純H 型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在逆境下的創(chuàng)新用法

鄔喜春

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊(duì)，江蘇 南京211135)

0 引言

建筑基坑的支護(hù)方案根據(jù)工程實(shí)際情況選擇。常用的基坑支護(hù)方法有SMW 樁、土釘墻、鉆孔灌注樁、深層攪拌樁等[1]。

以南京江寧某基坑工程為例， 通過設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)際施工相結(jié)合， 分析一種純H 型鋼的基坑支護(hù)體系在硬質(zhì)土層中的各工況內(nèi)力、樁體變形、地表變形和穩(wěn)定性， 并對(duì)此種新的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系采用的新施工方法效果進(jìn)行評(píng)價(jià)， 為今后類似工程項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

該基坑項(xiàng)目位于南京市江寧區(qū)， 擬建構(gòu)筑物為地上20 層，框剪結(jié)構(gòu)，擬采用樁基。基坑整體近似于矩形，面積約4 150 m2，周長(zhǎng)約260 m?；娱_挖深度：工程±0.00 相當(dāng)于絕對(duì)高程+20.876，場(chǎng)地地面整平標(biāo)高±0.00 m， 基坑大部分開挖深度為10.71 m，局部坑中坑和承臺(tái)處挖深約為11.51 m。

1.2 基坑周邊環(huán)境

擬建項(xiàng)目基坑西南側(cè)已有一幢26 層建筑物，地下室一層，埋深約5.5 m，基礎(chǔ)形式為嵌巖樁基，已建地下室距本基坑外墻最近約1 m。

基坑?xùn)|側(cè)為市政道路，基坑距離路邊約13 m，紅線范圍內(nèi)有市政管線，但無壓力管線，管線距離地下室外墻最近處約7 m。

基坑南側(cè)為市政道路，基坑距離路邊約12.7 m，紅線范圍內(nèi)有市政管線，但無壓力管線，管線距離地下室外墻最近處約6 m。

基坑北側(cè)有一幢5 層建筑物， 地下室一層，埋深約5 m，基坑形式為大筏板基礎(chǔ)，已建地下室距本基坑外墻約11 m，大筏板有飛邊，筏板外延距離本基坑地下室外墻約9.5 m。

1.3 工程地質(zhì)概況

場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，擬建場(chǎng)地地貌單元為丘崗地貌。

（1）①層素填土。該層在場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度1.00～4.20 m。

（2）③層粉質(zhì)黏土。該層在場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度8.30～10.80 m，層頂標(biāo)高16.69～19.73 m。

（3）④層殘積土。在場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度為1.30～2.40 m，層頂標(biāo)高8.39～9.05 m。

（4）⑤-1 層強(qiáng)風(fēng)化砂巖。該層在場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度為3.50～5.50 m，層頂標(biāo)高6.19～7.69 m。

（5）⑤-2 層中風(fēng)化砂巖，該層在場(chǎng)區(qū)普遍分布，未鉆穿，層頂標(biāo)高1.39～3.85 m。

1.4 水文地質(zhì)概況

本場(chǎng)區(qū)勘探期間未見地表水， 對(duì)本工程有影響的地下水為孔隙潛水， 孔隙潛水賦存于①層素填土。①層素填土結(jié)構(gòu)松散，密實(shí)度差，雨季及雨天出水量大。③層粉質(zhì)黏土為相對(duì)隔水層。孔隙潛水地下水初見水位深度為0.90～1.90 m， 穩(wěn)定水位埋深在0.80～1.80 m。地下水年變幅1.00 m 左右，地下水主要接受大氣降水。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

本基坑工程需解決的主要問題是做好對(duì)項(xiàng)目東側(cè)和南側(cè)的已有道路、 北側(cè)和西側(cè)已有建筑的保護(hù)工作。以基坑北側(cè)支護(hù)段為例，研究分析型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果， 由于本段支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)有需要保護(hù)的構(gòu)筑物，要求基坑的施工影響可控，不對(duì)既有構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響。

結(jié)合周邊環(huán)境，針對(duì)本項(xiàng)目特點(diǎn)，下部巖層埋深淺，支護(hù)樁需要嵌入巖層，因此擬采用引孔密排的H 型鋼樁+一道H 型鋼支撐的型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。西南角由于施工距離的限制，局部采用型鋼骨架樹根樁+錨桿和H 型鋼樁+錨桿的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

