深基坑開挖過程中鋼圍堰-土相互作用機理研究

毛學墻

(中鐵十五局集團有限公司,上海 200070)

0 引言

建筑基礎所處地質條件和周圍環境的不同,決定了基坑開挖圍護結構的形式多種多樣,如放坡開挖、土釘墻、拉森鋼板樁、混凝土內支撐、重力式水泥土擋墻和地下連續墻等。對于深度較大、地下水位較高的基坑,鋼板樁圍堰支護結構是一種更為便捷、經濟和安全的支護方式[1-2]。但鋼圍堰支護結構力學特性受開挖過程中土壓力變化的影響,合理開挖和支護才能保證深基坑穩定。因此,研究開挖過程中鋼圍堰與土體相互作用機理具有重要意義。

鋼板樁圍堰技術廣泛應用于深基坑開挖支護中。張建民等[3]依托實際工程對深水基坑鋼圍堰穩定性進行了驗算,保證基坑開挖和支護過程安全。對于河岸存在傾斜裸露巖床處基坑施工,王新榮[4]提出采用水中爆破傾斜巖石,然后再圍堰后樁的施工方法,此方法對同類工程施工具有一定的借鑒意義。對于重黏土特殊地層,鋼板樁面臨不易插打巨大問題,陳士忠[5]針對此特殊地層圍堰鋼板樁插打方法進行了研究,研究表明,首先通過螺旋鉆機引孔鉆至鋼板樁樁底上3.00m處,再插打鋼板樁可加快鋼板樁圍堰支護施工。對于細卵石與粉砂巖互層地層,鋼板樁插打困難,李光均[6]針對此特殊地層圍堰鋼板樁插打方法進行了研究,研究表明,首先通過旋挖鉆引孔置換特殊土層為黏土,再插打鋼板樁入黏土可加快鋼板樁圍堰支護施工。曹雪山等[7]通過研究深基坑支護鋼支撐軸力變化規律,提出對鋼支撐預加軸力方法,可有效改善鋼支撐和地下連續墻受力變形。對于室外開挖的深基坑工程,高低溫會引起基坑內支撐溫度變形,進而引起基坑滑塌事故,金亞兵等[8]提出彈性抗力法考慮溫度變形對內支撐的影響,并研發了相應的智能預警平臺。基坑開挖會對支護和邊坡穩定產生影響,居玥辰等[9]利用最小勢能建立了基坑開挖下支護結構水平變形模型,并與實際基坑開挖工程監測數據進行對比驗證模型的正確性。隨著高層建筑的施工,基坑深度規模越來越大,竇錦鐘等[10]研究表明,在深基坑支護過程中減小斜撐間距可有效限制基坑變形,增加基坑開挖的穩定性。

1 深基坑鋼板樁圍堰支護系統

1.1 工程與地質概況

1)工程概況 本項目為高層建筑,地處城市區域。采用筏板基礎,基坑開挖尺寸為36.00m×22.00m,基坑深度為5.20m,如圖1所示。

圖1 基坑開挖尺寸示意

2)地質概況 地質詳勘表明,深基坑處地層從上到下依次為雜填土、黃土、粉細砂、中粗砂、粉質黏土、細砂土層,根據巖土施工工程分級基坑開挖地層屬于Ⅱ級普通土。深基坑處各地層物理力學參數如表1所示。

表1 深基坑處地質情況

1.2 鋼板樁圍堰支護設計

本項目為深基坑開挖工程,地處市區中心,為了保證施工時對附近建筑的保護及防止地下水對工程施工造成影響,基坑的施工及支護選擇尤為重要。根據本工程場地地質情況特點,采用鋼板樁圍堰支護結構。鋼板樁能有效穩固基坑邊坡,還能隔絕地下水滲入,保證深基坑開挖安全。本基坑支護采用的鋼板樁為拉森鋼板樁,其斷面形狀和截面尺寸參數如圖2和表2所示。

