钢板桩在湿陷性黄土地区深基坑支护中的应用研究

杨 阳

(1.陇东学院 土木工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.甘肃省高校黄土工程性质及工程应用省级重点实验室，甘肃 庆阳 745000)

由于湿陷性黄土具有结构疏松、孔隙发育等工程特点，在湿陷性黄土地区深基坑开挖过程中需要进行安全的支护，以保证建设工程的安全性[1-4]。钢板桩支护是一种典型的基坑支护结构，近年来，很多专家学者针对钢板桩支护进行了理论和应用研究。刘阳平[5]针对邻近既有线的基坑支护工程，对钢板桩支护进行了设计计算和施工应用研究。卓全[6]分析了钢板桩支护在地埋式污水处理池工程中的设计要点。许立等[7]研究了建筑物保护加固中钢板桩的支护应用。徐顺平等[8]研究了双排钢板桩围堰在深厚软土地基中的应用。李琼林等[9]研究了临近软土路基深沟开挖支护中钢板桩的应用。王理[10]利用有限元分析软件对比研究了钢板桩、SMW工法和钻孔灌注三种围护结构。钢板桩支护由于自身具有高强度、对空间要求低、施工简单等优点在基坑支护中进行了广泛应用，但在湿陷性黄土地区应用较少，有待于进一步研究和推广。因此，本文以湿陷性黄土地区某深基坑为例，在基坑施工作业区域狭小等不利因素下，进行了钢板桩支护的应用研究，阐明了钢板桩在湿陷性黄土地区深基坑支护中的可行性，为湿陷性黄土地区深基坑钢板桩支护增加了宝贵的经验，对于钢板桩支护在同类工程支护中的使用和推广具有很好的借鉴意义[11-13]。

1 工程概况

某城市海绵城市改造工程中拟建重力污水管道，需在非机动车道距东侧人行道路沿路沿石1.5米处开挖截水井基坑，最大深度达到11m，基坑平面尺寸为5m×5m，四周无放坡条件。本次勘察的最大揭露深度55m，根据本次勘察钻孔揭露结果，勘探深度范围内，自上而下去除车行道路面结构层外主要由新近堆积的填土、马兰黄土和离石黄土构成，具体土层参数见表1。勘测深度55m范围内无地下水。

表1 土层参数

2 钢板桩支护设计

鉴于该工程位于主干道的非机动车道上，无封闭交通和放坡条件，且基坑深度达到11m，故决定采用SP-Ⅳ型拉森钢板桩支护。

2.1 钢板桩相关设计参数

2.1.1 钢板桩参数：SP-IV型钢板桩宽400mm，高170mm，厚15.5mm，截面积96.9cm2，理论重量76.1kg/m，自带锁口相互插接连接。

2.1.2 钢板桩内支撑参数：钢板桩之间采用工25b腰梁围檩进行连接，直径DN180mm×12mm的钢管进行斜内支撑。

2.2 钢板桩布设

该基坑设计总深11m，按二级基坑进行设计计算，基坑周边荷载按照地面超载20kPa考虑，钢板桩布设形式见图1。钢板桩采用24m长的SP-IV型森钢板桩加4道内支撑进行支护，钢板桩之间采用工25b腰梁围檩进行连接，直径DN180mm×12mm的钢管进行斜内支撑分别在每边距端部1.5m处加设，第一道支撑距地面1m，第二道支撑距第一道支撑2m，第三道支撑距第二道支撑2.5m钢板桩，第四道支撑距第三道支撑2.5m。土方开挖应该分段分层连续施工，开挖至板桩顶标高以下1.5m时，进行第1道支撑施工，开挖至板桩顶标高以下3.5m时，进行第2道支撑施工，开挖至板桩顶标高以下6m时，进行第3道支撑施工，开挖至板桩顶标高以下8.5m时，进行第4道支撑施工。

图1 钢板桩布设形式

2.3 结构内力计算

本文分别采用弹性法土压力法和经典法土压力法进行结构内力计算。弹性土压力法是将作用桩墙上的支锚点简化为弹性支撑，将基坑开挖面以下被动侧土体简化成水平向的弹性支撑，将主动侧的土压力施加到桩墙之上。利用有限元分析方法或数值计算方法，求得到其内力及位移。经典土压力法中具有代表性的是等值梁法，将内撑和锚杆处假定为不动铰支座。计算出桩两侧的土压力及其分布后，按静力平衡法计算支护构件各点的内力。计算中弯矩折减系数取0.85，剪力折减系数取1.00，荷载分项系数取1.25，得到了开挖完成后结构内力包络图如图2所示。

