邓 刚
(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)
摘 要：深基坑的开挖支护受水文、地质条件以及周边环境的影响。以姚庄大桥桥墩基础的基坑支护为研究内容，结合工程地质特点等因素拟定排桩支护、钢板桩围护、放坡开挖等方案进行比选；并结合有限元数值模拟分析，对基坑开挖过程中基坑支护结构的受力和变形进行分析和验算。综合考虑工程的施工难度、经济、安全、工期等因素，最终选择了放坡开挖方案。
关键词：深基坑；支护结构；数值分析；方案比选
基础施工是建筑施工的重要组成部分，为确保施工安全，必须对开挖的建筑基坑采取支护措施。深基坑支护工程是一个综合难度较大的工程，方案选取的优劣直接影响到基坑工程的安全性﹑经济性﹑施工进度等。由于深基坑支护工程是一个综合性的岩土工程问题，既与土力学中典型的强度、稳定与变形问题有关，又涉及到水、土与支护结构的共同作用。针对具体的工程，如何找出具有可操作性的方案，来保证基坑的稳定性和土体变形的要求，又能使综合造价最低，是一个值得研究的问题。
1.1 工程概述
姚庄大桥为跨越规划中的引江济巢工程而设，桥址DK7+815处为规划III级航道中线，设计为(60+100+60) m悬灌梁。姚庄大桥起讫里程为DK8+697.645～DK9+178.02，桥长480.375 m,其中连续梁主墩1#墩和2#墩为深基坑施工。1#墩原地面标高29.888 m，承台底标高11.038 m，基坑深18.86 m；2#墩原地面标高30.45 m，承台底标高9.598 m，基坑深15.9 m。墩身均采用变截面的实体墩，断面为长圆形，从墩顶到墩底进行放坡，承台采用倒圆角的矩形承台，每个承台下设钻孔灌注桩。
1.2 地质资料
根据地质报告，1#桥墩基坑所在地的地质条件:第1层为粘土，硬塑，承载力为200 kPa，厚度为19.7 m，土的重度γ=18 kN/m3，粘聚力c=10 kPa，内摩擦角φ=30°；第2层为全风化砂岩，承载力为200 kPa，厚度为2.6 m；第3层为强风化砂岩，承载力为400 kPa，厚度为3.8 m。2#桥墩基坑所在地的地质条件：第1层为粘土，硬塑，厚度为13 m，承载力为200 kPa，土的重度γ=18 kN/m3，粘聚力c=10 kPa，内摩擦角φ=30°；第2层为全风化砂岩，厚度为3 m，承载力为200 kPa；第3层为强风化砂岩，厚度为8 m，承载力为400 kPa。地下水在此不予考虑。
根据姚庄大桥的工程背景，结合基坑设计支护原则，本工程桥墩基础的基坑支护拟采用排桩支护、钢板桩围护、放坡开挖等方案。由于1#墩和2#墩的地质条件相似，这里仅以1#墩的方案设计及结构分析为例进行基坑支护方案比选。
2.1 排桩支护方案的设计和支护形式
根据图纸等相关资料，基坑中承台的尺寸为17 m×17 m。考虑100 cm的立模空间，实际基坑开挖尺寸为19 m×19 m的正方形区域，基坑周边采用?1.25 m、间距为1.5 m的钢筋混凝土灌注桩进行围护，内支撑采用4层双排H型钢(Q345，HN700×300×13/24)做围檩，内角支撑采用粗钢管(Q345，?63 cm，壁厚12 mm)，共对称设计了4道角支撑。基坑防护桩和内支撑布置如图1、图2所示。
1#墩的基坑开挖深度为18.86 m，嵌固深度为12 m，在防护桩施工完成后，在钢筋混凝土桩顶浇筑厚度0.5 m、宽度1 m的冠梁，以增加防护桩的整体性，然后再进行基坑开挖作业。边开挖边加围檩和内撑，设置支撑体系需要超挖50 cm，以保证施工空间和安装牛腿，1#墩的开挖加撑分9个工况进行，基坑断面及开挖工况如图3所示。
图1 基坑防护桩布置平面图(单位：cm)
图2 内支撑平面图(单位：cm)
2.2 排桩支护结构分析
1#墩采用长度为30.86 m的防护桩进行支护，验算防护桩的嵌入深度、防护桩的强度以及围檩和内支撑的受力。
图3 基坑断面及开挖工况示意图(单位：m)
2.2.1 防护桩的嵌固深度验算
足够的支护结构的嵌固深度既是基坑底抗隆起稳定性的需要，也是保证支护结构具有足够抗倾覆稳定性的需要，本工程按圆弧滑动简单条分法计算防护桩嵌固深度设计值。
(1)
式中：hd为防护桩嵌固深度设计值；α为圆弧滑动简单条分法嵌固系数，α=1.1；γ0为建筑基坑侧壁重要性系数，本工程为二级工程，γ0=1；h0为防护桩嵌固深度计算值，按《建筑基坑支护技术规程》圆弧滑动简单条分法计算嵌固深度得到h0=10.50 m。代入数据有hd=1.1×1×10.50 m=11.55 m。
防护桩嵌固深度采用值h=12.00 m>hd=11.55 m，满足安全性要求。
2.2.2 防护桩的强度验算
将基坑开挖过程中每一工况的防护桩内力图汇总，得到防护桩整体内力包络图如图4所示。
