型钢与板桩组合式坑中坑支护设计与施工创新

　　摘 要： 随着地下空间被大量开发和利用，坑中坑的稳定性与安全性越来越成为基坑设计中的关键问题。以杭州运河中央公园工程为例，结合淤泥质粉质粘性土特点，将朗肯土压力理论与库伦土压力理论相结合，得到粘性土的等效内摩擦角，进而推演出型钢与板桩组合式坑中坑支护长度L及板桩配筋面积。将设计的支护参数应用于施工实践，表明支护方案安全性高，现场施工方便，经济合理，支护性能满足GB 50068-2018等国家标准要求。

　　本文源自工业技术创新 2020年5期《工业技术创新》是由中国电子信息产业发展研究院和工业和信息化部部长主办的国家科技学术期刊。该报主要面向工业技术创新领域的相关产业部门、工业企业、科研创新学术交流平台、技术创新成果宣传转化领域以及战略政策研究的理论讨论阵地。该杂志的宗旨是促进产业技术创新，促进产业转型升级，为建设创新型国家服务。

　　关键词： 型钢与板桩组合;坑中坑;支护设计;等效内摩擦角;粘性土

　　引言

　　近年来，随着地下空间被大量开发和利用，大型深基坑的施工成本、安全性、可靠性的综合控制成为施工单位考量的重点和难点。大量的工程实践表明，基坑内部再多挖3～5 m产生的局部坑中坑(用于放置电梯井、集水井、设备基础等)对整个基坑的影响不容忽视。尤其是在我国沿海沿江地区，淤泥质粘性土或淤泥等较多，土质很差，或坑中坑距离基坑边、工程桩较近，在不允许采用放坡的情况下，基坑中的坑中坑支护难度较大。

　　传统坑中坑的支护方法主要有钻孔灌注排桩、复合土钉墙、重力式挡墙(水泥土搅拌桩、高压旋喷桩)等[1-5]，这些传统围护方式的施工工艺复杂，周期较长，挖填土方量多，劳动力投入大，受天气因素干扰大，且增加了基坑开挖过程中的时空效应，对基坑的整体稳定性产生了不利影響。浙江新盛建设集团有限公司(以下简称“我公司”)在杭州运河中央公园工程中创新地提出了一种型钢与板桩组合式坑中坑支护设计与施工方法，有效地解决了上述问题。

　　本文以杭州运河中央公园工程(以下简称“本工程”)为例，首先简要介绍工程概况和支护方法;其次将朗肯土压力理论与库伦土压力理论相结合，对计算深度、最大弯矩、配筋面积等指标进行测算;最后将测算结果应用于施工实践，并开展讨论。

　　1 工程概况

　　本工程位于杭州市拱墅区运河公园西南角，南临喜塘河，西南侧为美食街，东侧为高层居住区，西北角为拱墅区图书馆和体育中心。总建筑面积69 871m2，其中地上建筑面积 19 349 m2，地下建筑面积50 522 m2。本工程相对标高±0.00相对于黄海高程5.5 m，场地自然地面平均相对标高-2.8 m，基坑开挖深度9.7 m。

　　本工程集水井、电梯井等形成的坑中坑共44个，坑中坑的坑底高差一般在2.2～2.5 m左右，其中38个坑中坑采用放坡开挖，其余6个坑中坑位于基坑西北段。由于该区第二层土层为淤泥质粘性土层或淤泥层，土质很差，故需考虑坑中坑支护。

　　坑中坑各土层的物理力学性能指标如表1所示。

　　2 型钢与板桩组合式坑中坑支护方法

　　我公司经多年对坑中坑围护的实践研究，开发出一种型钢混凝土复合板桩坑中坑围护施工技术。该技术在基坑底部的坑中坑位置四周各施作导沟，在导沟内施作自制预制板桩与自制组合型钢，板桩与导沟之间通过自行研制的定位支架固定[6-7]。转角处采用H型钢与C型钢焊接而成的转角组合型钢连接，用现场挖机将预制板桩与型钢压入围护土中，将各根板桩通过型钢连接成为一道整体性较好的板墙。型钢与板桩组合式支护平面、立面示意图分别如图1a、图1b所示。

　　3 坑中坑支护长度的取值

　　在坑中坑支护设计中，朗肯土压力理论不考虑土体与墙壁间的摩擦力，库伦土压力理论只能用于计算非粘性土。粘性土中的粘聚力对土压力影响明显，不少学者采用朗肯土压力理论与库伦土压力理论结合的形式，提出粘性土的等效内摩擦角[8]，对粘性土的土压力进行简化。计算公式为

