中厚板二期轧机基础深基坑支护

曹淋琨

(三钢冶金建设公司 福建三明 365000)

中厚板二期轧机基础深基坑支护

曹淋琨

(三钢冶金建设公司 福建三明 365000)

本文采用郎肯土压力计算模型对型钢桩横档板悬臂式基坑支护结构在粘性土和砂砾土层中计算，并简单分析位移理论值与实测值之间误差原因。

基础；型钢桩横挡板；悬臂式；开挖；支护

E-mail:iamyezhi@163.com

1 工程概况

三钢集团中厚板轧钢工程二期轧机基础位于中板生产线工艺流程中段，是影响中厚板产品质量的关键部位。该基础长9m、宽8.6m，标高变化大，含-1.0、-1.4、-4.0多个标高层，预留设备孔洞、预埋件多，土建施工较为复杂。通过图纸、规范学习结合施工施工现场施工工艺，对本人专业知识系统学习有很大帮助。

2 基础支护选型

该厂房内生产线工艺流程为纵向发展方向，受厂房柱列及周边建筑物、设备基础等影响，且施工期间附近设备处于生产状态，基础无法放坡开挖。由于中板二期轧机基础持力层设计位于砂砾土层上(详见土层参数表，施工区域上层为黏土厚度4m下层为砂砾厚度6m)。根据规范定义该基础属于危险性较大的分部分项工程范畴，需考虑支护方案及安全应急措施。

为了确保施工的质量及施工安全，根据规范要求：开挖深度虽未超过5m，但地质条件、周围环境和地下管线复杂，或影响毗邻建筑(构筑)物安全的基坑(槽)的土方开挖、支护工程，需进行安全性验算。施工时土方开挖的顺序、方法必须与设计要求相一致，并遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则。基坑边界周围地面应设排水沟，对坡顶、坡面、坡脚采取降排水措施。

结合该基础标高变化大、地下水位低、土质、周边原有建构筑物及施工周期、施工成本等影响因素，采用型钢桩横挡板支撑结构。施工前考虑到基础开挖较深，且地下水位较高，为了避免降水造成局部引测点沉降导致最后设备标高错位无法对接，需将轧机轴线做多点定位，引测点距离基坑10m。同时在四周建构筑物上设沉降观测点4个，施工期间每天早晚各观测一次，便于及时发现问题避免因基础施工对周边建构筑物产生影响导致影响生产、同时考虑到设备可能对支护结构产生不利因素 ，需对型钢支护桩进行垂直度观测。

图1 型钢桩横挡板支护结构俯视图

3 型钢桩横挡板支撑模型计算

型钢桩横挡板支撑属于悬臂式围护结构，其结构特征为：无支撑的悬臂围护结构；受力特征为：利用支撑入土的嵌固作用及结构的自身的抗弯刚度挡土及控制变形。

对于无支撑的悬臂围护结构，其压力分布为主动土压力，是三角形分布；被动土压力也是三角形分布。其验算内容有：①嵌固深度(防倾覆)。②结构强度。

当确定悬臂式及单支点支护结构嵌固深度设计值(构造要求)hd小于0.3h时，宜取hd=0.3h[1]。

h：基坑开挖深度；

表1 基本参数

表2 土层参数

(一级基坑支护结构基地位移一般不大于30mm或0.25%基坑深度，本次验算取15mm。根据经验对于粉粘土层当悬臂式支护结构最大位移达30mm时可能出现土体裂缝，超过40mm则往往裂缝明显，给人不安全感，也可能造成地表水渗入裂缝影响土体稳定)。

土层参数：

荷载参数：查找历史资料，将周边设备基础荷载转换为条形局部荷载3.5Kpa，据支护边缘a=2m，分布宽度b=2m。

参数说明：

qn:地面荷载传递到第n层土底面的垂直荷载。

γi:第i层土的重度。hi:第i层土的厚度。

Ψn:第n层土内摩擦角。Cn:第n层土内聚力。

υ：悬臂桩嵌固末端水平位移

图2 土压力分布示意图

图3 附加荷载示意图

3.1 主动土压力计算

1)主动土压力系数

Ka1=tan2(45-ψ/2)= tan2(45-18/2)=0.528；

Ka2= tan2(45-ψ/2)=0.528；

Ka3= tan2(45-ψ/2)= tan2(45-35/2)=0.271；

2)土压力、地下水产生的水平荷载

第1层土：0-0m (H1荷载影响深度；h基坑开挖深度)；

H1'=[∑γ0h0+∑q1]/γsati=[0+2]/20=0.10m

Pak1上=γsat1H1'Ka1-2c1Ka10.5=20×0.10×0.528-2×10×0.5280.5= -13.48kN/m2

Pak1下=γsat1(h1+H1')Ka1-2c1Ka10.5=20×(0+0.10)×0.528-2×10× 0.5280.5= -13.48kN/m2

第2层土：0-4m ； (基坑开挖深度)

