自稳定超前斜撑体系的应用与稳定性分析

姚 实

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

目前排桩加支撑体系主要为水平内撑和支护桩组合的形式,但在基坑跨度较大情况下,常规的水平内支撑方式也无法满足要求。相对而言,斜撑与支护桩组合的基坑支护形式凭借其可靠性、灵活性及经济性得到越来越多的应用。

国内目前的传统斜撑支护需要基础底板作为底部支撑,即布置斜撑应先施工中间部分底板结构,但基坑周围复杂的地质条件下,斜撑安装越晚,对基坑和支护结构的安全越不利;且基础边一定范围需要留置三角土,而这也大大降低了其施工可操作性,而且斜撑周边剩余三角土机械开挖条件限制多,从而大大限制了斜撑支护的应用。自稳定超前斜撑作为基坑围护工程中的新型支护方式,相比传统斜撑支护,它不需要基础底板作为底部支撑,可以先行施工,在施工过程中,通过调整斜撑角度和刚度,使斜撑自身形成平衡,实现基坑的支撑和固定。

自稳定超前斜撑的施工流程简便,不依赖于基础边留置三角土,因此具有更高的施工可操作性。同时,由于斜撑的自稳定性和调节性,适应了基坑跨度较大的情况,解决了传统水平内支撑方式无法满足要求的问题。本文基于工程实例,结合软件计算和数据分析,论证了自稳定超前斜撑在深度较浅、跨度较大的基坑围护工程中的应用,为之后的同类工程的设计、施工提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

本工程位于绍兴市越城区塔山街道,延安路以南,环城东路以西,稽山路东侧。主要建筑物为6层住宅楼15幢(楼号1号—15号)、配套用房及整体地下室。设1层地下室,地下室面积约24 580 m2,±0.000 m相当于黄海标高6.450 m,现场整平标高按5.2 m计(-1.250 m)。基础底板面标高-5.500 m,基础底板厚400 mm,垫层厚150 mm,开挖深度约4.8 m。本工程重要性等级为三级,场地复杂程度等级为二级,地基复杂程度等级为二级。场地土类型属中软场地土,基坑底位于淤泥质土层中,坑内作业风险较大。

1.2 工程地质条件

项目场地土层分布从上到下依次为:①1杂填土,层厚0.5 m～2.3 m、②2-1粉质黏土,层厚0 m～2.3 m、③2-2粉质黏土,层厚0.00 m～3.00 m、④3淤泥质黏土,层厚0.8 m～5.9 m、⑤4-1粉质黏土,层厚0.00 m～5.40 m、⑥4-2a粉质黏土,层厚0.00 m～11.50 m、⑦5黏土,层厚0.00 m～14.20 m、⑧6粉质黏土,层厚1.50 m～9.10 m,各土层的物理力学性质指标见表1。

表1 各土层物理力学性质

1.3 基坑支护方案

基坑支护结构形式需综合考虑工程特点、周围环境和工程地质条件等因素,才能得到安全可靠、经济合理、施工方便的基坑支护方案。

根据本工程开挖深度、开挖范围、地层情况及周围环境条件,经综合对比分析采用SMW工法桩加混凝土角撑、SMW工法桩加钢管斜撑、钻孔灌注桩加混凝土角撑、钻孔灌注桩加钢管斜撑及复合土钉墙的支护方案。由于本工程基坑跨度大,北侧临近居民楼、西侧距离车辆行驶道路只有5 m,故基坑西、北两侧采用自稳定超前斜撑体系,如图1所示。

2 自稳定超前斜撑体系

2.1 自稳定超前斜撑体系概述

自稳定超前斜撑体系是指利用斜撑独立承台基础的独特形状,增大其底部与土体的接触面积,同时对承台底部及周边土体进行加固,结合锚入基础的槽钢或松木桩等增加承台支撑能力,最后通过钢管斜撑连接承台基础与围护桩,从而形成一个独立自稳定的整体受力体系。本体系克服了传统斜撑需要基础底板作为支撑的缺点,可在地下室基坑开挖前通过局部开槽法完成承台基础施工及斜撑安装,超前形成斜撑支护体系,为后续基坑的大面积开挖提供有力条件[1](见图2,图3)。