表2 鋼板樁截面尺寸參數

圖2 鋼板樁截面

本深基坑圍堰支護布置如圖3所示,鋼板樁沿基坑四周連續布設形成封閉的帷幕,根據規范要求,鋼板樁入土深度≥1/3樁長。則拉森鋼板樁最小尺寸為5.20÷(1-1/3) = 7.80m。本基坑工程選擇長度為9.00m的FSP-Ⅳ鋼板樁,滿足要求。因此,本基坑深度h= 5.20m,鋼板樁嵌固深度為3.80m。由JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》[11]可知,本深基坑支護結構安全等級為二級,支護結構重要性系數γ0= 1.00。

圖3 本深基坑圍堰支護布置

2 鋼板樁變形模型

土壓力模型分別采用彈性法和經典法,如圖4所示。土壓力模型的調整系數如表3所示。鋼板樁為連續結構,其每延米截面參數為:面積Am為236.00cm2,慣性矩Im為39 600.00cm4,抗彎模量Wm為2 200.00cm3。鋼板樁的許用抗彎強度[σ] = 215.00MPa。

表3 土壓力模型調整系數

圖4 土壓力模型

3 開挖深度(土壓力)對鋼板樁力學特性影響

深基坑開挖過程會對鋼圍堰產生擾動,隨著開挖深度的增加,基坑邊坡土壓力和鋼圍堰力學特性也會隨之變化。本基坑采用3步施工流程,第1步是先從地表開挖至1.20m深度(工況1);第2步是開挖至1.20m后在0.85m處加撐(工況2);第3步是開挖至5.20m深度(工況3),研究開挖深度(土壓力)對鋼圍堰鋼板樁力學特性的影響規律。

3.1 工況1對鋼板樁力學特性影響

基坑開挖至1.20m時鋼板樁的力學特性如圖5a所示。采用彈性法計算,由圖可知,當從地表開挖至1.20m時,隨著開挖深度增加,土體向基坑內滑動,鋼板樁頂端向基坑內側變形,鋼板樁彎矩和剪力呈“S”形分布,鋼板樁頂端位移最大為0.79mm;鋼板樁樁身最大彎矩為9.14kN·m,位于樁身約6.00m處,向基坑外側;鋼板樁樁身最大剪力為11.94kN,位于樁身約4.50m處,向基坑內側。這主要是由于彈性法將鋼板樁等效為懸臂結構,基坑開挖后基坑外側土體內力重分布,土體向基坑內滑動引起鋼板樁彎曲變形。采用經典法計算,由圖可知,當從地表開挖至1.20m時,鋼板樁位移不發生變形,其彎矩和剪力均為0。

圖5 基坑開挖至不同深度時鋼板樁力學特性

3.2 工況2對鋼板樁力學特性影響

基坑開挖至1.20m后在0.85m處加撐時鋼板樁的力學特性如圖5b所示。由圖可知,當開挖至1.20m后在0.85m處加撐時,采用彈性法和經典法計算,加橫撐對鋼板樁位移、彎矩和剪力無影響。這主要是加設橫撐時,基坑外側土體壓力未重分布,基坑外土體對鋼板樁壓力恒定不變。

別名紅棉花、英雄樹花、廣州市花。為木棉科植物木棉的花。分布于廣東、廣西、福建、臺灣、海南、云南和四川南部等地，中國的廣州、珠海、昆明、深圳、泉州、福州、廈門等地都有種植，廣泛種植于華南、臺灣、中印半島及南洋群島，印度、中南半島、馬來西亞至熱帶澳洲均有。