H2'=[∑γ1h1+∑q1]/γsati=[0+0]/20=0m

Pak2上=γsat2H2'Ka2-2c2Ka20.5=20×0×0.528-2×10×0.5280.5= -14.53kN/m2

Pak2下=γsat2(h2+H2')Ka2-2c2Ka20.5=20×(4+0)×0.528-2×10× 0.5280.5=27.71kN/m2

第3层土：4-8m ；(坑底到桩尖高度，及悬臂桩埋深)

H3'=[∑γ2h2+∑q1+∑qb/(b+2a)]/γsati=[40+0+1.167]/22=1.87m

Pak3上=γsat3H3'Ka3-2c3Ka30.5=22×1.87×0.271-2×10×0.2710.5=-5.5kN/m2

Pak3下=γsat3(h3+H3')Ka3-2c3Ka30.5=22×(4+1.87)×0.271-2X10X0.2710.5=18.34KN/m2

3)水平荷载 :

临界深度：Z0=Pak2下Xh2/(Pak2上+ Pak2下)=27.71×4/(27.71+14.53)=2.62m；(模型应力为零处深度)

第1层土 Eak1=0kN；

第2层土

Eak2=0.5Pak2下Z0ba=0.5×27.71×2.62×0.5=18.15kN；

(荷载等效计算)

aa2=Z0/3+∑h3=2.62/3+4=4.87m；

第3层土

Z3=Pa3下×h3/(Pa3上+Pa3下)=3.08

Eak3=0.5Pak3下Z3ba=0.5×18.34×3.08×0.5=14.12kN；

aa3= Z3/3 =1.03m；

土压力合力：

Eak=ΣEaki=0+18.15+14.12=32.27kN；

合力作用点：aa=Σ(aaiEaki)/Eak=(0×0+18.15×4.87+14.12×1.03)/32.27=3.19m；

3.2 被动土压力计算

1)被动土压力系数

Kp1= tan2(45+ψ/2)= tan2(45+35/2)=3.69；

Kp2= tan2(45+ψ/2)= 3.69；

2)土压力、地下水产生的水平荷载

第1层土：4-4m

H1'=[∑γ0h0]/γsati=[0]/22=0m

Ppk1上=γsat1H1'Kp1+2c1Kp10.5=22×0×3.69+2×16×3.690.5=61.47kN/m2

Ppk下=γsat1(h1+H1')Kp1+2c1Kp10.5=22×(0+0)×3.69+2×16× 3.690.5=61.47kN/m2

第2层土：4-8m

H2'=[∑γ1h1]/γsati=[0]/22=0m

Ppk2上=γsat2H2'Kp2+2c2Kp20.5=22×0×3.69+2×16×3.690.5=61.47kN/m2;

Ppk2下=γsat2(h2+H2')Kp2+2c2Kp20.5=22×(4+0)×3.69+2×16×3.690.5=386.19kN/m2

3)水平荷载

第1层土

Epk1=bah1(Pp1上+Pp1下)/2=0kN；

ap1=h1(2Pp1上+Pp1下)/(3Pp1上+3Pp1下)+∑h2=0=4m；

第2层土

Epk2=bah2(Pp2上+Pp2下)/2=447.66kN；

ap2=h2(2Pp2上+Pp2下)/(3Pp2上+3Pp2下)=1.42m；

土压力合力：

Epk=ΣEpki=447.66kN；

合力作用点： ap=Σ(apiEpki)/Epk=1.42m；

3.3 基坑内侧土反力计算

1)主动土压力系数

Ka1=tan2(45-ψ/2)= tan2(45-35/2)=0.271；

Ka2=tan2(45-ψ/2)= 0.271；

2)土压力、地下水产生的水平荷载

第1层土：4-4m

H1'=[∑γ0h0]/γsati=[0]/22=0m

Psk1上=(0.2ψ12-ψ1+c1)∑h0(1-∑h0/ld)υ/υb+γsat1H1'Ka1[3]= 0kN/m2

Psk1下=(0.2ψ12-ψ1+c1)∑h0(1-∑h0/ld)υ/υb+γsat1H1'Ka1=0kN/m2

第2层土：4-8m

H2'=[∑γ1h1]/γsati=[0]/22=0m

Psk2上=0kN/m2；

Psk2下=(0.2ψ22-ψ2+c2)∑h1(1-∑h1/ld)υ/υb+γsat2H2'Ka2=(0.2×352-35+16) ×4×(1-4/4)×0.015/0.015+22×(0+4)×0.271=23.85kN/m2

3)水平荷载

第1层土

Psk1=b0h1(Ps1上+Ps1下)/2=0kN；

as1=h1(2Ps1上+Ps1下)/(3Ps1上+3Ps1下)+∑h2=4m；

第2层土

Psk2=b0h2(Ps2上+Ps2下)/2=23.85kN；

as2=h2(2Ps2上+Ps2下)/(3Ps2上+3Ps2下)= 1.33m；

土压力合力：

Ppk=ΣPpki=23.85kN；

合力作用点：

as= Σ(asiPski)/Ppk=1.33m；

Psk=23.85kN≤Ep=447.66kN

土体侧向承载满足要求。

4 稳定性验算

4.1 嵌固稳定性验算：(被动土矩/主动土矩)

