深基坑开挖过程中钢围堰-土相互作用机理研究

毛学墙

(中铁十五局集团有限公司,上海 200070)

0 引言

建筑基础所处地质条件和周围环境的不同,决定了基坑开挖围护结构的形式多种多样,如放坡开挖、土钉墙、拉森钢板桩、混凝土内支撑、重力式水泥土挡墙和地下连续墙等。对于深度较大、地下水位较高的基坑,钢板桩围堰支护结构是一种更为便捷、经济和安全的支护方式[1-2]。但钢围堰支护结构力学特性受开挖过程中土压力变化的影响,合理开挖和支护才能保证深基坑稳定。因此,研究开挖过程中钢围堰与土体相互作用机理具有重要意义。

钢板桩围堰技术广泛应用于深基坑开挖支护中。张建民等[3]依托实际工程对深水基坑钢围堰稳定性进行了验算,保证基坑开挖和支护过程安全。对于河岸存在倾斜裸露岩床处基坑施工,王新荣[4]提出采用水中爆破倾斜岩石,然后再围堰后桩的施工方法,此方法对同类工程施工具有一定的借鉴意义。对于重黏土特殊地层,钢板桩面临不易插打巨大问题,陈士忠[5]针对此特殊地层围堰钢板桩插打方法进行了研究,研究表明,首先通过螺旋钻机引孔钻至钢板桩桩底上3.00m处,再插打钢板桩可加快钢板桩围堰支护施工。对于细卵石与粉砂岩互层地层,钢板桩插打困难,李光均[6]针对此特殊地层围堰钢板桩插打方法进行了研究,研究表明,首先通过旋挖钻引孔置换特殊土层为黏土,再插打钢板桩入黏土可加快钢板桩围堰支护施工。曹雪山等[7]通过研究深基坑支护钢支撑轴力变化规律,提出对钢支撑预加轴力方法,可有效改善钢支撑和地下连续墙受力变形。对于室外开挖的深基坑工程,高低温会引起基坑内支撑温度变形,进而引起基坑滑塌事故,金亚兵等[8]提出弹性抗力法考虑温度变形对内支撑的影响,并研发了相应的智能预警平台。基坑开挖会对支护和边坡稳定产生影响,居玥辰等[9]利用最小势能建立了基坑开挖下支护结构水平变形模型,并与实际基坑开挖工程监测数据进行对比验证模型的正确性。随着高层建筑的施工,基坑深度规模越来越大,窦锦钟等[10]研究表明,在深基坑支护过程中减小斜撑间距可有效限制基坑变形,增加基坑开挖的稳定性。

1 深基坑钢板桩围堰支护系统

1.1 工程与地质概况

1)工程概况 本项目为高层建筑,地处城市区域。采用筏板基础,基坑开挖尺寸为36.00m×22.00m,基坑深度为5.20m,如图1所示。

图1 基坑开挖尺寸示意

2)地质概况 地质详勘表明,深基坑处地层从上到下依次为杂填土、黄土、粉细砂、中粗砂、粉质黏土、细砂土层,根据岩土施工工程分级基坑开挖地层属于Ⅱ级普通土。深基坑处各地层物理力学参数如表1所示。

表1 深基坑处地质情况

1.2 钢板桩围堰支护设计

本项目为深基坑开挖工程,地处市区中心,为了保证施工时对附近建筑的保护及防止地下水对工程施工造成影响,基坑的施工及支护选择尤为重要。根据本工程场地地质情况特点,采用钢板桩围堰支护结构。钢板桩能有效稳固基坑边坡,还能隔绝地下水渗入,保证深基坑开挖安全。本基坑支护采用的钢板桩为拉森钢板桩,其断面形状和截面尺寸参数如图2和表2所示。

表2 钢板桩截面尺寸参数

图2 钢板桩截面

本深基坑围堰支护布置如图3所示,钢板桩沿基坑四周连续布设形成封闭的帷幕,根据规范要求,钢板桩入土深度≥1/3桩长。则拉森钢板桩最小尺寸为5.20÷(1-1/3) = 7.80m。本基坑工程选择长度为9.00m的FSP-Ⅳ钢板桩,满足要求。因此,本基坑深度h= 5.20m,钢板桩嵌固深度为3.80m。由JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》[11]可知,本深基坑支护结构安全等级为二级,支护结构重要性系数γ0= 1.00。

图3 本深基坑围堰支护布置

2 钢板桩变形模型

土压力模型分别采用弹性法和经典法,如图4所示。土压力模型的调整系数如表3所示。钢板桩为连续结构,其每延米截面参数为:面积Am为236.00cm2,惯性矩Im为39 600.00cm4,抗弯模量Wm为2 200.00cm3。钢板桩的许用抗弯强度[σ] = 215.00MPa。