图2 结构内力包络图

由图2可知：采用弹性法土压力模型计算得到基坑内侧最大弯矩标准值为114.37kN·m，基坑外侧最大弯矩标准值66.52kN·m，最大剪力标准值为82.02kN，钢板桩最大位移为13.89mm，内支撑最大支反力标准值为120.52kN。采用经典法土压力模型计算得到基坑内侧最大弯矩标准值为61.38kN·m，基坑外侧最大弯矩78.20kN·m，最大剪力标准值为82.16kN，钢板桩最大位移为0mm，内支撑最大支反力标准值为130.41kN。

2.4 地表沉降计算

由于钢板桩前土体的挖除，破坏了原来的基坑平衡状态，钢板桩向基坑方向的位移，必然导致钢板桩后土体中应力的释放和取得新的平衡，将引起钢板桩后土体的位移。土体位移可以分解为土体向基坑方向的水平位移以及土体竖向位移，其中土体竖向位移的总和表现为地面的沉陷。基坑开挖过程中的地表沉降的范围还取决于地层的性质、基坑开挖深度H、墙体入土深度、下卧软弱土层深度、基坑开挖深度以及开挖支撑施工方法等。沉降范围一般为(1～4)H。地表最大沉降近似于桩体最大水平位移，典型的地表沉降曲线主要有三角形曲线、指数曲线和抛物线[14]。本文地表沉降具体计算结果如图3所示。

图3 地表沉降图

由图3可知：用三角法计算得到基坑地表最大沉降量为13mm，抛物线法计算得到基坑地表最大沉降量为20mm，指数法计算得到基坑地表最大沉降量为10mm。

2.5 钢板桩截面计算

结构内力分别采用弹性土压力法和经典土压力法计算，得到基坑最大弯矩标准值为114.37kN·m。通过计算可得：基坑最大弯矩设计值为121.52kN·m，选用的SP-IV型钢板桩每延米抗弯模量2270cm3，允许抗弯应力215MPa，钢板桩计算抗弯应力为53.532MPa小于允许抗弯应力，故钢板桩截面满足规范要求。

2.6 整体稳定性计算

基坑支护进行整体稳定性验算的目的就是要防止基坑支护结构与周围土体整体滑动失稳破坏，常用的整体稳定性分析条分法主要有瑞典圆弧滑动法、简化Bishop法、Janbu法、力平衡方法、Morgenstern-Price法和Spencer法等。分析的方法虽然很多，但目前工程实践中常用的分析方法就是瑞典圆弧滑动条分法，但该方法中仅能满足整个滑动土体的整体力矩平衡条件，产生的误差一般会使求出的安全系数偏低10%—20%[14]。

本文的整体稳定性计算方法采用瑞典条分法，应力状态按有效应力法计算，条分法中的土条宽度取0.40m，滑裂面数据具体为：圆弧半径25.020m，圆心坐标(-2.606，11.839)，计算至开挖11m，计算得到整体稳定安全系数Ks=2.202>1.30,满足规范要求。

2.7 内支撑计算

钢板桩支撑形式采用最基本最原始的支护方式——内支撑，边撑边挖法施工，可保证钢板桩位移得到有效控制。内支撑采用I25b工字钢圈梁和DN180mm×12mm的斜撑组成，如图4所示。取图2计算得到的最大支撑反力作为内支撑设计荷载。内支撑最大反力为130.41kN/m,采用大型有限元分析软件Midas进行整体建模分析计算(在支撑钢管与圈梁相交处下方焊接牛腿作为竖向约束)，内力计算结果分别如图5、图6和图7所示。

图4 内支撑模型图

图5 内支撑变形图

图6 内支撑弯矩图

图7 内支撑组合应力图

由5、图6和图7可知：围堰长边最大变形为0.473mm<[L/400]=12.5mm，圈梁I25b工字钢最大组合应力为126.7MPa<[170]MPa，斜撑DN180mm×12mm最大组合应力为42.8MPa<[170]MPa，故内支撑受力均满足要求[15]。

3 结论

湿陷性黄土地区深基坑施工受制约因素多，风险性也高。以往湿陷性黄土地区深基坑施工中钢板桩支护的应用较少。本次工程通过实践证明了对于此类环境要求较高、施工作业区域狭小的基坑工程，在探明地质条件的前提下，应用钢板桩进行支护可以满足湿陷性黄土地区深基坑支护的施工要求，也可为钢板桩支护在类似湿陷性黄土地区深基坑支护中的应用和推广提供一定的借鉴和参考。