型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工創(chuàng)新

　　摘 要： 隨著地下空間被大量開(kāi)發(fā)和利用，坑中坑的穩(wěn)定性與安全性越來(lái)越成為基坑設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。以杭州運(yùn)河中央公園工程為例，結(jié)合淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘性土特點(diǎn)，將朗肯土壓力理論與庫(kù)倫土壓力理論相結(jié)合，得到粘性土的等效內(nèi)摩擦角，進(jìn)而推演出型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)長(zhǎng)度L及板樁配筋面積。將設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于施工實(shí)踐，表明支護(hù)方案安全性高，現(xiàn)場(chǎng)施工方便，經(jīng)濟(jì)合理，支護(hù)性能滿(mǎn)足GB 50068-2018等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　本文源自工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 2020年5期《工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新》是由中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院和工業(yè)和信息化部部長(zhǎng)主辦的國(guó)家科技學(xué)術(shù)期刊。該報(bào)主要面向工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門(mén)、工業(yè)企業(yè)、科研創(chuàng)新學(xué)術(shù)交流平臺(tái)、技術(shù)創(chuàng)新成果宣傳轉(zhuǎn)化領(lǐng)域以及戰(zhàn)略政策研究的理論討論陣地。該雜志的宗旨是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家服務(wù)。

　　關(guān)鍵詞： 型鋼與板樁組合;坑中坑;支護(hù)設(shè)計(jì);等效內(nèi)摩擦角;粘性土

　　引言

　　近年來(lái)，隨著地下空間被大量開(kāi)發(fā)和利用，大型深基坑的施工成本、安全性、可靠性的綜合控制成為施工單位考量的重點(diǎn)和難點(diǎn)。大量的工程實(shí)踐表明，基坑內(nèi)部再多挖3～5 m產(chǎn)生的局部坑中坑(用于放置電梯井、集水井、設(shè)備基礎(chǔ)等)對(duì)整個(gè)基坑的影響不容忽視。尤其是在我國(guó)沿海沿江地區(qū)，淤泥質(zhì)粘性土或淤泥等較多，土質(zhì)很差，或坑中坑距離基坑邊、工程樁較近，在不允許采用放坡的情況下，基坑中的坑中坑支護(hù)難度較大。

　　傳統(tǒng)坑中坑的支護(hù)方法主要有鉆孔灌注排樁、復(fù)合土釘墻、重力式擋墻(水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁)等[1-5]，這些傳統(tǒng)圍護(hù)方式的施工工藝復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，挖填土方量多，勞動(dòng)力投入大，受天氣因素干擾大，且增加了基坑開(kāi)挖過(guò)程中的時(shí)空效應(yīng)，對(duì)基坑的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。浙江新盛建設(shè)集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我公司”)在杭州運(yùn)河中央公園工程中創(chuàng)新地提出了一種型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工方法，有效地解決了上述問(wèn)題。

　　本文以杭州運(yùn)河中央公園工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本工程”)為例，首先簡(jiǎn)要介紹工程概況和支護(hù)方法;其次將朗肯土壓力理論與庫(kù)倫土壓力理論相結(jié)合，對(duì)計(jì)算深度、最大彎矩、配筋面積等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算;最后將測(cè)算結(jié)果應(yīng)用于施工實(shí)踐，并開(kāi)展討論。

　　1 工程概況

　　本工程位于杭州市拱墅區(qū)運(yùn)河公園西南角，南臨喜塘河，西南側(cè)為美食街，東側(cè)為高層居住區(qū)，西北角為拱墅區(qū)圖書(shū)館和體育中心。總建筑面積69 871m2，其中地上建筑面積 19 349 m2，地下建筑面積50 522 m2。本工程相對(duì)標(biāo)高±0.00相對(duì)于黃海高程5.5 m，場(chǎng)地自然地面平均相對(duì)標(biāo)高-2.8 m，基坑開(kāi)挖深度9.7 m。

　　本工程集水井、電梯井等形成的坑中坑共44個(gè)，坑中坑的坑底高差一般在2.2～2.5 m左右，其中38個(gè)坑中坑采用放坡開(kāi)挖，其余6個(gè)坑中坑位于基坑西北段。由于該區(qū)第二層土層為淤泥質(zhì)粘性土層或淤泥層，土質(zhì)很差，故需考慮坑中坑支護(hù)。

　　坑中坑各土層的物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

　　2 型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)方法

　　我公司經(jīng)多年對(duì)坑中坑圍護(hù)的實(shí)踐研究，開(kāi)發(fā)出一種型鋼混凝土復(fù)合板樁坑中坑圍護(hù)施工技術(shù)。該技術(shù)在基坑底部的坑中坑位置四周各施作導(dǎo)溝，在導(dǎo)溝內(nèi)施作自制預(yù)制板樁與自制組合型鋼，板樁與導(dǎo)溝之間通過(guò)自行研制的定位支架固定[6-7]。轉(zhuǎn)角處采用H型鋼與C型鋼焊接而成的轉(zhuǎn)角組合型鋼連接，用現(xiàn)場(chǎng)挖機(jī)將預(yù)制板樁與型鋼壓入圍護(hù)土中，將各根板樁通過(guò)型鋼連接成為一道整體性較好的板墻。型鋼與板樁組合式支護(hù)平面、立面示意圖分別如圖1a、圖1b所示。

