翟永勇

(南京勘察工程有限公司，江蘇 南京 210007)

1 概述

鋼板樁圍堰是橋梁承臺(tái)基坑施工中常用的一種方案，它具有施工速度快、可循環(huán)利用、安全性高、監(jiān)測(cè)手段多的特點(diǎn)，在工程中被廣泛利用且有良好的性能[1-2]。為了保證鋼板樁圍堰在施工中的安全與質(zhì)量，對(duì)其不同工況下的受力狀態(tài)需要進(jìn)行驗(yàn)算。林毅峰等應(yīng)用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)基坑與圍堰進(jìn)行了共同作用下的平面和空間有限元施工仿真計(jì)算41 m超深基坑與圍堰的相互作用對(duì)二者的內(nèi)力和變形產(chǎn)生的影響，得出基坑開(kāi)挖使圍堰樁基下部水平位移增大及圍堰變形導(dǎo)致基坑支撐軸力增大是最主要的[3]；何良德等利用ABAQUS軟件對(duì)深水超長(zhǎng)鋼板樁圍堰受力特性進(jìn)行了分析，對(duì)鋼板樁圍堰施工全過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，得出基坑開(kāi)挖完成后，樁后土壓力呈R形分布，入土段下部彈性嵌固作用明顯，封底混凝土頂部在抽水后、冠梁在拆撐過(guò)程中有顯著的支承作用，鋼板樁彎矩在第二道內(nèi)撐拆除后最大，底撐在抽水后反力最大，其他各道內(nèi)撐分別在下一道內(nèi)撐拆除后反力最大[4]；黃文武結(jié)合MIDAS軟件建模對(duì)拉森鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)施工的過(guò)程與難點(diǎn)進(jìn)行了分析，得出拉森鋼板樁整體剛度大、防水性能好，用于深基坑支護(hù)具有很好的穩(wěn)定性、安全性和防水能力，能為基坑內(nèi)墩臺(tái)施工作業(yè)提供良好環(huán)境[5]；丁向東基于GTS-NX軟件建立了深基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的三維有限元模型，對(duì)比分析了工程實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，驗(yàn)證了模型的合理性[6]；孫煥重將施工分為三個(gè)典型工況并分別對(duì)板樁、支撐體系及圍檁的強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算，得出鋼板樁圍堰在不同施工階段的強(qiáng)度、支撐穩(wěn)定性、基坑抗隆起穩(wěn)定性、嵌固穩(wěn)定性等均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求[7]；彭淵等利用MIDAS GTS進(jìn)行了鋼板樁圍堰整體抗滑穩(wěn)定分析，得出的結(jié)論與傳統(tǒng)的畢肖普法計(jì)算結(jié)果相近[8]；孔德國(guó)利用MIDAS對(duì)雙排拉森鋼板樁進(jìn)行了數(shù)值模擬且得出的計(jì)算結(jié)果明顯優(yōu)于PLAXIS軟件計(jì)算所得[9]。羅毅等利用PLAXIS數(shù)值模擬軟件建立有限元模型系統(tǒng)地研究了海域雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑變形特性及相互影響規(guī)律，分析了圍堰與基坑距離、基坑內(nèi)支撐形式及基坑開(kāi)挖步序等因素對(duì)鋼板樁圍堰變形的影響作用[10]。

由此可見(jiàn)利用空間有限元分析軟件對(duì)基坑圍堰進(jìn)行建模分析驗(yàn)算具有充分的可行性。本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)不同工況下鋼板樁圍堰的受力狀態(tài)進(jìn)行分析并給出了相應(yīng)驗(yàn)算方法的理論依據(jù)，最后應(yīng)用MIDAS Civil對(duì)鋼板樁圍堰施工中不同工況下圍檁與支撐的組合應(yīng)力、剪應(yīng)力及最大位移進(jìn)行建模分析驗(yàn)算，更加直觀的得出不同受力狀態(tài)下圍堰的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況。

2 工況分析

2.1 模型參數(shù)

某新建城際鐵路站前工程因橋梁承臺(tái)施工需求，為防止水污染并確保水土不流失，需建鋼板樁圍堰，基坑深度在5 m～8 m范圍內(nèi)，基坑填筑后近乎陸域施工，針對(duì)最不利情況進(jìn)行計(jì)算，若該工況下鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足要求，則所有承臺(tái)均能滿(mǎn)足要求。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)、地形和施工環(huán)境，支護(hù)形式均采用拉森Ⅵ型鋼板樁。