表3 土压力模型调整系数

图4 土压力模型

3 开挖深度(土压力)对钢板桩力学特性影响

深基坑开挖过程会对钢围堰产生扰动,随着开挖深度的增加,基坑边坡土压力和钢围堰力学特性也会随之变化。本基坑采用3步施工流程,第1步是先从地表开挖至1.20m深度(工况1);第2步是开挖至1.20m后在0.85m处加撑(工况2);第3步是开挖至5.20m深度(工况3),研究开挖深度(土压力)对钢围堰钢板桩力学特性的影响规律。

3.1 工况1对钢板桩力学特性影响

基坑开挖至1.20m时钢板桩的力学特性如图5a所示。采用弹性法计算,由图可知,当从地表开挖至1.20m时,随着开挖深度增加,土体向基坑内滑动,钢板桩顶端向基坑内侧变形,钢板桩弯矩和剪力呈“S”形分布,钢板桩顶端位移最大为0.79mm;钢板桩桩身最大弯矩为9.14kN·m,位于桩身约6.00m处,向基坑外侧;钢板桩桩身最大剪力为11.94kN,位于桩身约4.50m处,向基坑内侧。这主要是由于弹性法将钢板桩等效为悬臂结构,基坑开挖后基坑外侧土体内力重分布,土体向基坑内滑动引起钢板桩弯曲变形。采用经典法计算,由图可知,当从地表开挖至1.20m时,钢板桩位移不发生变形,其弯矩和剪力均为0。

图5 基坑开挖至不同深度时钢板桩力学特性

3.2 工况2对钢板桩力学特性影响

基坑开挖至1.20m后在0.85m处加撑时钢板桩的力学特性如图5b所示。由图可知,当开挖至1.20m后在0.85m处加撑时,采用弹性法和经典法计算,加横撑对钢板桩位移、弯矩和剪力无影响。这主要是加设横撑时,基坑外侧土体压力未重分布,基坑外土体对钢板桩压力恒定不变。

别名红棉花、英雄树花、广州市花。为木棉科植物木棉的花。分布于广东、广西、福建、台湾、海南、云南和四川南部等地，中国的广州、珠海、昆明、深圳、泉州、福州、厦门等地都有种植，广泛种植于华南、台湾、中印半岛及南洋群岛，印度、中南半岛、马来西亚至热带澳洲均有。

3.3 工况3对钢板桩力学特性影响

基坑开挖至5.20m时对钢板桩的受力特性如图5c所示。采用弹性法计算,当继续开挖至设计深度5.20m时,随着开挖深度的增加,钢板桩位移、弯矩和剪力呈“S”形分布,桩身最大位移为4.67mm,桩身最大弯矩为71.00kN·m,位于桩身3.00m处,向基坑内侧变形;桩身最大剪力为56.71kN,位于桩身约4.65m处。这主要是由于钢板桩顶端加设横撑,钢板桩等效为一端简支和一端嵌固的梁结构。随着开挖深度的增加,土体向基坑内滑动,土体压力重分布,钢板桩外侧受到土体压力进一步增加。为保证基坑开挖稳定,可将钢板桩顶端横撑间距减小,并在最大位移处向土体内打设锚杆约束钢板桩向基坑内变形,减少钢板桩变形量。采用经典法计算,由图可知,当继续开挖至设计深度5.20m时,由于钢板桩顶端加设横撑,钢板桩等效为一端简支和一端嵌固的梁结构,钢板桩位移为0;桩身最大弯矩为55.96kN·m,位于桩身约3.00m处,向基坑内侧变形;桩身最大剪力为63.08kN,位于桩身约4.65m处,向基坑内侧变形。

安全等级为二级的基坑,其围护结构许用最大位移[f] = 15.00mm[11],钢板桩的许用弯矩[M] = 75.44kN·m,钢板桩的许用剪力[Fτ] = 72.72kN,综上可知,采用弹性法和经典法计算的位移、弯矩和剪力均满足规范要求。

3.4 地表沉降分析

深基坑开挖时,最大开挖深度(最大土压力)下基坑周边地表沉降最大,为最不利开挖工况。基坑最大开挖深度(最大土压力)下地表沉降量随距基坑边距的变化如图6所示。由图可知,采用三角法和指数法,随着距基坑边距的增加,地表沉降量逐渐减小直至消失,而采用抛物线法计算的地表沉降量随着距基坑边距的增加先增加后减小直至消失。采用三角法和指数法,地表沉降量最大值均位于基坑边缘;而采用抛物线法,基坑边缘沉降量为0,地表最大沉降量位于基坑边缘外侧。地表许用最大沉降量[fe] = 10.00mm,采用三角法(9.00mm)、指数法(13.00mm)和抛物线法(7.00mm)计算的地表最大沉降量基本上满足规范要求。

