软土地区钢板桩支护结构在深基坑中的应用及计算分析

杨 毅

(中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014)

0 引 言

钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧(或冷弯)型钢,靠锁口或钳口相互连接咬合,形成连续的钢板桩墙,用来挡土和挡水,具有高强、轻型、施工快捷、环保、美观、可循环利用等优点。钢板桩支护结构由打入土层中的钢板桩和必要的支撑体系组成,以抵抗水、土压力并保持周围地层的稳定,确保地下工程施工的安全[1]。

本文以某软土地区深基坑支护为例,对钢板桩及横向钢支撑进行内力分析,并对支护结构的整体稳定性、抗踢脚稳定性、抗隆起稳定性、抗流土稳定、抗突涌稳定、嵌固深度等内容进行了验算。同时,介绍了该深基坑支护的设计方案,以期为类似工程提供参考。

1 工程背景概况

某公路与既有铁路交叉,其主道和辅导采用同层高架上跨铁路,人非通道分左右两侧下穿铁路。人非通道单侧宽6 m,单侧长均为314 m,其中U槽段长304 m,框架段长10 m。左侧人非通道基坑最大开挖深度6.44 m,右侧人非通道基坑最大开挖深度6.52 m。

2 工程地质和水文地质条件

地形地貌:长江三角洲冲积平原,地形平坦,地势开阔。

地层岩性:工点范围内地层自上而下分别为:

1a杂填土:灰黄色,湿,松散～稍密,层厚2.40～4.70 m;Ⅱ级普通土。

1-2淤泥质粉质黏土层:灰色,流塑,层厚3.20～9.80 m;基本承载力σ0=70 kPa,Ⅱ级普通土。

1-2c粉砂层:灰色,饱和,稍密,层厚3.30～8.20 m;基本承载力σ0=90 kPa;Ⅰ级松土。

2-1粉砂层:灰黄色～灰色,饱和,中密,层厚13.70～20.00 m;基本承载力σ0=130 kPa,Ⅰ级松土。

水文地质:工点区域内无地表水。地下水主要类型为潜水及弱承压水,潜水主要赋存与浅部松散地层中,其主要补给源为大气降水、人工用水、地表径流,主要以蒸腾作用排泄;弱承压水主要分布于中下部砂性土层中,主要接受地表水及大气降水补给;地下水水位埋深0.95～2.96 m,地下水对混凝土结构具化学侵蚀环境,环境作用等级为H1。

基本地震动峰值加速度:地震动峰值加速度为0.10g,抗震设防烈度为Ⅶ度,特征周期0.35 s。

3 基坑支护设计方案

综合考虑目前基坑深度、地质条件、周边环境、建设工期等因素,对基坑开挖采用两种支护形式:

(1) K5+460-K5+482及K5+755-K5+774段两侧基坑开挖深度≤2.5 m,采用放坡开挖,坡率为1∶1,坡面采用5 cm水泥砂浆抹面。

(2) K5+482-K5+755段两侧基坑开挖深度>2.5 m,采用钢板桩+钢围檩+内支撑的支护方式。钢板桩采用热轧U型钢板桩,型号为400 mm×170 mm。钢围檩采用双拼H型钢,型号为400 mm×400 mm×13 mm×21 mm。内支撑选用钢管支撑,设在距原地面1.0 m处,水平间距3.5 m,型号为φ609 mm,t=16 mm。其中K5+587-RK5+657段两侧基坑开挖深度>5 m,需对钢支撑施加210 kN的轴向预加力。

采用井点降水将基坑内侧水位降至基坑底面以下1.0 m。在基坑顶部设置截水沟,地表裂缝处应予封堵,注意排走地势低凹处的积水,防止地表水流入基坑内和冲刷基坑；并在基坑内设置排水沟,及时排除渗水。施工断面如图1所示。

图1 代表性断面示意图(单位：cm)

4 支护结构内力分析

4.1 计算方法

内支撑简化为弹簧支座,基坑内开挖面以下的土体亦采用弹簧进行模拟,而基坑外土体的水土压力则视为外部荷载施加于地基梁上,从而通过杆系有限元的方法即可计算弹性地基梁的内力和变形[2]。

