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拉森钢板桩在南昌高富水砂砾层基坑工程设计中的应用

拉森钢板桩 2019年5月15日 项敏 42

拉森钢板桩在南昌高富水砂砾层基坑工程设计中的应用

拉森钢板桩 + 外拉锚桩应用案例

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摘要

摘 要:

近些年来,随着南昌城市建设的快速发展,其深大基坑工程越来越多,据不完全统计从2012年至2016年间南昌市共审查深基坑项目317个,支护形式从最初的土钉墙、拉森钢板桩、悬臂桩,发展到双排桩、地连墙、型钢水泥土墙(SMW、TRD、 CSM等工法)技术,支护形式越来越多、越来越灵活,在满足安全的前提下,节能、环保、经济的支护方案被广泛采用。本文以 南昌某主市场冷冻机房基坑支护为例,介绍了外拉锚式拉森钢板桩计算、施工难易程度及止水效果分析,为后续类似基坑工程 施工设计提供经验。 

关键词 :

冷冻机房 ;拉森钢板桩 ;单桩水平承载力 ;止水帷幕


工程概况

某主市场位于南昌市象湖新城,设整体两层地下室,地下室建筑面积为 535000.00m2,开挖深度为10.9m,在主市场地下室 -2 层南、北区中间位置各设计冷冻机房,两机房均呈矩形分。其中,南区冷冻机房面积4167.95m2,北区冷冻机房面积 3699.72m2。冷冻机房在主市场地下室施工至 -2 层底板后进行, 即开挖顶面标高 10.85m,考虑基坑承台和地梁位于基坑底板以下,故开挖底面设计标高 4.75m,开挖深度为 6.10m。因冷冻机 房基坑边线距离主市场大基坑边线 40m 开外,故本基坑设计不考虑主市场基坑周边荷载的影响,按“坑中坑”形式设计。因南北区冷冻机房开挖深度、设计思路一致,本次以南区冷冻机房基坑进行分析。 


周边环境条件

南区冷冻机房基坑周边为主市场在建商铺、施工辅助设施等,基坑周边环境条件见表 1 

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地质条件

3.1 工程地质条件 

该场地地貌单元属赣抚冲积平原,地层为第四系全新统冲积层(Q4al)。因主市场 2 层地下室施工时已开挖部分土层,根据工程勘探报告,对本基坑开挖涉及的岩土层详见表2。

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3.2 水文地质条件 

主市场基坑通过三轴搅拌桩、咬合桩相互搭接形成整体的截水帷幕嵌入基岩,从理论上基坑外侧水体对基坑内部的补给路径基本切断,但开挖过程发现基坑内部水量丰富,说明坑外水体可通过止水桩底绕流补给,补给条件较好,含水层渗透性强。 通过坑内水井测量水位标高位于 10.05m 左右,即位于冷冻机房 基坑开挖面以下 0.85m,地下水渗透系数取 120m/d。 


基坑支护方案对比分析

本基坑具有如下特点 :

本基坑位于高富水砂砾层地段,地下水位高、水量丰富,开挖深度涉及细 ~ 中砂,采用强降水易引起流砂,且需要约20 300mm 管径水井,场地周边空间有限,无法保障水井施工, 需考虑止水措施 ; 

2 基坑边线距离周边已建设施约 9.0~17.0m,距离主市场桩基础承台边缘 2.2~6.8m,承台垂向距离约 5.6~6.4m,其桩基密集且已施工完毕。不宜采用锚索、土钉、放坡开挖方案 ; 

3 主市场基坑已开挖至设计底板,本基坑属“坑中坑”需安全、快速施工完毕,业主对工期要求紧。 


根据上述条件提出三种方案比选 : 

1 上部 2.0m 放坡 +0.8m 钢筋砼灌注桩 + 高压旋喷桩止水, 该方案在南昌地区经常采用,经验丰富、工艺成熟,但因坑外水位高,悬臂桩变形最大达28.5mm,且该方案施工周期长、造价高,该方案预算约 305.2 万元 ; 

2 上部 2.0m 放坡 + IV拉森钢板桩 + 型钢内支撑,该方案中拉森钢板桩具有挡土、止水的作用,配合型钢内支撑很够控制基坑变形,保证其安全稳定,但内支撑会影响出土施工,不利于保障工期,该方案预算约 145.6 万元 ; 

3 上部 2.0m 放坡 + IV拉森钢板桩 + 外拉锚桩,该方案将型钢支撑替换成预应力锚索外拉锚桩支护形式,可解决内支撑影响 施工进度的问题。但受施工进度及场地空间的影响,外锚桩无法采用钢筋混凝土桩,设计采用工字钢、拉森钢板桩作为外锚桩。为能确定外锚桩单桩水平承载力,设计要求业主单位进行外锚桩抗拉实验,试验要求 :分别采用双拼 28a 工字钢及 3 根IV型拉森钢板桩作为外锚桩,内插深度均为12m,组合桩试验水平拉力值为 350KN, 桩顶变形位移不大于 10mm。通过实验可知(详见图 1、图 2)。 


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图1 外锚桩采用工字钢张拉试验

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图2 外锚桩采用拉森钢板桩张拉试验照片

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基坑支护方案设计

5.1 支护方案 

本次计算软件采用启明星FRWS7.0,并采用Midas/NX 软件进行有限元模拟对比分析。经计算选取设计方案为:上部 2.0m 放坡,坡率均为 1 :1,中间设 2.0m 平台,支档桩使用 IV 型拉森钢板桩,尺寸为 400×170,设计桩长 12.00m,基坑 8.5m 以外侧采用 3 根 IV 型号拉森钢板桩内插 12m 做锚拉桩,其水平 间距不大于 5.0m,利用 φs15.2 钢绞线进行连接,施工过程中单 根钢绞线施加预应力 40KN。支护剖面见图 4。 

