朱 同，李樹凱，張偉林

（1.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院，南昌330095；2. 山東新匯建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 東營257091；3.江西省昌水建設(shè)工程有限公司，南昌330095）

由于U型鋼板樁具有結(jié)構(gòu)簡單、施工快捷、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于基坑開挖支護(hù)中［1］。 U型截面樁是通過位于其中心線的聯(lián)鎖接頭連接在一起從而形成一整體，但是U型截面樁由于樁間滑移而引起的剪力傳遞不完全，以致降低了樁的抗彎剛度，這種現(xiàn)象被稱為抗彎剛度折減效應(yīng) （RMA效應(yīng)）［2］。當(dāng)剪力在U型截面樁的聯(lián)鎖裝置中充分傳遞時，這些樁將作為一個整體承受荷載；然而，在實(shí)踐中，U型截面樁聯(lián)鎖裝置中的剪力是部分傳遞的， 因此研究折減模量作用對U型截面鋼板樁的影響有一定的實(shí)用價值。 對于U型鋼樁，RMA削弱了U型鋼板樁間的相互作用。 Lohmeyer［3］首先討論了U型鋼板樁的RMA效應(yīng)，在其研究中，采用經(jīng)典的梁理論，討論了在考慮和不考慮聯(lián)鎖裝置間剪力傳遞的情況下使用樁的抗彎剛度， 同時指出鋼板樁失效的主要原因是咬合不完全。Williams和Little［4］進(jìn)一步證實(shí)了RMA現(xiàn)象的存在，監(jiān)測了全尺寸樁的彎曲應(yīng)力，進(jìn)行了U型鋼板樁間剪力傳遞的試驗(yàn)研究，得出結(jié)論，聯(lián)鎖裝置之間的摩擦力受鋼板樁插入過程和聯(lián)鎖裝置間土壤性質(zhì)的影響。 駱冠勇等［5］對新光大橋橋墩鋼板樁圍堰進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并獲取了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)處理發(fā)現(xiàn)實(shí)測位移與設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果差異很大， 最后建議在變形較小時各樁單獨(dú)作用，變形較大的后期，由于鎖口咬合比較緊密，可用理想樁墻的剛度計(jì)算其變形。劉震宇［6］通過有限元數(shù)值模擬計(jì)算，探討了當(dāng)鎖口摩擦系數(shù)和荷載作用模式不同及施加樁頂約束3種情況下U 型組合鋼板樁的彎曲剛度，指出實(shí)際工程設(shè)計(jì)中在計(jì)算時鋼板樁彎曲剛度折減系數(shù)的取值不宜小于0.5。數(shù)值模擬通常用于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，在對稱荷載條件下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可簡化為二維平面應(yīng)變問題。 在現(xiàn)有研究中，Chowdhury等［7］采用Mohr-Coulomb模型描述土體性狀， 采用梁單元模擬樁體， 得到支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對開挖過程的影響。Azzam和Elwakil［8］采用類似的方法模擬了樁壁受軸向力的作用，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

本文以世紀(jì)名匯商業(yè)中心（KCGD2018-22號地塊）基坑為背景，通過數(shù)值模擬分析了非對稱荷載作用下鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力。 ①采用三維有限元法，采用增量法模擬基坑開挖過程，考慮了鋼板樁應(yīng)力和變形的累積效應(yīng)。 ②提出了表征該效應(yīng)的敏感性指標(biāo)，根據(jù)實(shí)測資料和理論計(jì)算，確定了該地區(qū)鋼板樁的RMA指標(biāo)。③基于推導(dǎo)的RMA指標(biāo)，對類似基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)和調(diào)整。