3.3 工況3對鋼板樁力學特性影響

基坑開挖至5.20m時對鋼板樁的受力特性如圖5c所示。采用彈性法計算,當繼續開挖至設計深度5.20m時,隨著開挖深度的增加,鋼板樁位移、彎矩和剪力呈“S”形分布,樁身最大位移為4.67mm,樁身最大彎矩為71.00kN·m,位于樁身3.00m處,向基坑內側變形;樁身最大剪力為56.71kN,位于樁身約4.65m處。這主要是由于鋼板樁頂端加設橫撐,鋼板樁等效為一端簡支和一端嵌固的梁結構。隨著開挖深度的增加,土體向基坑內滑動,土體壓力重分布,鋼板樁外側受到土體壓力進一步增加。為保證基坑開挖穩定,可將鋼板樁頂端橫撐間距減小,并在最大位移處向土體內打設錨桿約束鋼板樁向基坑內變形,減少鋼板樁變形量。采用經典法計算,由圖可知,當繼續開挖至設計深度5.20m時,由于鋼板樁頂端加設橫撐,鋼板樁等效為一端簡支和一端嵌固的梁結構,鋼板樁位移為0;樁身最大彎矩為55.96kN·m,位于樁身約3.00m處,向基坑內側變形;樁身最大剪力為63.08kN,位于樁身約4.65m處,向基坑內側變形。

安全等級為二級的基坑,其圍護結構許用最大位移[f] = 15.00mm[11],鋼板樁的許用彎矩[M] = 75.44kN·m,鋼板樁的許用剪力[Fτ] = 72.72kN,綜上可知,采用彈性法和經典法計算的位移、彎矩和剪力均滿足規范要求。

3.4 地表沉降分析

深基坑開挖時,最大開挖深度(最大土壓力)下基坑周邊地表沉降最大,為最不利開挖工況。基坑最大開挖深度(最大土壓力)下地表沉降量隨距基坑邊距的變化如圖6所示。由圖可知,采用三角法和指數法,隨著距基坑邊距的增加,地表沉降量逐漸減小直至消失,而采用拋物線法計算的地表沉降量隨著距基坑邊距的增加先增加后減小直至消失。采用三角法和指數法,地表沉降量最大值均位于基坑邊緣;而采用拋物線法,基坑邊緣沉降量為0,地表最大沉降量位于基坑邊緣外側。地表許用最大沉降量[fe] = 10.00mm,采用三角法(9.00mm)、指數法(13.00mm)和拋物線法(7.00mm)計算的地表最大沉降量基本上滿足規范要求。

圖6 地表沉降量隨距基坑邊距的變化

4 鋼圍堰支護力學特性數值模擬研究

通過以上分析可知,深基坑開挖支護過程中,開挖至設計深度5.20m時鋼圍堰外側受到的土體壓力最大為最不利工況。因此,為保證施工安全,按最不利工況進行深基坑鋼板樁圍堰支護力學特性數值模擬計算。采用有限元軟件建立數值模型,鋼圍堰支護尺寸為36.00m×22.00m,鋼板樁長度為9.00m,鋼板樁采用板單元進行模擬,其網格與荷載分布如圖7所示。腰梁及支撐采用雙拼H350×350×12×19型鋼,根據鋼板樁在施工過程中的最不利工況,腰梁受到的最大土壓力q= 47.8kN/m。

圖7 鋼圍堰支護數值模型

4.1 鋼板樁力學特性分析

鋼板樁應力與位移云圖如圖8所示。由圖8a可知,在基坑開挖至5.20m時,土壓力作用于鋼板樁,鋼板樁圍堰整體正應力較小,鋼板樁正應力主要介于40 ～ 60N/mm2,并且主要分布于鋼板樁頂端;最大正應力為96.69N/mm2,遠小于鋼板樁許用正應力[σ] = 215.00N/mm2,并且最大正應力分布區域不明顯,主要集中于圍堰邊角處。由圖8b可知,鋼板樁圍堰整體變形較小,鋼板樁變形主要介于1.12 ～ 3.92mm,并且主要分布于鋼板樁頂部到向下1/3長度局部區域,最大位移(3.92mm)位于鋼板樁頂部向下1/3處,即3.00m位置,這與3.3節彈性法和經典法研究結果一致;彈性法計算的最大位移(4.67mm)與模擬結果(3.92mm)基本吻合;另外,鋼圍堰整體最大變形量為6.16mm,遠小于許用變形量[f] = 85.00mm,滿足剛度要求,并且最大變形分布區域不明顯。