钢板桩嵌固段基坑内侧土反力采用m法,钢板桩基坑外侧主动土压力采用库仑法。钢板桩传至内支撑的荷载取钢板桩结构分析时得出的支点力[3]。

支护结构应考虑的设计工况包括:工况1，基坑开挖1.5 m;工况2，加内支撑;工况3，基坑开挖6.52 m。

4.2 计算参数

4.2.1 钢板桩尺寸及参数

钢板桩长H=17.02 m,其中嵌固深度10.5 m。钢板桩截面面积A=242.5 cm2,惯性矩I=38 600 cm4,抗弯模量W=2 270 cm3,抗弯强度f=215 MPa。

4.2.2 地层参数

1a杂填土:重度γ=19.7 kN/m3;黏聚力c=28.0 kPa,内摩擦角φ=10°,地基系数m取3.8 MN/m4,层厚2.87 m。

1-2淤泥质粉质黏土层:重度γ=18.2 kN/m3;黏聚力c=11.7 kPa,内摩擦角φ=11.3°,地基系数m取2.59 MN/m4,层厚8.39 m。

1-2c粉砂层:重度γ=19.3 kN/m3;黏聚力c=5.0 kPa,内摩擦角φ=26.6°,地基系数m取11.99 MN/m4,层厚5.54 m。

2-1粉砂层:重度γ=19.4 kN/m3;黏聚力c=9.0 kPa,内摩擦角φ=30.2°,地基系数m取16.12 MN/m4,层厚17.34 m。

4.2.3 其他参数

基坑外附加荷载按30 kPa的均布荷载计列。降水后基坑内侧地下水深度7.52 m,基坑外侧地下水位深度1.42 m。

4.3 内力计算

分别对工况1、工况2、工况3进行计算分析,得出工况3为最不利情况,根据计算结果绘制钢板桩桩身内力位移包络图，如图2所示。

图2 桩身内力位移包络图

分析可知:基坑内侧最大弯矩363.12 kN·m,基坑外侧最大弯矩174.81 kN·m,最大剪力153.44 kN。桩身最大水平位移为40.25 mm,内支撑最大支反力为501.30 kN。

4.4 钢板桩截面验算

支护结构构件按承载能力极限状态设计,作用基本组合的综合分项系γF=1.35[3],支护结构的安全等级采用二级,结构的重要性系数γ0=1.0[3]。

基坑内侧设计弯矩Mn=1.0×1.25×363.12=453.9 kN·m;基坑外侧设计弯矩Mw=1.0×1.25×174.81=218.51 kN·m。

σn=MnW=453.9 kN·m2 270 cm3=199.96 MPa<215 MPa

σw=MwW=218.51 kN·m2 270 cm3=96.26 MPa<215 MPa

基坑内、外侧最大弯矩处的正应力均满足钢板桩抗弯强度。

4.5 嵌固段基坑内侧土反力验算

嵌固段作用在钢板桩上的分布土反力按下式计算:

ps=ksν+ps0,ks=m(z-h)[3]

分别对3种设计工况下的嵌固段基坑内侧土反力进行验算:

工况1:Ps=1 833.15 kN≤Ep=4 694.92 kN;工况2:Ps=1 796.38 kN≤Ep=4 694.92 kN;工况3:Ps=1 704.76 kN≤Ep=2 068.65 kN。均满足要求。

5 支护结构稳定性验算

5.1 整体稳定验算

支护结构的强度较高,滑动面不易穿过支护结构而发生滑动破坏,而只能从桩底或桩底以下一定深度处滑动,且基坑地处深厚软土场地,因此基坑发生整体失稳的可能性仍高[2]。

采用瑞典条分法进行整体稳定性验算,每个土条宽取0.4 m,支护结构整体稳定性应满足下式要求[4]:

KR=MRMS≥1.3

以锚固点为坐标原点,通过计算,滑裂面圆弧半径R=16.292 m,圆心坐标X=-1.868 m,圆心坐标Y=5.633 m。整体稳定安全系数为1.328> 1.3,整体稳定验算满足要求。

