型鋼與板樁組合式坑中坑支護設計與施工創新

　　摘 要： 隨著地下空間被大量開發和利用，坑中坑的穩定性與安全性越來越成為基坑設計中的關鍵問題。以杭州運河中央公園工程為例，結合淤泥質粉質粘性土特點，將朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論相結合，得到粘性土的等效內摩擦角，進而推演出型鋼與板樁組合式坑中坑支護長度L及板樁配筋面積。將設計的支護參數應用于施工實踐，表明支護方案安全性高，現場施工方便，經濟合理，支護性能滿足GB 50068-2018等國家標準要求。

　　本文源自工業技術創新 2020年5期《工業技術創新》是由中國電子信息產業發展研究院和工業和信息化部部長主辦的國家科技學術期刊。該報主要面向工業技術創新領域的相關產業部門、工業企業、科研創新學術交流平臺、技術創新成果宣傳轉化領域以及戰略政策研究的理論討論陣地。該雜志的宗旨是促進產業技術創新，促進產業轉型升級，為建設創新型國家服務。

　　關鍵詞： 型鋼與板樁組合;坑中坑;支護設計;等效內摩擦角;粘性土

　　引言

　　近年來，隨著地下空間被大量開發和利用，大型深基坑的施工成本、安全性、可靠性的綜合控制成為施工單位考量的重點和難點。大量的工程實踐表明，基坑內部再多挖3～5 m產生的局部坑中坑(用于放置電梯井、集水井、設備基礎等)對整個基坑的影響不容忽視。尤其是在我國沿海沿江地區，淤泥質粘性土或淤泥等較多，土質很差，或坑中坑距離基坑邊、工程樁較近，在不允許采用放坡的情況下，基坑中的坑中坑支護難度較大。

　　傳統坑中坑的支護方法主要有鉆孔灌注排樁、復合土釘墻、重力式擋墻(水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁)等[1-5]，這些傳統圍護方式的施工工藝復雜，周期較長，挖填土方量多，勞動力投入大，受天氣因素干擾大，且增加了基坑開挖過程中的時空效應，對基坑的整體穩定性產生了不利影響。浙江新盛建設集團有限公司(以下簡稱“我公司”)在杭州運河中央公園工程中創新地提出了一種型鋼與板樁組合式坑中坑支護設計與施工方法，有效地解決了上述問題。

　　本文以杭州運河中央公園工程(以下簡稱“本工程”)為例，首先簡要介紹工程概況和支護方法;其次將朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論相結合，對計算深度、最大彎矩、配筋面積等指標進行測算;最后將測算結果應用于施工實踐，并開展討論。

　　1 工程概況

　　本工程位于杭州市拱墅區運河公園西南角，南臨喜塘河，西南側為美食街，東側為高層居住區，西北角為拱墅區圖書館和體育中心。總建筑面積69 871m2，其中地上建筑面積 19 349 m2，地下建筑面積50 522 m2。本工程相對標高±0.00相對于黃海高程5.5 m，場地自然地面平均相對標高-2.8 m，基坑開挖深度9.7 m。

　　本工程集水井、電梯井等形成的坑中坑共44個，坑中坑的坑底高差一般在2.2～2.5 m左右，其中38個坑中坑采用放坡開挖，其余6個坑中坑位于基坑西北段。由于該區第二層土層為淤泥質粘性土層或淤泥層，土質很差，故需考慮坑中坑支護。

　　坑中坑各土層的物理力學性能指標如表1所示。

　　2 型鋼與板樁組合式坑中坑支護方法

　　我公司經多年對坑中坑圍護的實踐研究，開發出一種型鋼混凝土復合板樁坑中坑圍護施工技術。該技術在基坑底部的坑中坑位置四周各施作導溝，在導溝內施作自制預制板樁與自制組合型鋼，板樁與導溝之間通過自行研制的定位支架固定[6-7]。轉角處采用H型鋼與C型鋼焊接而成的轉角組合型鋼連接，用現場挖機將預制板樁與型鋼壓入圍護土中，將各根板樁通過型鋼連接成為一道整體性較好的板墻。型鋼與板樁組合式支護平面、立面示意圖分別如圖1a、圖1b所示。

