次是鋼管樁抗彎剛度的變化，會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)各部件的剛度比發(fā)生變化，進(jìn)而影響各構(gòu)件的內(nèi)力分布發(fā)生變化。

對(duì)于鋼管混凝土，其抗彎剛度計(jì)算式為：

式中，Es、Ec分別為鋼材及混凝土的彈性模量；Is、Ic分別為鋼材和混凝土的截面慣性矩；m為混凝土的貢獻(xiàn)程度系數(shù)（AISC360-10取0.8，AIJ（2002）取0.2，EC 4取0.6，DBJ13-51-2010取0.8）。

如果土體的彈性模量按60 MPa考慮，將剛管樁的參數(shù)代入式（1），可得土塞的抗彎剛度貢獻(xiàn)度在1%左右，但根據(jù)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的對(duì)比可反推得到土塞的抗彎剛度貢獻(xiàn)度達(dá)到3%～5%，可見鋼管樁在施工過程中，土體被擠入樁體后其物理力學(xué)參數(shù)將有所增加。

總體而言，鋼管樁內(nèi)的土塞對(duì)其抗彎剛度有一定的貢獻(xiàn)，但貢獻(xiàn)較小，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可按安全儲(chǔ)備考慮，所得結(jié)果可作為支護(hù)用鋼管樁設(shè)計(jì)時(shí)的參考。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)3根地下綜合管廊支護(hù)用鋼管樁的水平位移實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比分析，可得出如下結(jié)論：

（1）地下綜合管廊支護(hù)用鋼管樁內(nèi)土塞可以提高鋼管樁的抗彎剛度，較空心鋼管樁提高幅度為3%～5%，可作為設(shè)計(jì)時(shí)的安全儲(chǔ)備。

（2）將鋼管樁抗彎剛度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反推值與理論計(jì)算值相比，可知擠入樁內(nèi)的土體物理力學(xué)參數(shù)會(huì)有較大提高。