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图4 支护结构剖面图

5.2 支护结构分析计算

(1)锚拉桩单桩水平承载力。单桩水平承载力参照《建筑桩、基技术规范》5.7.2第6款(式5.7.2-2)计算 

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桩的水平变形系数 α=0.967(1/m) 

桩身抗弯刚度 EI=9572.83(kN.m2

桩顶水平位移系数 vx=2.441

单桩水平承载力特征值 Rha=79.8(kN)

因 锚 拉 钢 绞 线 与 地 面 约 呈 13 ° 角,故 换 算 成 单 根 水 平 力 为 79.8cos13 ° =77.7KN,总 水 平 承 载 力 特 征 值 为117.7×3=353.2KN,根据剖面计算锚拉桩所受力为 68KN/m, 间距 5m,总和为 340KN,小于 353.2KN 满足要求。加之,通过张拉试验验证单柱水平承载力满足设计要求。

(2)锚拉桩最小距离计算。

1 本次计算软件为启明星 FRWS7.0,计算过程中将拉森钢板桩 + 钢绞线外锚组合等效为 锚索,按最不利滑面进行搜索,安全系数为 2.51,满足规范要求, 外锚桩应布设在滑面外侧,即最小距离支护桩为 12.6m。

2 从受 力上分析,当支护桩施加水平预应力未开挖或开挖后桩体受力小 于预加力时,支护桩受被动土压力作用,滑动面与最小主应力 作用面(水平面)夹角 α=45° -φm/2,φm 为等效内摩察角, 取值 28.3°,得知滑动面与地面交线距离支护桩距离为 23.4m ; 当开挖后桩体受力大于预加力时,支护桩受主动土压力作用,滑 动面与最大主应力作用面(水平面)夹角 α=45° +φm/2,得 知滑动面与地面交线距离支护桩距离为 8.4m。

考虑到软件搜索最不利滑动面具有一定的安全储备,加基坑外围施工空间有限,故确定锚拉桩距离支护桩最小距离不小于 8.0m。

(3)内力变形结果计算。通过 FRWS7.0 软件计算内力和、 土体抗力和变形等结果详见图 5。

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图5 计算结果简图

从图中可知坡顶水平位移约为6mm,最大位移值发生在桩顶以下 3.8m,为 13.3mm。采 用 Midas/NX 软件进行有限元模拟,最大位移值位于桩顶以下 3.5m,为 20.3mm。两种方法计算位移值均满足规范要求,但结果具有一定差异性,需后期施工加强监测。 


基坑施工与监测

该基坑项目于 2015 年 11 月份开始施工,三个工作日内完成基坑封闭,共计插入钢板桩 676 根(包括 4 根异形钢板桩),正常作业条件下 1 分钟内可插入一根(桩长12m)。基坑封闭后开始试挖以检验止水效果,开挖过程中基坑内部 6 口水井同时抽水,但效果不佳。分析主要原因有二,

(1)拉森钢板桩未进入隔水层,坑内外水体从底部绕流产生水力联系,且局部锁口不密产生漏水 ;

(2)基坑周边无排水系统,抽取地下水需通过长度大于 100m 的管路排至市政管道,造成水头损失过大,排水能力下降未达到设计要求。

设计提出两套解决方案 :

(1)基坑内增加水井 数量,采取大功率水泵降水 ;

(2)在基坑外支护桩和锚拉桩之间施工一排高压旋喷止水帷幕。因坑内增加水井影响施工进度,且施工区存在停电现象,最终业主采取高压旋喷止水桩方案,开挖过程止水效果良好,施工进度延迟 15 天,工程造价增加 130 万 元,但相对于方案一节约近80万元。

通过开挖过程中对基坑的监测,支护桩围护结构水平位移值为 9~17mm,未 超 过 FRWS7.0 和 Midas/NX 软 件 计 算 分 析 值,说明设计满足实际施工要求。 


结语

本文通过“拉森钢板桩 + 外拉锚桩”在某主市场冷冻机房基坑支护中的应用,形成以下设计及施工经验供后续工程参考 : 


(1)经方案对比分析,拉森钢板桩在基坑支护应用中具有经济、快速、绿色环保等优点,尤其在高富水地层中具有挡土、 止水双重功能。在南昌市砾砂层中(粒径大于 2mm 含量小于 50%)能够快速插入,施工便捷。

( 2 )在不允许使用锚索地区 ,可采用“外拉锚”方案,外排拉锚桩水平承载力特征值除理论计算外建议通过试验验证。外排桩应位于软件自动搜索不利滑动面之外,空间不足时应不小 于朗肯主动土压力滑动面之外。因前后排桩受力机理复杂,加之工程案例较少,该项工作可在后续工作中进一步研究

( 3 )拉森钢板桩很难进入强风化岩层,应按悬挂式截水帷幕 计算基坑涌水量,合理安排水井数量,设计及施工前应考虑好排 水路径。施工过程应保证桩体垂直度,建议采用屏风式打入法, 谨慎使用单打法,减小钢板桩倾斜误差累积,转角处异形钢板桩 垂直满焊后再插入土体。

( 4 )通过基坑监测数据与两种软件计算对比分析,其水平位移差异不大,证明将外拉锚简化成预应力锚索计算模型是可行 的,对今后设计计算具有指导作用。 

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文章来源:《中国金属通报》 

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编辑整理:项 敏



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