HUC组合钢板桩在深基坑支护中的应用研究

汤明明

(浙江恒跃建设管理有限公司,浙江 嘉兴 314300)

0 引言

深基坑支护既要保证基坑开挖安全,又要确保周围环境安全。传统基坑支护形式经常受开挖场地大小的限制,无法适用于特殊情况的基坑施工场地[1]。钢板桩作为一种绿色建筑材料,适用于狭小施工场地。但常规钢板桩的抗弯刚度较小,施工垂直度难以控制,不适用于深基坑支护[2]。随着工程技术的不断提高,钢板桩在形式上衍生出了新型组合钢板桩,例如:钢管与钢板桩组合、H型钢和U型钢板桩组合、HSW组合钢板桩等等[3]。H型钢和U型钢板桩组合(即HUC),它不仅继承了钢板桩的优点,也解决了常规钢板桩刚度不足的问题,同时止水效果较好。另外,HUC组合钢板桩的钢材重复利率高,在环境保护方面有突出的优势,将HUC组合钢板桩应用于深基坑支护中具有重要意义[4]。基于此背景下,本文对HUC组合钢板桩的实际应用进行研究,为后期同类基坑工程支护结构提供参考。

1 工程案例

1.1 工程概况

某广场工程项目位于嘉兴市南湖区,整个地块为商业用地性质,该广场建成后为人们提供一站式娱乐服务。项目地上总建筑面积161 328.585 m2,包括公寓、五星级酒店及办公楼;地下总建筑面积35 085 m2,包括地下车库、步行街两层。项目离周边构筑物距离很近,并且地下环境比较复杂,基坑形状为矩形,周长约为556 m,长约为210 m,宽约为70 m,最大开挖深度达到8.2 m,基坑周边施工空间范围较小。

1.2 工程地质及水文地质

根据地质钻探报告,场地所处地貌为浙北平原区,土层岩性以杂填土、粉土、粉质黏土、砂土为主。根据土质情况,本工程基坑开挖范围内的主要土层分布为:①杂填土,物质成分杂乱,由砖块、混凝土块、碎石等组成,全场分布,厚度0.3 m～0.8 m。②粉土,矿物有石英、长石及云母等,由粉粒和黏粒组成,为高压缩性软土,全场分布,层厚3.2 m～5.8 m。③粉质黏土,矿物有云母、煤屑、氧化物、粉土等,局部地区有粉土,为高压缩性软土,全场分布,层厚4.7 m～22.7 m。④砂土,主要有石英、长石及云母,并夹带粉土、粉质黏土,全场分布,厚度13.8 m～20.2 m。基坑各土质根据现场取样,测试得出物理力学参数结果,如表1所示。

表1 基坑土质物理力学性质指标

场地属河流冲积和湖沼淤积平原地貌单元,地下水类型主要为上层滞水,下部承压水。上层滞水赋存于杂填土和粉土中,水量不大,主要受大气降水补给。裂隙承压水赋存于粉质黏土和砂土中,水量较大。初见水位埋深为0 m～6.4 m,稳定水位埋深为0 m～6.6 m。

2 深基坑支护方案

从面积和挖土量来看,基坑开挖规模大,并且开挖深度深,对基坑支护结构的变形控制要求较高。基坑支护结构不仅要受力均匀合理,更要节省施工成本。起初考虑选用SMW工法桩方案,虽然SMW工法桩满足该场地地层和基坑开挖深度的要求,但场地距离周边构筑物距离很近,无法正常运行三轴水泥搅拌桩机[5]。另外,场地周边地下环境复杂,地下管线较多。因此,该项目基坑支护结构决定选用垂直支护。目前,拉森钢板桩属于常用桩型,具有造价低、工期短等优势。但该项目基坑最深处约为8.2 m,拉森钢板桩桩身侧向刚度较小,并且钢板较薄,容易被撕裂。因此,综合工程概况及场地周边环境条件,拉森钢板桩不适合在该项目中使用。

