拉森钢板桩在南昌高富水砂砾层基坑工程设计中的应用-工法网 GongFaWang.com

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

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

一

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。

二

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。

三

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。

四

基坑支护方案对比分析

本基坑具有如下特点 :

1 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口 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型拉森钢板桩 + 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型拉森钢板桩 + 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)。

图1 外锚桩采用工字钢张拉试验

图2 外锚桩采用拉森钢板桩张拉试验照片

五

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。

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

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。