图4 防护桩内力包络图
防护桩强度可以通过桩所能承受的弯矩与开挖过程中防护桩所受的最大弯矩来验算。如图4所示桩的最大弯矩为1 529.59 kN·m，考虑的荷载安全分项系数为1.2，采用1 529.59 kN·m×1.2=1 835.5 kN·m进行配筋设计。经过计算，该防护桩的配筋为22根HRB335?25 mm钢筋。
(2)
(3)
(4)
式中：Mu为所能承受的弯矩；A为构件截面面积，A=πr2；As为受拉纵向钢筋的面积，As=10 794 mm2；r 为圆形截面的半径，r=625 mm；rs 为受拉钢筋的形心半径，rs =578 mm；α为对应于受压区混凝土截面面积的圆周心角(rad)与2π的比值；αt 为纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值(αt =1.25-2α)；fc 为混凝土抗压强度设计值，fc=14.3 MPa；fy为钢筋的强度设计值，fy=300 MPa。
通过试算得：α=0.250 9,αt =0.748 2，Mu=1 676 kN·m>Mmax=1 529.59 kN·m ,满足强度要求。
2.2.3 围檩和内支撑的强度验算
钢板桩围堰采用4层内支撑，每层内支撑布置形式一致，内支撑主要由围檩和角支撑组成，其布置原则是合理受力，利于施工。其布置图如图2所示，围檩由双拼H型钢组成，最大跨度为6.4 m，其主要承受支撑处钢板桩传递的土压力，即沿围檩外侧连续分布的钢板桩支反力。根据开挖过程中防护桩的计算，围檩的受力按照支反力进行设计。本方案实际上有4道围檩支撑，因方案采用的4道围檩都采用同样的结构，只对受最大支反力的围檩进行结构分析。由图4可知，最大支反力为2 007.01 kN，则围檩所受均布荷载为q=2 007.01 kN/6.3 m=319 kN/m。采用有限元midas Civil建模分析,得到围檩和角支撑的应力分析如图5、图6所示。
由图5、图6可以看出，围檩的最大正应力：σ=149.6 MPa< [σ]="245" mpa;内撑的最大正应力：σ="196"><[σ] =="" 245="">
综上所述，1#墩基坑开挖排桩支护结构受力满足安全要求。
3.1 钢板桩围护的方案设计和支护形式
图5 围檩应力图(单位：MPa)
图6 角支撑应力图(单位：MPa)
1#墩基坑围护结构采用15 m长Ⅳ型拉森钢板桩(Q235)对基坑进行防护，围护结构内尺寸大于设计结构尺寸不小于1 m，钢板桩(Q235)围护桩打入地下并露出地面不小于0.2 m，然后开挖基坑。1#墩顺桥向距基坑中心线22 m放坡开挖，坡率1∶1，放坡开挖5 m至标高24.9 m后，坡脚设第1层拉森钢板桩防护，深度15 m。桩基施工完成后，留出2 m作为平台，继续以1∶1的坡率放坡开挖3.28 m至标高21.62 m位置后留出平台，再进行承台拉森钢板桩围护施工。1#墩顺桥向基坑开挖及支撑侧面图如图7所示。
图7 1#墩顺桥向基坑开挖及支撑侧面图 (单位：cm)
钢板桩型号采用Ⅳ型拉森钢板桩。钢板桩围檩、内角支撑采用I45b工字钢(Q235)，内十字撑采用?630 mm钢管(Q235)，壁厚10 mm。围护结构上层和中层采用双层围檩，下层采用3层围檩，工字钢内角支撑位置分别连接在承台长边1/4和短边1/3处，钢管内十字支撑设在承台长边角撑旁和短边中心。内支撑对称设置，开挖至围檩及内支撑安装位置时及时施作围檩及内支撑，随开挖深度逐层施工。1#墩钢板桩围堰布置和内支撑设置如图7、图8所示。
图8 1#墩钢板桩围堰内支撑平面图(单位：cm)
3.2 钢板桩围堰结构分析
1#墩采用15 m长拉森Ⅳ钢板桩进行围护，验算钢板桩内支撑的间距、钢板桩的入土深度、钢板桩强度以及围檩和内支撑的受力[1]。
3.2.1 内支撑间距验算
根据手册要求，多撑式钢板桩内支撑布置需满足下式：
(5)
(6)
式中：h为内支撑最大布置间距；f为钢板桩的抗弯强度设计值，参照《钢结构设计原理》[2]，f =160 MPa；γ为钢板桩墙后土的重度，γ=18 kN/m3；Ka为主动土压力系数，Ka = tan2(45°-φ/2)=0.33,φ为摩擦角；W为所取钢板桩每延米板面的截面模量，W=2 037 cm3。
代入上述数据，计算得到内支撑最大布置间距为6.9 m，大于此次布置的最大间距3.5 m，因此内支撑布置间距符合要求。
3.2.2 钢板桩入土深度验算
(1)计算作用于钢板桩上的土压力强度，并绘出土压力分布图，计算土压力强度时，应考虑板桩墙与土的摩擦作用，将板桩墙后被动土压力乘以修正系数，参照《建筑施工计算手册》[3]，这里取修正系数为1.80，计算模型如图9所示。