经工程设计并通过专家论证,该基坑采用HUC组合钢板桩方案。HUC组合钢板桩属于预制成品桩,它由H型钢和U型钢板桩组成,H型钢增加了支护墙体的侧向刚度,U型钢板桩又可以用来止水、止泥,取代了SMW工法中的三轴搅拌桩[6]。同时,H型钢较厚,地层适应性好,可采用大功率的振动锤施工。从功能上看,HUC组合钢板桩不仅环保,又提高了施工速度,是该工程深基坑支护的最佳选择。HUC组合钢板桩钢材强度为Q235,H型钢和U型钢板桩间隔布置,间距1 600 mm。H型钢为700 mm×300 mm×13 mm×24 mm,桩长15 m;U型钢板桩宽1 600 mm,长度为12 m。在桩顶以下1 m处设置一道内支撑,确保安全,围檩和支撑件材料都选择为混凝土。为了使钢板桩满足承载力极限状态要求,需对支护结构的截面承载力计算,具体内容包括整体稳定性验算、嵌固深度构造验算、抗倾覆稳定性验算、抗隆起验算、抗渗流稳定性验算、抗滑移稳定性验算,计算结果如表2所示。

表2 支护结构截面承载力计算结果

由承载力计算结果与规范要求对比可知,该基坑支护的安全系数均满足施工安全要求。HUC组合钢板桩结构剖面图如图1所示。HUC组合钢板桩长度偏差不大于±10 mm,垂直度偏差不大于1/150,两端标高差不大于20 mm,支撑水平轴线偏差不大于30 mm,施工桩底标高偏差不大于-30 mm。

3 HUC组合钢板桩在深基坑支护中的应用

3.1 HUC组合钢板桩的受力原理

HUC组合钢板桩是将H型钢桩和U型钢板桩进行组合,以提高界面参数,节省基坑支护钢材用量。为保证HUC组合钢板桩具有一定的施工灵活度,通过两者之间圆管和圆钢的锁扣连接,间距为5 mm,锁扣采用自身密贴防渗。HUC组合钢板桩在工作过程中,变形初期锁扣之间完全没有接触,单个的H型钢桩和U型钢板桩作为支护体系。两者在受到水土压力的作用时,由于刚度不同,H型钢桩和U型钢板桩的变形不一致,此时,锁扣之间才会产生摩擦力。由于外侧水土压力的不断增大,两者的变形会进一步的变大,锁扣之间摩擦力也不断增大。当摩擦力增大到一定程度时,锁扣之间被认为是固定在一起,此时,HUC组合钢板桩被视为一个整体,中性轴处于组合钢板桩的截面中心位置。

3.2 HUC组合钢板桩施工设备

HUC组合钢板桩施工设备包括履带吊、导向架及高频振动锤[7]。1)履带吊,选用500 kN履带吊,场地作业面能保证履带吊8 m站机位置即可。2)导向架。导向架作为HUC组合板桩施工的核心设备,它是施工精度、支护垂直度的关键。导向架的重量不能过轻,一般高度为3 m～3.5 m。3)高频振动锤[8]。高频振动锤与履带吊配合使用,在打桩时,将H型钢及U型钢板通过导向架插入土层;在拔桩时,将H型钢及U型钢板从土层内拔出。

3.3 HUC组合钢板桩成桩

为保证施工质量,施工人员应严格按照相关要求进行施工。1)H型钢桩施打。当H型钢桩通过导向架时,切忌大幅度晃动,确保H型钢桩的稳定性。首先,H型钢桩依靠桩体自重下沉,待无法下沉后,依靠振动锤进行振动下沉,速度控制在2 m/min～3 m/min,同时,下沉过程要保证滑轮面与H型钢桩接触并不停转动。2)U型钢板桩施作。H型钢桩一次施打4根～6根为一组,当一组H型钢桩施工完成后,对U型钢板桩的圆钢进行切割斜角、润滑等处理,然后进行U型钢板桩的插入施工,待U型钢板桩两端对入锁扣后,U型钢板桩依靠桩体自重下沉。在此期间,应对吊机进行有效调整,保证U型钢板桩能够自由通过导向架入土。当U型钢板桩入土一定深度后,U型钢板桩还可以依靠自身重量进行沉桩,待无法下沉后,再利用沉桩机进行控制沉桩,同理,U型钢板桩施作也是采取一组4根～6根的方式进行。3)转角桩和封闭桩控制。在HUC组合钢板桩施工中,转角桩和封闭桩的施工非常关键。通常情况下,应提前预测锁扣搭接情况,并做好转角的角度计算,然后对转角桩和封闭桩进行特殊定制。当一组HUC组合钢板桩施工完毕后,进行下一组施工,依次类推,循环作业。

