H+Hat組合型鋼板樁基坑支護結構三維數值模擬研究

樊金平 高秀梅

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

H+Hat組合型鋼板樁基坑支護結構三維數值模擬研究

樊金平 高秀梅

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

H+Hat組合型鋼板樁作為一種新型基坑支護結構，相對于傳統的鋼筋混凝土支護結構具有施工速度快、環境影響小、經濟性好等諸多優點，在鐵路工程、建筑工程、港灣工程等領域中具有廣泛的應用前景。采用三維數值模擬技術對H+Hat組合型鋼板樁在基坑開挖過程中的土壓力分布、鋼板樁內力和變形以及基坑周邊土體的變形進行研究。

基坑 H+Hat組合型鋼板樁 數值模擬

1 概述

基坑支護大多采用鉆孔灌注樁、地下連續墻等鋼筋混凝土結構，一次使用后即被永久埋植在地下，不具備重復使用性，造成較大的浪費。

H+Hat組合型鋼板樁是近年來出現的一種新型臨時性支護結構，采用熱軋寬幅帽型鋼板樁(Hat型鋼板樁)和H型鋼樁通過焊接組合，形成一個統一受力整體來抵抗水土壓力。各鋼板樁之間通過鎖口進行咬合連接，施工時在鎖口涂抹膨潤材料可達到良好的止水效果。其中帽型鋼板樁采用日本進口，型號有NSP-10H和NSP-25H兩種，H型鋼采用國產標準，其型號較多，根據工程需要參考國標《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》(GBT 11263—2010)進行選用。其照片及結構見圖1、圖2。

圖1 H+Hat組合型鋼板樁

圖2 H+Hat組合型鋼板樁構造

相對于傳統鋼筋混凝土基坑支護結構，H+Hat組合型鋼板樁具有施工速度快、環境影響小、工程結束后可拔出重復使用等優點；相對于HZ/AZ、CAZ等其它組合型鋼板樁，H+Hat組合型具有構造簡單、抗彎剛度大、止水性能好、受力形式合理、鋼材利用率高、經濟性好等特點，在基坑工程中具有廣泛的應用前景。目前，H+Hat組合型鋼板樁在日本和菲律賓已開始應用并逐漸推廣，但國內由于缺乏相關技術研究和應用推廣，目前尚未在實際工程中應用。擬通過三維數值模擬技術，對H+Hat組合型鋼板樁支護結構的土壓力分布特征、支護結構強度、穩定性以及其對基坑周邊環境的變形控制效果進行研究，為H+Hat組合型鋼板樁基坑支結構的推廣應用提供理論支撐和技術支持。

2 基坑概況及支護方案設計

2.1 基坑概況及工程地質條件

某工程基坑長87.20 m，寬72.60 m，開挖深度為14.60 m，開挖面積約6 900 m2，周長為340 m。

場地土層由上至下分別為：①人工填土層；②第四系全新統沖積黏土層；③第四系全新統粉土、粉砂、淤泥質黏性土層；④第四系全新統沖積砂土層；⑤白堊—下第三系強風化泥質砂巖。各層土的物理力學參數見圖3。場地地下水可分為兩類型：上層為賦存于填土層的上層滯水，水量不大且隨季節變化，由大氣降水及人工排水補給；下層為賦存于砂土層中的孔隙承壓水，水量較豐富，年變化幅度為2.0～3.0 m。

圖3 支護結構平面布置(單位：mm)

2.2 支護方案設計

根據基坑形式及工程地質條件，確定支護方案為：H+Hat組合型鋼板樁+鋼筋混凝土內支撐系統。鋼板樁采用牌號為SYW295的NSP-10H帽型鋼板樁與牌號為Q345的HN800×300H型鋼進行組合，組合鋼板樁每延米截面模量為8 964 cm3/m。內支撐系統采用鋼筋混凝土梁支撐，平面布置見圖3；考慮到基坑開外深度較大，并且土質條件一般，故從上到下共布置三道支撐，支護結構剖面布置見圖4。由于鋼板樁自身具有良好的防水性能，基坑底部距離含水砂層尚有一定厚度。計算表明基坑開挖面以下至含水層頂板地基土自重可以避免坑底涌水，在采用鋼板樁進行基坑支護時，不需要再采用豎向隔滲和降水等措施。