H 型鋼支護(hù)樁采用700×300×13×24， Q235B，樁長(zhǎng)采用15 m 和12 m 間隔布置，樁間距1.2 m。

H 型鋼水平支撐體系選型應(yīng)在安全的基礎(chǔ)上，盡可能有利于土方開挖和提高施工速度， 減少整體施工工期及支撐費(fèi)用。由于本基坑形狀相對(duì)規(guī)整，采用400×400×13×21 型號(hào)的H 型鋼，連系梁采用40B 雙拼槽鋼， 平面整體形成桁架結(jié)構(gòu)以提高支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。圍檁采用400×400×13×21 型號(hào)的H 型鋼， 并以細(xì)石混凝土澆實(shí)。節(jié)點(diǎn)處采用400×400×13×21H 型號(hào)的型鋼作為立柱。

鋼支撐的突出優(yōu)點(diǎn)是自重輕、安裝拆除靈活、施工速度快。

3 計(jì)算分析

3.1 各工況內(nèi)力

本工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件采用 《北京理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件F-SPW》7.0 版本。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)地面超載按均布超載20 kPa，樓層每層荷載為15 kPa，行車道路荷載為30 kPa。

基坑開挖工況為4 個(gè)階段： 第一工況為施工完H 型鋼支護(hù)樁和立柱樁后，基坑開挖3 m，并施工型鋼圍檁和型鋼支撐； 第二工況為支撐體系形成后，基坑開挖至基坑底標(biāo)高；第三工況為地下主體結(jié)構(gòu)順做并形成底板和中板的剛性換撐體系；第四工況為拆除H 型鋼支撐后的情況。各工況內(nèi)力如圖1～4 所示 （上排數(shù)據(jù)結(jié)果為彈性法計(jì)算結(jié)果，下排數(shù)據(jù)為經(jīng)典法計(jì)算結(jié)果）。

圖1 工況一的計(jì)算結(jié)果

圖2 工況二的計(jì)算結(jié)果

圖3 工況三的計(jì)算結(jié)果

圖4 工況四的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)JGJ120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，擋土結(jié)構(gòu)宜采用彈性支點(diǎn)法進(jìn)行分析。根據(jù)四個(gè)工況的變化情況可知， 彈性法得到的主動(dòng)土壓力是固定不變的，被動(dòng)土壓力值隨開挖深度的加深而增大，主體結(jié)構(gòu)施工，拆換撐后，土壓力基本不變。彎矩和剪力值均隨開挖深度的加深而增大， 在主體結(jié)構(gòu)拆換撐完成后、側(cè)壁土方回填前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值為最大。彎矩值分布范圍為-140.75～142.72 kN·m，剪力值分布范圍為-70.95～72.96 kN。根據(jù)內(nèi)力分析結(jié)果， 支護(hù)樁所受內(nèi)力值均在所選H 型鋼樁的力學(xué)承載能力范圍內(nèi)，支護(hù)樁選型合理可行。

3.2 樁體變形

圖5 為基坑施工理論計(jì)算四個(gè)工況下的樁體變形情況。彈性法計(jì)算得到的圍護(hù)樁樁體和基坑側(cè)壁的位移變形范圍為-10.72～0.45 mm。隨著基坑挖深的增加，基坑向內(nèi)側(cè)的位移逐漸增大，同時(shí)在第一道支撐的附近，由于支撐的存在，限制了圍護(hù)體的水平變形，圍護(hù)體呈現(xiàn)出“鼓肚子”的變形特征，當(dāng)拆換撐工況后，由于支護(hù)上部約束的釋放，樁頂位移明顯增大。最大水平變形在1 cm 左右，說明對(duì)周邊環(huán)境的影響很小，滿足規(guī)范和周邊構(gòu)筑物的水平變形要求。

圖5 工況一～四的樁體變形

3.3 地表變形

圖6 為周邊地表沉降曲線。由圖6 可知，基坑工程的施工影響范圍約為支護(hù)外側(cè)的11 m 范圍內(nèi)，沉降變形最大處約在距離支護(hù)外側(cè)5 m 左右， 最大沉降值為12 mm。通過計(jì)算可知，該法對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響有限，滿足規(guī)范和周邊構(gòu)筑物的垂直變形要求。

圖6 周邊地表沉降

3.4 穩(wěn)定性

根據(jù)瑞典條分法計(jì)算的支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定安全系數(shù)為：Ks= 2.257，大于規(guī)范要求的1.30，說明基坑整體安全穩(wěn)定，無危險(xiǎn)滑裂面。根據(jù)公式（1）計(jì)算基坑抗傾覆安全系數(shù):

式中：Mp為被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩；Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩。