1 項(xiàng)目背景及數(shù)值模型

1.1 工程概況

擬建場地位于昆明市官渡區(qū)金馬街道辦事處方旺片區(qū)虹橋路（機(jī)場高速）與東三環(huán)交叉口，距離市中心6.93km，距地鐵3號線東部汽車站和虹橋路站較近。世紀(jì)名匯商業(yè)中心（KCGD2018-22號地塊）為二類居住用地。根據(jù)建設(shè)單位提供的用地紅線圖和設(shè)計(jì)單位提供的勘察任務(wù)書，該地塊擬建8棟高層住宅（21～30層），結(jié)構(gòu)型式為剪力墻結(jié)構(gòu)，整個場地均設(shè)兩層地下室，地下室的結(jié)構(gòu)型式為框架結(jié)構(gòu)。 本文考慮兩個基坑：1號和2號，尺寸為17.5m×12.5m。

U型鋼板樁為基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)， 鋼板樁長18m，嵌入長度7.37m，單樁鋼板樁的寬度、高度和厚度分別為400，170，15.5mm。 由于開挖基坑距幸福家園小區(qū)較近， 所以在靠近既有建筑物一側(cè)加以鋼管樁支護(hù)，以避免基坑開挖對既有建筑物的影響。每個支撐結(jié)構(gòu)中有4個環(huán)型梁。各環(huán)型梁均采用中撐和角撐支撐，支撐結(jié)構(gòu)的布局如圖1。

圖1 鋼板樁支護(hù)布置

1.2 有限元模型

為了更準(zhǔn)確地計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力， 建立了整個支撐結(jié)構(gòu)的三維有限元模型， 本文采用梁單元模擬鋼管樁、鋼板樁、環(huán)型梁、中支撐和角支撐，共2326個元素和2384個節(jié)點(diǎn)； 采用增量法處理開挖過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的累積效應(yīng)，最終支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2。

圖2 數(shù)值模型

1.3 地質(zhì)概況

為了模擬鋼板樁周圍土體，采用彈簧單元模擬鋼板樁的土支護(hù)，并用m法計(jì)算彈簧的剛度。土壓力按朗肯土壓力理論計(jì)算，開挖過程中鋼板樁的邊界和荷載如圖3，開挖現(xiàn)場的土壤地層參數(shù)如表1。

圖3 邊界和荷載變化

表1 開挖現(xiàn)場的地質(zhì)參數(shù)

2 鋼板樁開挖應(yīng)力分析及監(jiān)測結(jié)果對比

2.1 開挖應(yīng)力分析

為分析不同RMA值對鋼板樁應(yīng)力和變形的影響，選擇100%，80%，60%，40%，20%，0%的RMA。 當(dāng)考慮100%RMA時， 聯(lián)鎖裝置中傳遞的剪力為零，鋼板樁的抗彎剛度達(dá)到最小值（EI=11675cm4/m）。 相應(yīng)地，0%RMA意味著聯(lián)鎖裝置中的剪力完全傳遞，鋼板樁的抗彎剛度將達(dá)到最大值（EI=36800cm4/m）。

在不同的RMA情況下，鋼板樁的變形趨勢相似。鋼板樁的最大變形發(fā)生在樁頂，100%RMA情況下的最大變形值為137mm，0%RMA情況下為55mm，如圖4（a）。 對于不同RMA值的鋼板樁的應(yīng)力分析，100%RMA時的拉應(yīng)力為298MPa，0%RMA時為85.5MPa，100%RMA 時 的 壓 應(yīng) 力 為-102MPa，0%RMA 時 為-47.6MPa。 與其他RMA值相對應(yīng)的鋼板樁應(yīng)力介于兩個極限情況之間，如圖4（b），從計(jì)算結(jié)果可看出，不同的RMA對鋼板樁的位移和應(yīng)力影響是顯著的。結(jié)果還表明，同時采用鋼管樁和鋼板樁時，鋼板樁的應(yīng)力即使在100%RMA時仍能滿足要求。

