基坑支护工程钢板桩+钢管支撑计算分析

谢 常

(广东省海洋地质调查院,广东 广州 510080)

1 工程概况

湛江水上运动中心二期基坑支护工程位于湛江市交通部南海救助湛江基地西南侧避风港内,属高层建筑群中的附属设施,为2层地下车库。基坑东南面靠近文东路,现有堆场和厂房；东北面靠近交通部南海救助湛江基地,现有2层、3层的建筑物；北面临近内海；西南面靠近观海路。基坑边线周长约1333.3m,设计基底标高-3.50m,塔楼区域基坑底面标高-4.50m,基坑开挖深度约为0～8.8m。基坑安全等级为二级。

2 工程、水文地质条件

2.1 工程地质条件

由于本基坑支护主要考虑基坑外侧水土压力,而勘察钻孔主要为场地内部为主,为此结合现场情况和周边环境条件对与基坑支护相关的地层分析讨论。

(1)杂填土：主要成分为粘性土混杂建筑垃圾、工业垃圾、碎石块等,属新近堆填。层厚2.00～9.00m。

考虑有部分回填土体和块石分布,本层土基坑设计参数取值建议值为：r=18.8kN/m3,c=10kPa,ψ=12°,τ=18kPa。

(2)淤泥：广泛分布,灰褐色、灰黑色,饱和,流塑。土层厚度0.30～7.90m。

淤泥的标贯击数为1～4击,标准值的c=5.3kPa,ψ=3.5°为基坑支护的淤泥推荐值。故本层淤泥土的基坑设计参数取建议值为：r=16.8kN/m3,c=5.3kPa,ψ=3.5°,τ=10kPa。

(3)粗砂：稍密,级配较好,局部粘粒含量较高。土层厚度0.60～4.30m。

本层砂层标贯击数为5～18击,含粘粒(小于0.075mm)的平均含量达到20%,故可对C值进行取值为2kPa,但由于标贯击数平均值为12击,属于稍密状态,综合考虑,本层砂土的基坑设计参数取值建议值为：r=19.0kN/m3,c=2.0kPa,ψ=22°,τ=45kPa。

(4)粗砂：广泛分布,稍密为主,局部中密或松散状,级配良好。土层厚度0.40～8.20m。

本层砂层标贯击数为5～26击,含粘粒(小于0.075mm)的平均含量达到20%,故对C值进行取值为2kPa,标贯击数平均值为14击,也属于稍密状态,综合考虑,本层土基坑设计参数取值建议值为：r=19.0kN/m3,c=2.0kPa,ψ=25°,τ=45kPa。

(5)粘土：各钻孔均揭示,很湿～湿,软塑～可塑,具水平薄层理,层面夹粉细砂,局部交杂较多薄层中砂。层厚4.30～22.10m。

本层标贯击数为2～14击,标贯击数平均值为6.7击,按照统计的标准值考虑各设计参数。勘察报告对本层土的基坑设计参数取建议值为：r=17.5kN/m3,c=16.9kPa,ψ=11.5°,τ=20kPa。

2.2 水文地质条件

本工程位于麻斜海湾西侧,麻斜海湾内潮流基本沿航道方向往复流动,属不规则半日潮型,年平均高潮位高程3.2m；年平均低潮位高程-1.9m；十年一遇高潮位3.80m(1956年黄海基面,下同),五十年一遇高潮位4.53m；百年一遇高潮位高程4.84m；最高风暴潮位高程5.28m,最低潮位高程-2.29m,最大潮差5.13m,平均潮差2.14m,平均海面高程2.20m。

3 支护结构计算分析

3.1 支护机构稳定性分析计算

因该基坑支护类型在现有设计和施工规范中均没有相同或类似的计算模型,因此针对该计算模型有如下分析。

(1)该支护形式与悬臂支护形式有类似的部分,基坑内侧钢管桩与钢板桩之间因中空,不属于严格意义上的双排桩支护,故按照等效的悬臂结构进行计算分析。

(2)由于基坑内部原为泥塘,特别是西北角,原状泥层厚4m。由此认为,钢板桩和钢管插入到基坑底面以下仍未形成可靠支点。按照基坑深度8m和本场地的基坑底面下的地层分布推算,基坑底面下7m处钢板桩和钢管仍不是固支状态。

(3)基坑在水平方向上,等效为钢板桩和钢管的组合形式,采用抗弯刚度等效的方式进行等效。

(4)等效后的水平刚度,通过竖向刚度系数可实现与竖向的刚度建立联系,采用基坑理正分析计算单元进行计算,将计算后的等效刚度作为钢板桩支护结构计算参数进行计算。

3.2 基坑的空间三维数值模拟分析计算(开挖深度6.5m)

(1)岩土地层：对于基坑外的岩土地层性质考虑约三倍基坑开挖深度即基坑外水平方向26m宽度范围；竖向深度岩土地层按照勘察钻孔资料的分层厚度确定；对于基坑沿坑边走向的边线方向取多跨且长度不少于20m；这样形成立体三维的空间实体计算模型；尽管岩土材料为非线性弹塑性材料,但考虑到土压力最终通过支挡结构构件与建筑结构发生联合作用,其允许的变形控制假定处在弹性限度范围内,为此对土压力的计算模型选用德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)模型。

(2)支护结构中的钢板桩,采用平面板单元建立模型,其板的厚度根据竖向桩的刚度按照等效刚度转换原则进行,即：换算厚度为h=0.17m。

(3)临时支撑采用梁单元建立模型,采用I36c工字钢,尺寸为：h=360mm,b=140mm,t=15.8mm。

(4)模型的计算分析为了尽量贴近实际,不采用静力分析而采用施工阶段分析,施工工况严格按照设计施工流程定义,包括基坑开挖、钢管的施工、内支撑施工等。

(5)Midas-GTS三维大型分析软件能够较好的模拟包括塑性、非线性、粘塑性、粘弹性等在内的多种非线性材料,本次分析的计算模型采用德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)模型,该模型能够较好的模拟包括岩石和土体在内的颗粒材料。

4 结论与建议

通过本文计算以及数值模拟,对施工参数进行优化,提出以下建议：①减少基坑开挖深度,可采用抬高地下室结构底板承台底标高的做法,减少基坑深度,实现减少基坑位移尤其是安全稳定性的要求；

②整体加固基坑底部淤泥,基坑底部为淤泥,流动性大且不稳定,为此应采用抛石挤淤等方法对基坑底部进行置换加固处理,使基坑底部能够形成刚度和强度较大的支点或支撑硬壳层,同时可增加钢板桩和钢管的竖向稳定性,增加竖向刚度和平面刚度；③控制基坑顶外周边施工荷载的大小和范围,周边道路和堆场尽量硬化或铺设钢板,减少荷载对基坑的影响；④钢板桩和竖向钢管之间的水平联系梁可增加,以增加竖向刚度影响系数,保证水平刚度的发挥,有利于控制位移。

该项目通过参考以上建议,对施工方案和主体方案重新进行调整,成功解决了该工程施工中遇到的技术难题,该工程得以顺利完工。

[1]胡凯山.扣件式钢管模板支撑架结构力学性能研究[D].浙江大学,2007．

[2]武亚军.基坑工程中土与支护结构相互作用及边坡稳定性的数值分析[D].大连理工大学,2003．