圖8 鋼板樁應力與位移云圖

4.2 內撐力學特性分析

內撐軸力與彎矩云圖如圖9所示。由圖9a可知,鋼圍堰角部內側斜撐軸力最大,平撐軸力次之,鋼圍堰角部外側斜撐軸力最小;鋼圍堰受到的最大軸力為1 001.45kN。由圖9b可知,鋼圍堰橫撐彎矩最大,鋼圍堰角部外側斜撐彎矩次之,鋼圍堰角部內側斜撐彎矩最小,平撐受到的最大彎矩為 30.47kN·m, 并且鋼圍堰內撐彎矩以鋼圍堰對稱軸呈對稱分布。由此可知,在實際工程中可增加內撐數量或縮小內撐間距,改善內撐受力。

圖9 內撐受力云圖

平撐的回轉半徑ix=219.2mm,面積A=3.5×104mm,計算長度l0=22 000mm,軸力N=829.50kN,最大彎矩為Mmax=30.47kN·m,λx=l0/ix= 100.36,屬于b類截面,穩定性系數φ=0.555-[(100.36-100)/(101-100)]×(0.555-0.549)=0.552 84,βmx=1.00,γx=1.15,Nex=π2EA/(1.1λx) = 3 778.42kN,N/φxA+βmxMx/γxW1x(1-0.8N/NEx)=47.05N/mm2<[σ]=215.00N/mm2,平撐滿足穩定承載力的要求。

4.3 鋼腰梁力學特性分析

鋼腰梁力學位移與應力云圖如圖10所示。由圖10a可知,腰梁長邊中部和中部鄰近兩側彎矩最大,并且彎矩沿對稱軸對稱分布,并沿腰梁長邊中部兩側依次減小;腰梁受到的最大彎矩為±33.79N/mm2,小于最大許用抗彎強度[σ]=215N/mm2。由圖10b可知,腰梁長邊鄰近中部兩側剪力最大,角部剪力最小,腰梁中部剪力為0,并且剪力沿對稱軸對稱分布;腰梁受到的最大剪力為±23.37N/mm2,小于最大許用剪切強度[τ]=120N/mm2,結果表明鋼腰梁結構滿足彎曲和剪切強度要求。

圖10 鋼腰梁彎曲應力和剪切應力云圖

5 結語

鋼圍堰的力學特性受土體壓力影響,深基坑開挖過程中土體壓力變化對基坑和支護結構的穩定性具有重要影響。本文依托深基坑開挖支護工程,首先研究了基坑開挖中土體壓力(深度)變化對鋼圍堰鋼板樁變形、彎矩和剪力的影響,揭示了鋼板樁與土體相互作用機理;然后分析了最不利開挖深度(最大土體壓力)下基坑周邊地表沉降變化規律;最后通過數值模擬研究了最不利開挖深度(最大土壓力)下鋼圍堰支護結構的力學特性。研究得到如下結論。

1)內撐對鋼圍堰的變形能起到有效的約束作用,對于土體側壓力較大的深地基,可通過增加內撐數量或減小內撐間距增強圍護結構強度和剛度。

2)開挖過程中土體壓力會引起鋼圍堰鋼板樁中部向基坑內彎曲,可在鋼圍堰鋼板樁最大彎曲變形處向土體內打設錨桿約束鋼圍堰鋼板樁的變形,保證鋼圍堰和基坑穩定。

3)在最不利開挖深度(最大土壓力)下,基坑周邊地表最大沉降量基本上滿足規范要求,可保證基坑開挖穩定。

4)在最不利開挖深度(最大土壓力)下數值結果表明,鋼圍堰支護系統強度和剛度均滿足規范要求。