　　其中，h为坑中坑深度，为土的内摩擦角，c为土的粘聚力，ρ为板后土的密度，为等效内摩擦角。

　　本工程坑中坑深度h为2.5 m，土体容重为18.5 kN/m2，地面荷载为24.8 kN/m2，等效内摩擦角取33.3°。采用型钢与板桩组合无锚式板桩支护结构，由于型钢的刚度比混凝土板桩大，按最不利因素考虑，设计该板桩桩长及最大弯矩，如图2所示的布鲁姆理论受力示意图。

　　4 软土地区坑中坑支护设计最大弯矩及配筋面积计算

　　板桩最大弯矩的作用点，即是结构端面剪力为零的点。如图2所示，当剪力为零的点在坑中坑底面以下深度为b时，即满足，那么

　　根据支护板桩与H型钢的刚度进行弯矩设计分配，板桩的Ec=3×104 MPa，板桩的Ic=bh3/12 =9 366 cm4，H型钢的Eh=2.06×104 MPa，H型钢的Ih=bh3/12=5 799 cm4，支护板桩的设计最大弯矩为

　　为满足可靠度的要求，在实际设计中计算板桩内力时，将荷载标准值乘以荷载分项系数。根据最新国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2018[10]中第8.2项条文规定，建筑结构的作用分项系数，应采用其中的表8.2.9。因此板桩最大弯矩设计值为

　　先假设受力钢筋按一排布置，其中混凝土强度等级为C30，混凝土轴心抗压强度设计值fc=14.3 N/mm，fy=360 N/mm。

　　其中，ξb为相对界限受压区高度，Es为钢筋的弹性模量，为受压区边缘混凝土的应变，为高度系数。

　　其中，为结构重要性系数;为板桩最大弯矩设计值;为系数，根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002 的6.2.6条的规定计算;b为板桩挡土面宽度;h0为板桩截面有效高度，取88 mm。

　　5 施工应用

　　综合第3章和第4章的测算，将支护板桩的钢筋配置为910mm。板桩及型钢设计图如图3所示，板桩现场施工示意图如图4所示，型钢与板桩组合式坑中坑支护示意图如图5所示。

　　6 讨论与结论

　　(1)杭州运河中央公园工程部分坑中坑土质为淤泥质粉质粘土，土质较差，并且部分坑中坑距离工程桩较近，在不允许采用放坡的情况下，传统基坑中的坑中坑支护方案难度较大。因此，本工程的坑中坑支护采用创新的设计与施工方法，将板桩与板桩之间采用型钢连接，坑中坑支护转角处采用H型钢与C型钢焊连接，并通过现场挖机配合施工，充分考虑现场施工条件、施工机具、结构安全等因素。实践证明本支护方案安全性高、现场施工方便、经济合理。

　　(2)本文以朗肯土压力理论与库伦土压力理论结合的形式，采用粘性土的等效内摩擦角对支护参数进行计算。考虑了墙后均载和水位的影响，避免等效内摩擦角取值过大时设计的板桩的长度L与弯矩M偏小，避免板桩处于不安全状态，同时避免经济上的浪费。

　　(3)本工程设计初期进行了大胆简化计算。首先根据板桩插入土体的受力平衡计算插入深度L，求出最大弯矩Mmax;再将板桩与型钢的共同体按各自材料刚度进行弯矩分配，通过计算板桩的最大弯矩Mc max，设计板桩配筋面积As，从而完成坑中坑挡土支护设计。

　　实践证明，本工程现场检查变形量满足相关国家标准要求，坑中坑支护自身稳定较好，板桩没有出现裂缝，坑中坑支护底部没有出现涌土现象。

　　基金项目

　　浙江省住房和城乡建设厅科学技术项目“预制混凝土构件在临时施工设施中的应用与研究”(2018K135)

　　参考文献

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　　[3] 梁永恒， 黄俊光. 基坑工程坑中坑后设计应对措施分析[J]. 广东土木与建筑， 2018， 25(4)： 25-28.

　　[4] 黄炫栩. 深厚软土地区坑中坑的影响特性研究[D]. 广州： 广州大学， 2019.

　　[5] 吴铭炳， 林大丰， 戴一鸣， 等. 坑中坑基坑支护设计与监测[J].岩土工程学报， 2006， 28(Z1)： 1569-1572.

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　　[7] 洪佳杰， 童国军， 吴刚， 等. 一种用于板桩垂直度与侧向控制的定位装置： CN201820629001.6 [P]. 2019-01-01.

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　　[9] 周虹. 无锚式板桩计算与应用[J]. 江南学院学报， 1998， 13(4)： 76-83.

　　[10] 建筑结构可靠度设计统一标准： GB50068-2018[S]. 北京： 中华人民共和国建设部， 2009.

　　[11] 混凝土结构设计规范(附条文说明)： 2015年版： GB 50010-2002[S]. 北京： 中国建筑科学研究院， 2010.