由計(jì)算可知，安全系數(shù)最小的為工況三，最小安全Ks=2.264≥1.250， 滿足規(guī)范要求。

根據(jù)公式（2）計(jì)算坑底抗隆安全穩(wěn)定性，從支護(hù)底部開始，逐層驗(yàn)算。

式中：Ks為抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)；c為土體的粘聚力；γm1為坑外地表至圍護(hù)墻底各土層天然容重的加權(quán)平均值；γm2為坑內(nèi)開挖面以下至圍護(hù)墻底各土層天然容重的加權(quán)平均值；h為基坑的開挖深度；d為支護(hù)墻體在基坑開挖面以下入土深度；q0為坑外地面荷載；Nq、Nc分別是地基承載力系數(shù)。得到最小安全系數(shù)Ks=157.435≥1.800， 坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

綜上所述，采用該法進(jìn)行支護(hù)工程施工，理論計(jì)算有法可依，而且從工況內(nèi)力、樁體變形、對(duì)周邊環(huán)境的影響和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面都是安全合理的。

4 施工方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

4.1 施工方法

由于現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)較硬， 若采取一般的H 型鋼樁沉樁方案，不僅功效低，而且強(qiáng)震會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生破壞。因此擬采用長(zhǎng)螺旋松土+機(jī)械手沉樁的新型結(jié)合工藝。具體方法如下：①樁孔定位測(cè)量放線；②鉆機(jī)就位鉆孔；③對(duì)樁孔直徑、深度、中心線進(jìn)行檢查驗(yàn)收；④采用螺旋引孔工藝，正旋鉆至設(shè)計(jì)深度；⑤局部砂巖引孔困難時(shí)，輔以水刀施工；⑥反旋不帶土提升螺旋鉆桿；⑦用機(jī)械手打入H 型鋼樁，采用限位裝置，控制垂直度；⑧重復(fù)下一根樁。

施工可行性分析：通過螺旋引孔工藝，正旋鉆至設(shè)計(jì)深度，反旋不帶土提升螺旋鉆桿，解決土層土質(zhì)較硬的問題?？拥滓韵峦ㄟ^機(jī)械手加壓沉樁解決H 型鋼底部嵌固問題。

H 型鋼的打入和拔出均采用450 型機(jī)械手。施工方法如下：

（1）型鋼在鋼板樁施工結(jié)束后打入，打入前應(yīng)檢查其平整度。

（2）型鋼的插入必須采用牢固的定位導(dǎo)向架，在插入過程中采取措施保證型鋼垂直度。

（3）沉設(shè)H 型鋼時(shí)輔以水刀施工，減少沉樁摩擦力，如發(fā)現(xiàn)沉樁困難或由于遇到不明障礙物導(dǎo)致無法正常沉樁時(shí)，應(yīng)立即通知建設(shè)方，由建設(shè)方會(huì)同設(shè)計(jì)單位相關(guān)部門研究處理方法。

（4）擬拔出回收的型鋼，插入前應(yīng)先在干燥條件下除銹，再在其表面涂刷減摩材料。完成涂刷后的型鋼，在搬運(yùn)過程中應(yīng)防止碰撞和強(qiáng)力擦擠。材料如有脫落、開裂等現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。

（5）拔除H 型鋼樁前，應(yīng)仔細(xì)研究拔樁方法順序和拔樁時(shí)間，避免由于拔樁的振動(dòng)影響以及拔樁帶土過多引起地面沉降和位移。

（6）在整個(gè)施工過程中，應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境及基坑支護(hù)體系進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

H 型鋼沉設(shè)施工完成后，實(shí)施圍檁支撐的制作安裝。

鋼圍檁的安裝：采用吊車將在場(chǎng)地上預(yù)先加工

成的鋼圍檁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)架設(shè)到三角托架上， 鋼圍檁節(jié)間、鋼圍檁與鋼樁間、鋼圍檁與三角托架間采用焊接連接。

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

經(jīng)專業(yè)監(jiān)測(cè)單位對(duì)本工程基坑變形的監(jiān)測(cè)，H型鋼樁樁頂最大沉降為5.2 mm， 樁頂最大水平位移為11.1 mm，深層土體最大位移為9.5 mm，周邊地表最大沉降為6.2 mm， 周邊建筑物最大位移為4.3 mm，均小于理論計(jì)算得到的變形結(jié)構(gòu)，滿足基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)論

（1）通過實(shí)際應(yīng)用表明，這種新型的純H 型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)體系剛度大，對(duì)變形控制較好，可用于深基坑工程，且綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)土體造成污染，可重復(fù)回收利用，經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯著。

（2）通過理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，說明這種新型的純H 型鋼支護(hù)體系力學(xué)性能、 自身穩(wěn)定性、自身變形和對(duì)周邊環(huán)境的影響均滿足基坑工程的相關(guān)要求。

（3）本項(xiàng)目采用長(zhǎng)螺旋+機(jī)械手的創(chuàng)新組合施工工藝合理可行， 解決了H 型鋼樁難以在硬質(zhì)土層中的沉樁問題，為其他類似工程提供了參考。