3.4 HUC组合钢板桩拔桩

当基坑开挖、地下构建物施工、基坑回填完毕后,按照先拔U型钢板桩、后拔H型钢桩的顺序,对HUC组合钢板桩进行拔桩。当HUC组合钢板桩拔除后,及时做好空隙回填工作。

4 基坑现场监测分析

为保障HUC组合钢板桩支护基坑的安全稳定,根据基坑安全等级和设计文件要求,制定了基坑监测方案。在基坑施工过程中,监测点布置按照监测方案执行。从HUC组合钢板桩支护完成后,即开始进行实施监测,整个监测过程历经5个阶段:阶段1为支护施工完成、阶段2为实施初步开挖、阶段3为开挖至1 m深度并设置内支撑、阶段4为开挖至3 m深度、阶段5为开挖至设计深度。监测内容包括支护结构顶部位移、基坑四周地表水平位移、基坑四周地表沉降。由于该工程基坑长约为210 m,宽约为70 m,是典型的长边矩形形式,会存在基坑的长边效应,因此,选取基坑长边跨中的监测点,作为典型监测数据进行分析。

4.1 支护结构顶部水平位移监测

按照监测方案进行监测,得出支护结构水平位移数据,选取基坑长边跨中监测数据为分析对象,绘制每个阶段的水平位移图,如图2所示。

对图2进行分析得知,随着基坑逐渐开挖,支护结构顶部水平位移不断发展。阶段1的支护结构顶部水平位移是由桩身自重、土体的初始应力、施工机械振动等因素引起的,最大位移集中在桩身顶部。阶段2的支护结构顶部水平位移是由基坑开挖后,未设置内支撑,支护结构内侧主动土压力消失引起的,相当于悬臂状态,支护结构没有约束和支撑。阶段3的支护结构顶部水平位移开始变小,主要是内支撑系统的成型,对支护结构起到了约束作用,最小位移位于桩身底部。阶段4的支护结构顶部水平位移进一步加大,位置位于桩身顶部,但位移扩大速率明显减缓,证明内支撑的作用抑制了支护结构的变形。阶段5的支护结构顶部水平位移达到15.18 mm,位移发展明显减缓。该项目基坑最大开挖深度达8.2 m,水平位移不能大于基坑挖深的0.004倍,即32.8 mm,符合要求。

4.2 基坑四周地表水平位移监测

按照监测方案进行监测,得出基坑四周地表水平位移数据,选取基坑长边跨中监测数据为分析对象,绘制每个阶段的基坑四周地表水平位移图,如图3所示。

对图3进行分析得知,随着基坑逐渐开挖,基坑四周地表水平位移也在随之增大。从阶段1至阶段5,基坑四周地表水平位移与支护结构顶部水平位移变化一致,最大地表水平位移出现在阶段5,水平位移达到15.24 mm,符合要求。此外,基坑具有坑角效应,通常情况下,基坑角部的水平位移会较小。

4.3 基坑四周地表沉降监测

按照监测方案进行监测,得出基坑四周地表沉降数据,选取基坑长边跨中监测数据为分析对象,绘制每个阶段的基坑四周地表沉降图,如图4所示。

对图4进行分析得知,随着基坑逐渐开挖,基坑四周地表沉降呈现阶段性变化。阶段1对地表沉降基本没有影响。从阶段2开始,基坑四周地表发生较大的沉降。阶段3与阶段2类似,设置内支撑对基坑四周地表沉降影响不大。阶段4基坑四周地表沉降继续加大。阶段5基坑四周地表沉降趋势与阶段4相同,沉降最大值出现在支护桩墙后3.5 m处,为7.28 mm。按照基坑规范要求,该工程基坑四周地表沉降深度红线为12.3 mm,符合要求。

5 结论

HUC组合钢板桩的刚度较大,适用于深基坑支护工程。以嘉兴市南湖区某广场工程项目为例,对HUC组合钢板桩的应用进行了分析总结,得出以下结论:

1)对于周边环境受限的深基坑场地,可以选用HUC组合钢板桩方案,凭借其独特的特点,保证深基坑支护施工的质量、进度、安全效益。2)HUC组合钢板桩的受力与其自身的结构特点有关,主要是依靠锁扣之间的摩擦力来实现。当锁扣完全锁死,摩擦力即达到了极限,此时,H型钢桩和U型钢板桩被视为一个整体,中性轴不再移动。3)从基坑开挖的5个阶段,对现场监测数据进行了分析,得出支护结构顶部最大水平位移为15.18 mm、基坑四周地表最大水平位移为15.24 mm、基坑四周地表最大沉降值为7.28 mm,均满足基坑规范要求,支护效果良好。