图9 钢板桩受力模型图
(2)计算板桩墙上土压力强度等于零的点离基坑底的距离x，在f点钢板桩墙前的被动土压力等于墙后的主动土压力，其计算模型如图10所示。
图10 钢板桩计算模型图
主动土压力：
(7)
被动土压力：
(8)
式中：Kp=tan2(45°+φ/2)=3，Ka=tan2(45°-φ/2)=0.33。
f点处主动土压力为：Pa=18 kN/m3×(10.6 m+x)×0.33-2×10 kN/m2×0.577。
f点处被动土压力为：Pp=18 kN/m3×3x+2×10 kN/ m2×1.732。
根据关系式Pa=1.80Pp，为简化计算(偏于安全)，计算时不考虑粘聚力c的影响，即18 kN/m3×(10 m+x)×0.33 = 1.8×18 kN/m3×3x，计算得到x= 0.7 m。
(3)利用迈达斯建模分析钢板桩在土压力的作用下钢板桩af的最大弯矩Mmax和支反力Ra，Rb，Rc，Rd，Rf。
经计算钢板桩af的最大弯矩Mmax为34.9 kN·m，f点处支反力Rf为25.7 kN。
(4)计算钢板桩的最小入土深度，根据f点处支反力和墙前净被动土压力对e点的力矩相等，则有：
为简化计算(偏于安全)，计算时不考虑粘聚力的影响，代入数据解得y=1.3 m。钢板桩最小入土深度为t0= x+y= 0.7 m+1.3 m= 2 m，而钢板桩的实际埋深应在e点之下，参照《建筑施工计算手册》[3]，所需实际钢板桩的入土深度为:t =1.2t0，即t =2.4 m，如图7所示，钢板桩实际入土深度为4.2 m，满足安全性要求。
3.2.3 钢板桩强度验算
计算可知钢板桩的最大弯矩Mmax为34.9 kN·m，拉森Ⅳ钢板桩每延米截面模量W为2 037 cm3，最大弯矩下钢板桩内力为σ=Mmax/W=17.1 MPa，小于容许应力170 MPa，满足强度要求。
3.2.4 围檩受力验算
钢板桩围堰采用3层内支撑，每层内支撑布置形式一致，内支撑主要由围檩、横撑和角支撑组成，其布置原则是合理受力，利于施工。其布置图如图8所示，首先验算围檩的受力。
围檩由双拼或三拼I45b工字钢焊接组成，其中第1、第2道围檩采用双拼，第3道围檩采用三拼。围檩最大跨度为l=5.034 m，其主要承受支撑处钢板桩传递的土压力，即沿围檩外侧连续分布的钢板桩支反力。计算时可将其简化为一个承受均布力的连续梁，只需验算承受最大支反力的围檩即可。
最大弯矩M=(1/8)Rmaxl2=441 kN·m，三拼I45b工字钢，其截面模量W为4 500 cm3，应力为σ=Mmax/W=98 MPa，小于容许应力170 MPa，满足强度要求。
3.2.5 内支撑受力验算
内支撑由横撑和斜撑组成，横撑为?630 mm、壁厚10 mm(Q235)的螺旋钢管；斜撑为双拼500×200H(Q235)型钢，最不利受力为中间横撑受力，只需验算螺旋钢管的受力即可，其主要承受支撑处围檩传递的钢板桩支反力。计算时不考虑斜撑的作用，管桩最多需承担其周围5.034 m的钢板桩支反力，最大轴力P=Rmaxl=125.4 kN/m×5.034 m=631.26 kN，轴向应力为
综上所述，1#墩基坑开挖钢板桩结构受力满足安全要求。
4.1 1#墩的顺桥向边坡方案
基坑放坡共设四阶：一级边坡坡比1∶1.75，坡高2.86 m，平台宽度2.0 m；二级边坡坡比1∶1.75，垂直边坡高度5.0 m，平台宽度为2.0 m；三级边坡坡比1∶1.5，垂直边坡高度5.0 m，平台宽度2 m；四级边坡坡比1∶1.5，垂直边坡高度5.0 m，预留基坑工作宽度2 m。基坑放坡开挖剖面图见图11所示。
图11 1#墩深基坑顺桥向开挖断面图(单位：cm)
4.2 1#墩的横桥向边坡方案
基坑放坡共设四阶：一级边坡坡比1∶1.75，坡高4.36 m，平台宽度2.0 m；二级边坡坡比1∶1.75，垂直边坡高度5.0 m，平台宽度为2.0 m；三级边坡坡比1∶1.5，垂直边坡高度5.0 m，平台宽度2 m；四级边坡坡比1∶1.5，垂直边坡高度5.0 m，预留基坑工作宽度2 m。基坑放坡开挖剖面见图12所示。
4.3 放坡开挖基坑边坡稳定性验算
根据粘性土坡稳定性计算公式：
(9)
式中：Hc为边坡的临界高度，即边坡的稳定高度；φs为稳定系数，根据《土力学》[4]，查表取100(φs根据坡度角和内摩擦角取得，本基坑坡度角为27°，土的内摩擦角取20°)；c为粘聚力，取5 kPa；γ为土的重度，取18 kN/m3。将各取值代入稳定性能计算公式得：Hc=27.78 m>H=18.862 m，满足要求。
根据计算机软件分析可知基坑边坡开挖四面边坡稳定安全系数均大于1.3，满足《建筑边坡工程技术规范》[5]边坡稳定性要求。