圖4 支護結構剖面布置

3 三維數值模擬研究

3.1 數值計算模型

以上述工程基坑為例，采用巖土工程通用有限元軟件midas GTS建立數值計算模型，對土體采用摩爾-庫倫模型，鋼板樁采用Von Mises模型，鋼筋混凝土采用線彈性模型。計算模型取基坑外側3倍基坑開挖深度范圍，基坑底部取鋼板樁底端以下20 m。考慮到基坑形狀的對稱性并節省計算機時，以基坑中軸線為剖分面取1/4基坑建立計算模型，建立的有限元模型長85.6 m，寬78.3 m，高40 m。有限元模型及網格劃分見圖5、圖6。

圖5 基坑三維有限元計算模型

3.2 計算工況

在進行數值計算時，采用不同施工步驟，計算結果也會有明顯的差異。為了真實地反映基坑及支護結構在施工過程中的應力及變形特征，計算時按實際施工步驟分以下9個工況。

工況1：初始地應力生成；

工況2：施工鋼板樁及立柱；

工況3：開挖基坑至2.1 m；

工況4：在1.3 m處設置好第一道支撐；

工況5：開挖基坑至8.0 m；

工況6：在7.2 m處設置好第二道支撐；

工況7：開挖基坑至12.0 m；

工況8：在11.2 m處設置好第三道支撐；

工況9：開挖基坑至14.1 m。

3.3 計算結果分析

(1)土壓力分析

各工況下的主、被動土壓力計算結果見圖7。

圖7 各工況下的主、被動土壓力

主動土壓力：

由圖7右側曲線可知，在初始工況下，鋼板樁上的主動土壓力分布類似于三角形加矩形分布。隨著基坑的開挖，基坑開挖面上部和開挖面以下的土壓力量值都有所減小，但開挖面以上分布形式基本不變，保持原有的三角形分布，開挖面以下逐漸由矩形分布變為中間向內凹陷的弧形分布。

建筑基坑支護技術規程(JGJ 120—2012)中，對主動土壓力計算規定在基坑開挖面以上采用三角形分布，開挖面以下采用矩形分布，并不隨基坑開挖過程變化。對比數值計算結果發現，規范采用的土壓力分布形式將會使計算結果偏大，設計偏安全，可以在鋼板樁支護結構設計中采用。

被動土壓力：

由圖7左側曲線可知，在初始工況下，鋼板樁上的被動土壓力接近于三角形分布，隨著基坑的開挖，土壓力分布逐漸由三角形分布變為為向外凸起的弧形分布。這主要是由于較深部位的土體對鋼板樁的嵌固作用較大，鋼板樁的變形較小，被動土壓力增長較小，而靠近中部的鋼板樁變形較大，被土壓力增長也較大，在開挖至基坑設計深度時，被動土壓力變成了倒三角形分布。

建筑基坑支護技術規程(JGJ 120—2012)中，對被動土壓力計算采用三角形分布，這種分布形式在初始開挖階段樁體主要發生繞樁底的剛性轉動時適用。隨著開挖的進行，鋼板樁發生撓曲變形，這時仍采用三角形分布計算被動土壓力將導致計結果偏大，使支護結構設計偏于不安全。因此，在設計時對于變形近似于剛性轉動懸臂式支護結構，可以采用三角形分布。對于撐、錨式支護結構，采用三角形分布計算時，需要對被動土壓力進行一定折減，根據本文計算結果，折減系數范圍為0.5～0.9。

(2)鋼板樁內力及變形分析

彎矩：

各工況下樁身彎矩變化曲線見圖8。由圖8可知，鋼板樁的最大彎矩位于鋼板樁中部偏上的位置，基坑開挖過程中的彎矩分布形式基本不變。隨開挖深度的增加，最大彎矩值逐漸增大，最大彎矩值為540 kN·m，此時樁身應力為60.24 MPa<[345 MPa]，樁身應力遠小于屈服強度，樁身強度滿足要求。

圖8 各工況下的彎矩計算結果

軸力：

各工況下樁身軸力變化曲線見圖9。由圖9可知：基坑開挖過程中，鋼板樁的軸力分布形式變化較大，初始開挖階段以壓應力為主，隨基坑開挖的進行，土體變形帶動鋼板樁變形，使樁身上部逐漸受拉，最大拉應力出現在開挖面以上一定距離處，并隨基坑開挖的進行逐漸增大。