2.2 施工工艺流程

自稳定超前斜撑具体施工工艺流程为:施工前准备→BIM施工模拟→水泥土搅拌桩加固→基础底座开挖→槽钢加固→底座支模、钢筋绑扎、角度调整→基础混凝土浇筑、养护→斜撑安装→施加预应力→换撑带施工→斜撑拆除→施工完成。

2.3 新型斜撑关键施工技术

2.3.1 BIM技术施工过程模拟

施工前,采用BIM技术对斜撑安装全过程进行模拟施工,提前规划施工场地、施工机械、施工材料、车辆行走路线,达到减少材料浪费、安全施工的目的[2]。通过对模型的查看,发现安装过程中构件的碰撞和冲突,提前分析和解决,找到合理的优化方案,见图4。

2.3.2 承台区域土方开挖

承台区域采用小范围盆式开挖的方法,由承台区域分层分段向四周开挖,直至承台底部,并对承台周边土体进行大放坡。斜撑区域土方开挖至保留的土台顶面标高处,利用留位的土台来保证支护结构的稳定,见图5。

2.3.3 承台区域土体加固

为提高承台基础底部摩阻力和土体的承载力,有效控制承台基础在土体中的位移,在承台范围内采用φ600@400 mm水泥土搅拌桩对土体进行加固。

承台范围土的力学性能较差处将16号槽钢插入土体,均匀排布。

1)采用16号槽钢对承台区域进行加固,槽钢长度、数量根据实际土质条件确定。

2)将槽钢固定至设计位置,采用锤击法将槽钢打入至规定深度。

3)槽钢施打顺序,宜从中间向四周或两边对称施打。

4)槽钢的上端向支护桩方向倾斜,倾斜角度为20°～30°。

槽钢施工完成后如图6所示。

2.3.4 钢管斜撑的安装

1)由于斜撑安装时存在一定的倾斜角度,斜撑吊装完成后,其两端并不能完全与冠梁和底座牛腿上的预埋钢板面贴合。因此,通过在斜撑与冠梁、斜撑与底座牛腿处焊接钢板,将斜撑两端分别与冠梁和底座牛腿进行牢固连接。焊接完成后,对焊缝质量进行检查,见图7。

2)斜撑在底座牛腿处设活络头,用于施加预应力。当牛腿的强度达到设计强度时,人工用千斤顶将活络头顶开,当预应力值达到300 kN～500 kN时,将钢板放入活络头中,即预应力施加完成。千斤顶顶撑见图8,预应力施加完成见图9。

3 设计计算及结果分析

采用理正深基坑计算软件对围护桩的内力进行计算,运用增量法选取斜撑体系围护结构最不利的典型剖面进行计算[3]。

1)地面超载值取值:基坑西侧为一般区域,地面超载取20 kPa;基坑东、南、北侧临近居民楼或设有堆场,地面超载取30 kPa。

2)地下水位取值:坑内水位取基坑底面以下0.5 m;基坑外侧水位深度,地面以下0.8 m。

3)钢管斜撑的支锚刚度取值:对于钢管斜撑,采用φ609 mm×12 mm钢管,Q235B钢。支锚刚度计算公式如下:

4)材料抗力取值:φ609 mm×12 mm钢管斜撑,材料抗力为:

T=ξφAfc=4 354.98 kN。

开挖过程中主要考虑以下五类工况:

工况一,土层开挖至冠梁底;工况二,加设钢管斜撑;工况三,土层开挖至基坑底部;工况四,基坑底部增设钢性铰;工况五,拆除钢管斜撑。

计算结果如图10—图12所示。

由典型斜撑剖面计算结果可知:

1)随着土方开挖深度的增加,钢管斜撑的轴力也不断增大,直至趋于稳定。由数据可知,在整个基坑开挖过程中,工况三基坑开挖至坑底时,支撑轴力最大,根据角度换算后,可得钢管斜撑轴力为498.22 kN。2)工况三时支护结构水平位移最大为5.14 mm,最大水平位移发生在基坑顶面以下4 m左右处。3)根据工况五的数据分析,拆除钢管斜撑时,支护结构水平位移略有增大,但总体保持稳定。4)整个基坑施工过程中,支护结构水平位移未超过30 mm,满足支护结构变形控制要求。

4 基坑监测及数据分析

4.1 基坑围护监测

本工程通过对斜撑体系进行支撑轴力监测和支撑深层土体变形监测,对斜撑体系的稳定性进行分析[4]。

本工程采用振弦式表面应变计和609A型振弦式读数仪对钢管斜撑进行轴力监测;在土体中预埋测斜管,通过测斜仪观测埋深4 m处土体水平位移。

支撑轴力监测数据和埋深4 m处的土体深层水平位移监测数据分别如图13,图14所示。

4.2 监测数据分析

目前除东北侧,其他区域地下室底板均已浇筑施工完毕,现场施工进度如图15所示。整个施工过程中,根据监测数据表明在自稳定超前斜撑体系控制下的基坑变形满足设计规范要求[5]。

1)与理正深基坑软件计算结果对比,软件计算的轴力值498.22 kN大于实际测量的轴力最大值428.22 kN。究其原因,一方面由于勘察单位根据经验对勘察报告中岩土体力学参数进行了折减;另一方面由于现有计算模型对真实条件进行了简化,为了方便计算,故测量结果与理论值存在一定的差异。

2)随着基坑向下开挖,支撑轴力、深层土体水平位移的变化趋势基本相同,都随着开挖深度的增加而逐渐增大,直至趋于稳定。

3)从基坑开始施工至土方开挖至坑底,土体深层水平位移增长较快但基本不超过1 mm/d,满足规范要求。土方开挖至坑底至底板浇筑完成拆撑期间,深层土体位移随时间呈线性增长趋势且增长平缓,位移最大累计值18.31 mm,未超过50 mm,满足土体位移要求。

5 结语

目前基坑围护施工基本完成,总的来说新的施工工艺采用BIM应用技术,确保了钢管支撑的安装精度,避免了不必要的浪费。科学的支撑方式,用超前自稳定斜撑的支护形式,能更有效控制围护变形,对比混凝土对撑节省施工成本约50%以上。精确的测量,所有构件基本一次成型,减少了不必要二次返工的费用。独立的承台基础,可在地下室土方开挖前完成支护,对比混凝土对撑节省工期约1个月。

通过对自稳定超前斜撑体系的数值模拟、实际监测结果以及施工全过程应用的分析,得出以下结论:

1)理正单元计算的准确性还有待提高,但反映的变化趋势基本符合现场实际情况,故可用来指导施工。2)工程实践表明自稳定超前斜撑体系能适用于深度为4 m～7 m、跨度较大、基坑周边环境复杂的大面积基坑工程,且能有效加快施工进度,节约施工成本。3)采用斜撑体系超前支设的方式,解决了传统斜撑需在部分底板浇筑完成后才能进行斜撑安装的缺点,大大的提高了基坑和支护结构的安全稳定。4)钢管斜撑拼装方便,投入使用快,钢管斜撑采用可调节活络头+不同规格尺寸的支撑体系,对场地要求较低,可满足内支撑不同长度的需求,安拆及运输便捷,拆卸后可重复利用,周转率较高。5)埋入土中的承台基础的未采用长方体的结构形式,而是采用近似楔形的截面形式,这样有助于增大土体与承台底面的摩擦面积,提高斜撑体系整体的承载能力。6)承台下部,设置一定数量倾斜的槽钢,极大的提高了斜撑体系的承载能力和稳定性。7)在整个施工过程中,钢管斜撑的轴力并未达到预计算的最大值,且土体的位移符合设计监测的标准且无任何异常情况出现。这些观察结果表明,当前的超前斜撑体系仍具有额外的受力容量,这就为我们提供了可能性,即通过调整斜撑的角度,可以实现更优化的受力形态。