综上所述，1#墩基坑放坡开挖边坡受力满足安全要求。
图12 1#墩深基坑横桥向开挖断面图(单位：cm)
经过结构分析，三种方案支护结构的受力和变形均满足要求。排桩支护中，钻孔灌注桩的施工工序多，而且灌注混凝土后，必须达到一定强度才能起到支护作用，从而施工进度慢，且造价高。在钢板桩施工中，受工程地质的影响，钢板桩的打入难度大，开挖深度大，且拉森钢板桩的费用高。根据现场工程地质及水文条件，放坡开挖不仅施工难度小，经济投资低，而且在设计中采用多级放坡安全性大，还可以在平台堆放适当的建筑材料，有利于缩短施工工期。综合工程的技术可靠性、造价、工期、对环境的影响、施工难度等因素，最终本工程选择放坡开挖。
参考文献
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[2]张耀春,周绪红.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2011
[3]江正荣.建筑施工计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2013:108-109
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[5]建设部标准定额研究所.GB50330—2013 建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013
收稿日期：2016-04-21
作者简介：邓 刚(1984—)，男，工程师，主要从事桥梁施工与监控方面的技术工作
DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.014
中图分类号：U443.13
文献标识码：B
文章编号：1672-3953(2016)04-0052-06
Deng Gang
(18th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Tianjin 300222,China )
Abstract: The excavation support for deep foundation pits may be influenced by hydrological and geological conditions,and its environmental conditions.With the support for the foundation pit of the pier of the Yao Village Bridge as the object of our research, and with the geological characteristics of the project taken into account,made in the paper are several construction schemes,namely,the pile row retaining,maintaining with steel sheet piles and the slope excavation.Then,the various construction schemes are compared and analyzed,upon the basis of which the stress and deformation of the support system,in the course of the excavation for the foundation pit, are analyzed and examined in combination with the finite element numerical analyses.After a comprehensive consideration of the difficulty in the construction, economy,safety,construction duration and other factors of the project,the slope excavation scheme is finally chosen for the project.
Key words: deep foundation pit;supporting structure;numerical analysis;scheme comparison
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