　　3 坑中坑支護長度的取值

　　在坑中坑支護設計中，朗肯土壓力理論不考慮土體與墻壁間的摩擦力，庫倫土壓力理論只能用于計算非粘性土。粘性土中的粘聚力對土壓力影響明顯，不少學者采用朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論結合的形式，提出粘性土的等效內摩擦角[8]，對粘性土的土壓力進行簡化。計算公式為

　　其中，h為坑中坑深度，為土的內摩擦角，c為土的粘聚力，ρ為板后土的密度，為等效內摩擦角。

　　本工程坑中坑深度h為2.5 m，土體容重為18.5 kN/m2，地面荷載為24.8 kN/m2，等效內摩擦角取33.3°。采用型鋼與板樁組合無錨式板樁支護結構，由于型鋼的剛度比混凝土板樁大，按最不利因素考慮，設計該板樁樁長及最大彎矩，如圖2所示的布魯姆理論受力示意圖。

　　4 軟土地區坑中坑支護設計最大彎矩及配筋面積計算

　　板樁最大彎矩的作用點，即是結構端面剪力為零的點。如圖2所示，當剪力為零的點在坑中坑底面以下深度為b時，即滿足，那么

　　根據支護板樁與H型鋼的剛度進行彎矩設計分配，板樁的Ec=3×104 MPa，板樁的Ic=bh3/12 =9 366 cm4，H型鋼的Eh=2.06×104 MPa，H型鋼的Ih=bh3/12=5 799 cm4，支護板樁的設計最大彎矩為

　　為滿足可靠度的要求，在實際設計中計算板樁內力時，將荷載標準值乘以荷載分項系數。根據最新國家標準《建筑結構可靠度設計統一標準》GB 50068-2018[10]中第8.2項條文規定，建筑結構的作用分項系數，應采用其中的表8.2.9。因此板樁最大彎矩設計值為

　　先假設受力鋼筋按一排布置，其中混凝土強度等級為C30，混凝土軸心抗壓強度設計值fc=14.3 N/mm，fy=360 N/mm。

　　其中，ξb為相對界限受壓區高度，Es為鋼筋的彈性模量，為受壓區邊緣混凝土的應變，為高度系數。

　　其中，為結構重要性系數;為板樁最大彎矩設計值;為系數，根據《混凝土結構設計規范》GB 50010-2002 的6.2.6條的規定計算;b為板樁擋土面寬度;h0為板樁截面有效高度，取88 mm。

　　5 施工應用

　　綜合第3章和第4章的測算，將支護板樁的鋼筋配置為910mm。板樁及型鋼設計圖如圖3所示，板樁現場施工示意圖如圖4所示，型鋼與板樁組合式坑中坑支護示意圖如圖5所示。

　　6 討論與結論

　　(1)杭州運河中央公園工程部分坑中坑土質為淤泥質粉質粘土，土質較差，并且部分坑中坑距離工程樁較近，在不允許采用放坡的情況下，傳統基坑中的坑中坑支護方案難度較大。因此，本工程的坑中坑支護采用創新的設計與施工方法，將板樁與板樁之間采用型鋼連接，坑中坑支護轉角處采用H型鋼與C型鋼焊連接，并通過現場挖機配合施工，充分考慮現場施工條件、施工機具、結構安全等因素。實踐證明本支護方案安全性高、現場施工方便、經濟合理。

　　(2)本文以朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論結合的形式，采用粘性土的等效內摩擦角對支護參數進行計算。考慮了墻后均載和水位的影響，避免等效內摩擦角取值過大時設計的板樁的長度L與彎矩M偏小，避免板樁處于不安全狀態，同時避免經濟上的浪費。

　　(3)本工程設計初期進行了大膽簡化計算。首先根據板樁插入土體的受力平衡計算插入深度L，求出最大彎矩Mmax;再將板樁與型鋼的共同體按各自材料剛度進行彎矩分配，通過計算板樁的最大彎矩Mc max，設計板樁配筋面積As，從而完成坑中坑擋土支護設計。

　　實踐證明，本工程現場檢查變形量滿足相關國家標準要求，坑中坑支護自身穩定較好，板樁沒有出現裂縫，坑中坑支護底部沒有出現涌土現象。

　　基金項目

　　浙江省住房和城鄉建設廳科學技術項目“預制混凝土構件在臨時施工設施中的應用與研究”(2018K135)

　　參考文獻

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