Epkapl/(Eakaal)=447.66X1.42/(32.27X3.19)=6.18>Ke=1.2 满足要求！

5 型钢支护桩应力验算

图4 单根型钢桩受力等效图

I25a δmax=M/W=(18.15×4.87+14.12×1.03-23.85×1.33)×106/(1.05×402×103)=168.71<210N/mm2

τmax=2V/A=2×(18.15+14.12-23.85) ×1000/4850=3.42<125N/mm2满足要求

6 实测数据与计算值对比

经实测采用该方案型钢桩末端位移20.5mm，其中嵌固端最大位移13.1mm，悬臂部分最大位移7.4mm在安全经济范围内。将悬臂部分等效成悬臂梁三角形荷载模型及附图四土体等效荷载作用点进行计算，末端位移理论值约为f=ql4/8EI×(l1/l)=7.7mm[4](l1为悬臂端长度，l为等效土压力与嵌固端距离)，嵌固端最大位移理论值15mm。出现位移量比理论值小的主要原因是：朗肯土压力理论是从研究半无限大土体中一点的极限平衡状态出发，应用莫尔应力圆，推导出了极限应力的理论。为了满足土体的极限平衡条件，朗肯理论假定：墙是刚性、墙背垂直光滑、墙后填土表面水平。 由于朗肯理论忽略了实际墙背并非光滑并存在摩擦力的事实，使计算所得的主动土压力偏大，而计算所得的被动土压力偏小，因此朗肯理论也是偏安全的理论。

7 施工要点

因该技改项目在已建成厂房中进行，为节约成本同时方便施工，最后选用履带式液压打桩机进行型钢桩打桩施工。优势有三：①体积小，可由中板成品库大门驶入施工区域，无需铺设施工通道。②可由挖掘机改装，成本相对低，设备充足。③施工噪音小、震动小、不影响周边生产线正常工作。该设备由广州市九环工程机械有限公司改造。采用30t级别挖掘机原型改装，震动锤主要由五大部分组成：附臂总成、旋转连接总成、旋转连接吊架总成、箱体总成、夹具总成。其核心部分为震动液压锤，取自挖掘机液压系统液压通过专利技术安装变频液压管路。该设备输出能量大，工作速度快，同时采用液压监控装置，保护挖掘机主油泵。通过偏心块及主速液压电机产生正弦波壮垂直振动，再通过箱体底部夹具传递给受力型钢桩从而实现打桩或拔桩。施工范围为16m以内型钢桩。通过使用该设备，打桩工作在6个小时内完成，桩身垂直度在规范要求范围内，极大的提高了施工效率。

因型钢桩成品长度为6m，本工程在施工过程中需接桩。考虑到受压构件长细比，为避免施工中桩身弯曲在施工过程中接桩较科学，且需控制打桩速度。待先打入的6m型钢桩打入5m左右后，对型钢末端斜切割，并用打桩机夹具固定接长端后满焊拼接。

为了节约施工成本，增加型钢的使用周期可以在型钢应力较小处腹板开孔，待基础施工后便于使用打桩机夹具将型钢拔出。

在生产线附近进行技改升级的基坑开挖，应做好基坑支护，应受设备荷载影响大且施工过程中存在一定不确定因素，不可盲目凭经验施工，基坑支护方案设计时要留有一定安全余地。施工进度安排应合理、紧凑，避免基坑开挖后长时间放置，土体暴露期间若遇到大雨或剧烈震动易造成土体内聚力和摩擦角降低，支护结构主动土压力增大，被动土压力减小，造成安全隐患。根据地勘资料，选择合理的支护方案对工程造价有较大影响。施工过程需加强关键部位监测，确保施工安全。

依据郎肯土压力理论对型钢桩横档板悬臂式基坑支护结构进行验算，通过理论结合实际，本工程在不影响周边建构筑物及中板生产线安全生产情况下保证了施工质量和进度并取得较好的经济效益。

[1]JGJ120-2012,建筑基坑支护技术规程[S].

[2]江正荣，建筑施工计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社.2013.

[3]谢建明，施工现场设施安全设计计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社.2007.

[4]黄强，深基坑支护结构实用内里计算手册 [M].北京：中国建筑工业出版社.1995.

曹淋琨(1986.3- )，女，助理工程师，主要从事建筑工程施工方面的工作。

Middle thickness steel plate second phase rolling mill shoe foundation pit bolster

CAOLinkun

(Shangang metallurgy construct corporation, Sanming 365000)

Rankine's W.J.M. RankineW.J.M. Rankinesoil pressure calculate model and the calculate of cantalever merchant steel foundation pit bolster W.J.M. Rankine and sketchy ankyse the different parameter of theory and reality.

Foundation; Merchant steel foundation pit bolster; Cantilever; Excavate; Bolster

曹淋琨(1986.3- )，女，助理工程师。

2015-07-23

TU

A

1004-6135(2015)10-0064-04