　　3 坑中坑支護(hù)長(zhǎng)度的取值

　　在坑中坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，朗肯土壓力理論不考慮土體與墻壁間的摩擦力，庫(kù)倫土壓力理論只能用于計(jì)算非粘性土。粘性土中的粘聚力對(duì)土壓力影響明顯，不少學(xué)者采用朗肯土壓力理論與庫(kù)倫土壓力理論結(jié)合的形式，提出粘性土的等效內(nèi)摩擦角[8]，對(duì)粘性土的土壓力進(jìn)行簡(jiǎn)化。計(jì)算公式為

　　其中，h為坑中坑深度，為土的內(nèi)摩擦角，c為土的粘聚力，ρ為板后土的密度，為等效內(nèi)摩擦角。

　　本工程坑中坑深度h為2.5 m，土體容重為18.5 kN/m2，地面荷載為24.8 kN/m2，等效內(nèi)摩擦角取33.3°。采用型鋼與板樁組合無(wú)錨式板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于型鋼的剛度比混凝土板樁大，按最不利因素考慮，設(shè)計(jì)該板樁樁長(zhǎng)及最大彎矩，如圖2所示的布魯姆理論受力示意圖。

　　4 軟土地區(qū)坑中坑支護(hù)設(shè)計(jì)最大彎矩及配筋面積計(jì)算

　　板樁最大彎矩的作用點(diǎn)，即是結(jié)構(gòu)端面剪力為零的點(diǎn)。如圖2所示，當(dāng)剪力為零的點(diǎn)在坑中坑底面以下深度為b時(shí)，即滿(mǎn)足，那么

　　根據(jù)支護(hù)板樁與H型鋼的剛度進(jìn)行彎矩設(shè)計(jì)分配，板樁的Ec=3×104 MPa，板樁的Ic=bh3/12 =9 366 cm4，H型鋼的Eh=2.06×104 MPa，H型鋼的Ih=bh3/12=5 799 cm4，支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)最大彎矩為

　　為滿(mǎn)足可靠度的要求，在實(shí)際設(shè)計(jì)中計(jì)算板樁內(nèi)力時(shí)，將荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)。根據(jù)最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50068-2018[10]中第8.2項(xiàng)條文規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)的作用分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)采用其中的表8.2.9。因此板樁最大彎矩設(shè)計(jì)值為

　　先假設(shè)受力鋼筋按一排布置，其中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=14.3 N/mm，fy=360 N/mm。

　　其中，ξb為相對(duì)界限受壓區(qū)高度，Es為鋼筋的彈性模量，為受壓區(qū)邊緣混凝土的應(yīng)變，為高度系數(shù)。

　　其中，為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);為板樁最大彎矩設(shè)計(jì)值;為系數(shù)，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2002 的6.2.6條的規(guī)定計(jì)算;b為板樁擋土面寬度;h0為板樁截面有效高度，取88 mm。

　　5 施工應(yīng)用

　　綜合第3章和第4章的測(cè)算，將支護(hù)板樁的鋼筋配置為910mm。板樁及型鋼設(shè)計(jì)圖如圖3所示，板樁現(xiàn)場(chǎng)施工示意圖如圖4所示，型鋼與板樁組合式坑中坑支護(hù)示意圖如圖5所示。

　　6 討論與結(jié)論

　　(1)杭州運(yùn)河中央公園工程部分坑中坑土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，土質(zhì)較差，并且部分坑中坑距離工程樁較近，在不允許采用放坡的情況下，傳統(tǒng)基坑中的坑中坑支護(hù)方案難度較大。因此，本工程的坑中坑支護(hù)采用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)與施工方法，將板樁與板樁之間采用型鋼連接，坑中坑支護(hù)轉(zhuǎn)角處采用H型鋼與C型鋼焊連接，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)挖機(jī)配合施工，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件、施工機(jī)具、結(jié)構(gòu)安全等因素。實(shí)踐證明本支護(hù)方案安全性高、現(xiàn)場(chǎng)施工方便、經(jīng)濟(jì)合理。

　　(2)本文以朗肯土壓力理論與庫(kù)倫土壓力理論結(jié)合的形式，采用粘性土的等效內(nèi)摩擦角對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。考慮了墻后均載和水位的影響，避免等效內(nèi)摩擦角取值過(guò)大時(shí)設(shè)計(jì)的板樁的長(zhǎng)度L與彎矩M偏小，避免板樁處于不安全狀態(tài)，同時(shí)避免經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

　　(3)本工程設(shè)計(jì)初期進(jìn)行了大膽簡(jiǎn)化計(jì)算。首先根據(jù)板樁插入土體的受力平衡計(jì)算插入深度L，求出最大彎矩Mmax;再將板樁與型鋼的共同體按各自材料剛度進(jìn)行彎矩分配，通過(guò)計(jì)算板樁的最大彎矩Mc max，設(shè)計(jì)板樁配筋面積As，從而完成坑中坑擋土支護(hù)設(shè)計(jì)。

　　實(shí)踐證明，本工程現(xiàn)場(chǎng)檢查變形量滿(mǎn)足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，坑中坑支護(hù)自身穩(wěn)定較好，板樁沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，坑中坑支護(hù)底部沒(méi)有出現(xiàn)涌土現(xiàn)象。

　　基金項(xiàng)目

　　浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目“預(yù)制混凝土構(gòu)件在臨時(shí)施工設(shè)施中的應(yīng)用與研究”(2018K135)

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