图6 地表沉降量随距基坑边距的变化

4 钢围堰支护力学特性数值模拟研究

通过以上分析可知,深基坑开挖支护过程中,开挖至设计深度5.20m时钢围堰外侧受到的土体压力最大为最不利工况。因此,为保证施工安全,按最不利工况进行深基坑钢板桩围堰支护力学特性数值模拟计算。采用有限元软件建立数值模型,钢围堰支护尺寸为36.00m×22.00m,钢板桩长度为9.00m,钢板桩采用板单元进行模拟,其网格与荷载分布如图7所示。腰梁及支撑采用双拼H350×350×12×19型钢,根据钢板桩在施工过程中的最不利工况,腰梁受到的最大土压力q= 47.8kN/m。

图7 钢围堰支护数值模型

4.1 钢板桩力学特性分析

钢板桩应力与位移云图如图8所示。由图8a可知,在基坑开挖至5.20m时,土压力作用于钢板桩,钢板桩围堰整体正应力较小,钢板桩正应力主要介于40 ～ 60N/mm2,并且主要分布于钢板桩顶端;最大正应力为96.69N/mm2,远小于钢板桩许用正应力[σ] = 215.00N/mm2,并且最大正应力分布区域不明显,主要集中于围堰边角处。由图8b可知,钢板桩围堰整体变形较小,钢板桩变形主要介于1.12 ～ 3.92mm,并且主要分布于钢板桩顶部到向下1/3长度局部区域,最大位移(3.92mm)位于钢板桩顶部向下1/3处,即3.00m位置,这与3.3节弹性法和经典法研究结果一致;弹性法计算的最大位移(4.67mm)与模拟结果(3.92mm)基本吻合;另外,钢围堰整体最大变形量为6.16mm,远小于许用变形量[f] = 85.00mm,满足刚度要求,并且最大变形分布区域不明显。

图8 钢板桩应力与位移云图

4.2 内撑力学特性分析

内撑轴力与弯矩云图如图9所示。由图9a可知,钢围堰角部内侧斜撑轴力最大,平撑轴力次之,钢围堰角部外侧斜撑轴力最小;钢围堰受到的最大轴力为1 001.45kN。由图9b可知,钢围堰横撑弯矩最大,钢围堰角部外侧斜撑弯矩次之,钢围堰角部内侧斜撑弯矩最小,平撑受到的最大弯矩为 30.47kN·m, 并且钢围堰内撑弯矩以钢围堰对称轴呈对称分布。由此可知,在实际工程中可增加内撑数量或缩小内撑间距,改善内撑受力。

图9 内撑受力云图

平撑的回转半径ix=219.2mm,面积A=3.5×104mm,计算长度l0=22 000mm,轴力N=829.50kN,最大弯矩为Mmax=30.47kN·m,λx=l0/ix= 100.36,属于b类截面,稳定性系数φ=0.555-[(100.36-100)/(101-100)]×(0.555-0.549)=0.552 84,βmx=1.00,γx=1.15,Nex=π2EA/(1.1λx) = 3 778.42kN,N/φxA+βmxMx/γxW1x(1-0.8N/NEx)=47.05N/mm2<[σ]=215.00N/mm2,平撑满足稳定承载力的要求。

4.3 钢腰梁力学特性分析

钢腰梁力学位移与应力云图如图10所示。由图10a可知,腰梁长边中部和中部邻近两侧弯矩最大,并且弯矩沿对称轴对称分布,并沿腰梁长边中部两侧依次减小;腰梁受到的最大弯矩为±33.79N/mm2,小于最大许用抗弯强度[σ]=215N/mm2。由图10b可知,腰梁长边邻近中部两侧剪力最大,角部剪力最小,腰梁中部剪力为0,并且剪力沿对称轴对称分布;腰梁受到的最大剪力为±23.37N/mm2,小于最大许用剪切强度[τ]=120N/mm2,结果表明钢腰梁结构满足弯曲和剪切强度要求。

图10 钢腰梁弯曲应力和剪切应力云图

5 结语

钢围堰的力学特性受土体压力影响,深基坑开挖过程中土体压力变化对基坑和支护结构的稳定性具有重要影响。本文依托深基坑开挖支护工程,首先研究了基坑开挖中土体压力(深度)变化对钢围堰钢板桩变形、弯矩和剪力的影响,揭示了钢板桩与土体相互作用机理;然后分析了最不利开挖深度(最大土体压力)下基坑周边地表沉降变化规律;最后通过数值模拟研究了最不利开挖深度(最大土压力)下钢围堰支护结构的力学特性。研究得到如下结论。

1)内撑对钢围堰的变形能起到有效的约束作用,对于土体侧压力较大的深地基,可通过增加内撑数量或减小内撑间距增强围护结构强度和刚度。

2)开挖过程中土体压力会引起钢围堰钢板桩中部向基坑内弯曲,可在钢围堰钢板桩最大弯曲变形处向土体内打设锚杆约束钢围堰钢板桩的变形,保证钢围堰和基坑稳定。

3)在最不利开挖深度(最大土压力)下,基坑周边地表最大沉降量基本上满足规范要求,可保证基坑开挖稳定。

4)在最不利开挖深度(最大土压力)下数值结果表明,钢围堰支护系统强度和刚度均满足规范要求。