5.2 抗踢脚稳定验算

内支撑以下的钢板桩在主被动区水土压力的作用下有可能产生以内支撑支点为圆心的转动破坏,即踢脚破坏。验算踢脚稳定破坏,主要是验算内支撑以下主、被动区绕最下道支点的转动力矩是否平衡[2]。

支护结构嵌固稳定性应满足下式要求,其中Kem取值1.2。

EpkZp2EakZa2≥Kem

通过计算,嵌固稳定安全系数=25697.20/19375.09=1.326>1.2,抗踢脚稳定验算满足要求。

5.3 抗隆起稳定验算

土体从支护构件底端以下向坑内隆起挤出,即隆起失稳破坏。这是一种土体丧失竖向平衡状态的破坏模式,由于内支撑只能对支护结构提供水平方向的平衡力,对隆起破坏不起作用,只能通过增加挡土构件嵌固深度来提高抗隆起稳定性[2]。

(1) 坑底的抗隆起稳定性应满足下式要求,其中Khe取值1.6。

γm2DNq+cNcγm1(h+D)+q0≥Khe

通过计算,隆起安全系=(18.806×10.500×18.824+9.000×30.625)/(18.826×(6.520+10.500)+30.000)=11.393>1.6,抗隆起验算满足要求。

(2)坑底以下为软土时,以内支撑支点为转动轴心的圆弧滑动模式下的抗隆起稳定性应满足下式要求,其中KRL取值1.9。

∑[cjlj+(qjbj+ΔGj)cosθjtanφj]∑(qjbj+ΔGj)sinθj≥KRL

通过计算,以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定安全系数=2.698>1.9,抗隆起稳定验算满足要求。

5.4 抗流土稳定验算

由于基坑内降水,形成坑内外水力坡降较大,在渗流压力的作用下,发生流土的可能性则应予以考虑,抗流土稳定验算应满足下式要求,其中Kf取值1.5[2]。

(2ld+0.8D1)γ'Δhγω≥Kse

通过计算,流土稳定性安全系数=(2×10.55+0.8×5.1)×8.87/(6.1×10)=3.662>1.5,抗流土稳定验算满足要求。

5.5 抗突涌稳定验算

以压力平衡理论为基础,坑底以下有水头高于坑底的承压水含水层,且未用截水帷幕隔断其基坑内外的水力联系,承压水作用下的坑底突涌稳定性应满足下式要求,其中Ktf取值1.1[2]。

Dγ(Δh+D)γω≥Kty

通过计算,突涌稳定性安全系数=4.8×18.214/60=1.457>1.1,抗突涌稳定验算满足要求。

5.6 嵌固深度构造验算

对单支点支挡式结构,要求挡土构件的嵌固深度不小于0.3倍的基坑深度[3]。

嵌固构造深度=嵌固构造深度系数×基坑深度=0.3×6.52=1.956m。钢板桩嵌固深度采用值10.5 m>1.956 m,满足构造要求。

6 基坑监测

6.1 监测内容

基坑工程的监测项目与基坑工程设计、施工方案相匹配。针对监测对象的关键部位,做到重点观测、项目配套并形成有效的、完整的监测系统[1]。主要监测内容包括:深层土体水平位移;围护桩顶部水平位移及沉降;坑外地下水位的监测;钢支撑轴力;以及周围环境的监测(周围道路路面、地下管线设施的沉降、变形)。

6.2 监测报警界限

基坑监测数据、现场巡查结果应及时整理和反馈。当出现下列危险征兆时应立即报警:钢板桩顶部水平位移为26 mm,变形速率连续3 d大于3 mm/d;深层土体位移为40 mm,变形速率连续3 d大于3 mm/d;内支撑轴力值允许值为2 000 kN,报警值为1 600 kN;坑外水位沉降速率大于500 mm/d或累计1 000 mm;周边一般市政地下管线报警界限应根据管线单位及有关部门要求确定;周边道路路面沉降50 mm。

7 结束语

对于软土地区开挖深度超过5 m的深基坑,通过井点降水将基坑内侧水位降至基坑底面以下1.0 m,采用钢板桩+钢围檩+内支撑的支护方式,并加强基坑监测,能达到较好的支护效果和经济效益。该方案具有一定的参考价值。