圖4 基坑開挖后不同RMA值下鋼板樁的變形與應(yīng)力

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

在本工程中，選擇鋼板樁頂部邊緣的位置作為測量點(diǎn)，如圖5。 對1號基坑開挖過程中的變形進(jìn)行了監(jiān)測。1號基坑監(jiān)測結(jié)果表明，基坑開挖接近基坑底部時，樁頭變形趨于穩(wěn)定，圖6表明，各測點(diǎn)的變形趨勢相似，最大變形量86.6mm，與60%RMA的預(yù)測值非常接近。

圖5 鋼板樁變形測點(diǎn)布置圖

圖6 1號基坑樁頭側(cè)向位移觀測

RMA值下鋼板樁的計(jì)算變形與實(shí)測變形進(jìn)行比較，以確定RMA值，如圖7（a），當(dāng)RMA為60%時，測量值與計(jì)算值基本一致， 相對誤差分別為3.7%和-1.5%，滿足小于5%的精度要求。 此外，所有測量點(diǎn)的平均值也接近預(yù)測值，如圖7（b）。 由此初步推斷，在當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件下，鋼板樁的RMA值為60%。

圖7 1號基坑樁頭實(shí)測與預(yù)測變形

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對1號基坑的開挖，確定了該區(qū)地質(zhì)條件下鋼板樁的RMA為60%。 在此基礎(chǔ)上，建立了2號基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，優(yōu)化結(jié)果表明，在沒有鋼管樁的情況下，鋼板樁的應(yīng)力仍能滿足強(qiáng)度要求，在施工過程中鋼板樁的最大應(yīng)力為181MPa，在設(shè)計(jì)允許值范圍內(nèi)，如圖8。 為此，在原方案基礎(chǔ)上取消了鋼管樁，以節(jié)省施工時間和投資。計(jì)算了無管樁的鋼板樁的變形，鋼板樁最大變形為115mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置是離基坑底部7.5m附近。

圖8 2號基坑開挖過程中鋼板樁的應(yīng)力和變形計(jì)算值

2號基坑變形監(jiān)測點(diǎn)布置與1號基坑一致，從圖9（a） 可看出2號樁頭的變形趨勢與69號樁頭相似，從圖9（b）看出所有測點(diǎn)的平均值均接近預(yù)測值，樁頭最大變形實(shí)測值120.0mm， 相應(yīng)預(yù)測值115.0mm，實(shí)測值與預(yù)測值的相對誤差為4.3%， 基坑開挖至第二環(huán)型梁時，實(shí)測值與預(yù)測值均小于1mm，說明相對誤差對工程無意義。 因此，推斷60%RMA值是合適的。

圖9 2號基坑樁頭實(shí)測與預(yù)測變形分析

3.2 效益分析

因?yàn)榭紤]RMA的確切影響， 取消了原設(shè)計(jì)方案中的鋼管樁，因此，施工時間至少縮短了15d，施工費(fèi)用減少了約350萬元，對于總的工程成本節(jié)約將是巨大的。 因此，對于U型鋼板樁，獲得一個合理的RMA值勢在必行。 眾所周知，在開挖過程中，臨界應(yīng)力狀態(tài)是在開挖的最后階段達(dá)到的，因此，可以根據(jù)開挖初期的實(shí)測數(shù)據(jù)推算出RMA值， 利用推導(dǎo)出的RMA值對支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行重新評價和優(yōu)化， 使支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又安全。

4 結(jié)語

通過對世紀(jì)名匯商業(yè)中心U型鋼板樁支護(hù)基坑進(jìn)行了實(shí)例研究， 對基坑建立了支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，并進(jìn)行了RMA參數(shù)分析，得出結(jié)論：

（1）對于鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，在三維數(shù)值模型中， 基坑開挖和未開挖區(qū)域中的土體可分別模擬為土壓力和支護(hù)彈簧。在此基礎(chǔ)上，實(shí)測值與理論值吻合較好，并對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評價。

（2）通過比較理論數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)，對該情況的RMA值進(jìn)行標(biāo)定，建議U型鋼板樁的RMA 值初步取60%。