圖9 各工況下的軸力計算結果

水平位移：

各工況下樁身水平位移變化曲線見圖10。由圖10可知，鋼板樁的最大水平位移位于中部偏上的位置。在初始開挖階段(工況2～4)，鋼板樁的水平位移在樁頂最大，鋼板樁變形方式接近于繞樁底的剛性轉動；從第2次基坑開挖開始(工況5)，鋼板樁變形以中部撓曲變形為主，變形量隨開挖深度的增加而逐漸增長，而樁頂水平位移基本保持不變。這主要是因為在初始階段鋼板樁所受荷載較小，鋼板樁變形以剛體運動為主，且樁頂支撐力沒有充分發揮。隨著基坑的開挖，鋼板樁所受荷載逐漸增大，變形也逐漸增大，樁頂支撐力也逐漸發揮限制了樁頂位移，中部水平位移逐步超過樁頂位移。

樁身最大水平位移量值為27.6 mm，對變形要求嚴格的基坑，規范一般要求水平位移小于0.002倍基坑開挖深度，對本基坑為28.2 mm，滿足要求。但對比彎矩和水平位移計算結果可以發現，支護結構在變形量接近極限值時，其強度還有較大的富裕，在進行組合鋼板樁結構設計時，在滿足內力的情況下，需要為滿足變形要求而增加額外的剛度。

圖10 各工況下的水平位移計算結果

(3)基坑及周邊土體變形分析

地表沉降：

開挖至基坑設計深度時，基坑長邊側中軸線方向的地表沉降最大，最大地表沉降量為6.5 mm，位于距基坑開挖邊界10.5 m處。相關規范中一般要求地表最大沉降量不超過基坑開挖深度的0.15%，對本基坑為21 mm，地表沉降滿足要求。

不同工況下發生地表沉降的范圍以及地表沉降的變化見圖11。由圖11可知，在0.25倍基坑開挖深度范圍內，地表變形為向上隆起，最大隆起變形量為3 mm；最大地表沉降位于0.75倍基坑開挖深度處，隨著基坑開挖，地表最大沉降量也逐漸增大；地表沉降的影響范圍主要集中在1.5倍基坑開挖深度范圍內，超過這一范圍后沉降趨于穩定，量值也很小，對周邊環境基本無影響。

圖11 不同工況下的地表沉降變化曲線

地表水平位移：

開挖至基坑設計深度時，基坑最大地表水平位移量值為29.8 mm，相關規范中一般要求地表最大沉降量不超過基坑開挖深度的0.4%，對本基坑為56.4 mm，地表水平位移量滿足要求。

不同工況下發生地表水平位移的范圍以及位移量的變化見圖12。由圖12可知，地表水平位移最大值位于基坑開挖邊界處，向外逐漸減小，其減小規律近似于拋物線分布，地表水平位移的影響范圍主要集中在2倍基坑開挖深度范圍內，超過這一范圍后沉降趨于穩定，量值也很小，對周邊環境基本無影響。

圖12 不同工況下的地表水平位移分布及變化曲線

坑底隆起：

開挖至基坑設計深度時，基坑底部主要發生隆起變形，在坑底中點處隆起變形最大，最大量值為21 mm，相關規范中一般要求地表最大沉降量不超過基坑開挖深度的0.2%，對本基坑為28.4 mm，坑底隆起滿足要求。

4 結論

(1)H+Hat組合型鋼板樁作為一種臨時性支護結構應用于基坑工程，對于解決目前鋼筋混凝土基坑支護結構造價高、工期長、施工場地占用大、施工泥漿污染環境等方面的問題具有重要意義，其應用前景十分廣闊。

(2)在進行H+Hat組合型鋼板樁設計時，對主動土壓力可采用基坑開挖面以上三角形分布，開挖面以下矩形分布進行計算；對被動土壓力，可采用三角形分布進行計算，但需根據支護結構形式決定是否對被動土壓力進行折減，對懸臂式支護結構可不進行折減，對撐、錨式結構需對三角形分布計算結果進行折減后使用，建議折減系數為0.5～0.9。

(3)數值計算表明，H+Hat組合型鋼板樁在基坑施工過程中的樁身內力和變形值均滿足相關規范要求，支護結構安全、穩定；此外，H+Hat組合鋼板樁在變形量接近極限值時，其強度還有較大富裕。因此，在進行其結構設計時，除滿足內力的要求外，還需要為滿足變形要求而增加額外的剛度。

(4)數值計算表明，H+Hat組合型鋼板樁基坑支護結構在基坑施工過程中能良好地控制基坑周邊地表沉降、地表水平位移以及坑底隆起變形，變形控制效果良好。

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TheThreeDimensionalNumericalSimulationResearchofH+HatCombinedSteelSheetPile

FAN Jin-ping GAO Xiu-mei

2014-08-20

樊金平(1987—)，男，2013年畢業于中國地質大學(武漢)地質工程專業，工學碩士，助理工程師。

1672-7479(2014)06-0064-05

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