該工程位于××三角洲平原區(qū)，除零星出露少量殘丘外，均為深厚第四系地層，成因主要為沖湖積、湖沼積、沖洪積、沖海積，地層巖性變化較大，工程地質(zhì)條件較差。上部為褐黃色、淺灰色黏土、粉質(zhì)黏土，軟～硬塑，層厚0 m～3.5 m；灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土；灰黃色～青灰色粉、細(xì)砂層，層厚15 m～35 m；下部為第四系更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，暗綠～褐黃色，硬塑，層厚5 m～25 m；褐黃色、灰色粉土、粉細(xì)砂互層，層厚15 m～20 m，底部為褐灰色粉質(zhì)黏土，灰色細(xì)砂、含礫粗砂，砂礫層。

水文條件現(xiàn)場(chǎng)河網(wǎng)湖塘分布較密集，地表水極發(fā)育。其上部土層結(jié)構(gòu)為黏性土層，下部土層含多層粉細(xì)砂層，淺層地下水屬孔隙潛水，潛水位埋深0.5 m～3 m不等，下部砂層為良好的含水層，地下水具微承壓性，地下水較豐富，水位變化幅度不大。

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，部分基坑位置存在較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，該土層力學(xué)性質(zhì)較差，因此計(jì)算時(shí)土質(zhì)以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土為主，考慮最不利工況情況下，該MIDAS Civil的基坑模型中，土層設(shè)置為三層，分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土以及持力層，具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。持力層的存在是為了限制在初始應(yīng)力狀態(tài)下激活大尺寸結(jié)構(gòu)瞬時(shí)產(chǎn)生的過(guò)大的豎直方向的位移，因此持力層的參數(shù)實(shí)際上對(duì)基坑的變形不會(huì)產(chǎn)生太大影響。圍堰考慮一側(cè)長(zhǎng)邊外有施工便道，施工中不允許在圍堰周?chē)淹痢?/p>

表1 土層力學(xué)參數(shù)表

鋼板樁、圍檁和內(nèi)撐均采用Q235鋼，封底混凝土采用C30混凝土。鋼圍堰采用拉森鋼板樁SP-Ⅵ型，圍堰結(jié)構(gòu)尺寸為13.05 m×8.9 m。圍檁和角撐采用2HW400×400×13×21型鋼，橫撐采用φ609×16 mm鋼管。封底采用0.5 m厚C30混凝土。各材料參數(shù)取值如表2～表4所示。

表2 材料參數(shù)特征表

表3 材料允許應(yīng)力表

表4 混凝土材料特性表

鋼板樁長(zhǎng)15 m，圍堰共設(shè)置2道支撐，間距為3 m。結(jié)構(gòu)如圖1,圖2所示。

2.2 施工過(guò)程工況分析

根據(jù)施工情況及圍堰受力情況的不同可分成4種代表性工況，如表5所示。

表5 工況分析

由表5可知工況四受力情況和工況三基本相同，且工況四有一道混凝土封底支撐，相較工況三更安全，故無(wú)需再對(duì)工況四進(jìn)行受力分析和復(fù)核計(jì)算。

對(duì)于荷載的組合形式可按照式(1):

(1)

其中，Sd為荷載組合；γGi為恒荷載分項(xiàng)系數(shù)；sGi為恒荷載；γQj為活荷載分項(xiàng)系數(shù)；sQj為活荷載。對(duì)于該模型各個(gè)工況下可以考慮兩種荷載組合形式：1)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合形式，其中取恒荷載分項(xiàng)系數(shù)為1，活荷載分項(xiàng)系數(shù)為1。2)荷載基本組合形式，其中取恒荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2，活荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4。

鋼板樁強(qiáng)度可用基本組合下鋼板樁組合應(yīng)力檢驗(yàn)，剛度可用標(biāo)準(zhǔn)組合下通過(guò)鋼板樁位移進(jìn)行驗(yàn)算；而支撐體系強(qiáng)度可用基本組合下圍檁組合應(yīng)力和剪應(yīng)力、內(nèi)支撐軸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力驗(yàn)算。

考慮圍堰四邊外側(cè)均為施工便道，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，按Ⅱ級(jí)公路車(chē)輛均布荷載考慮，取q=7.875 kN/m2。該工程土質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土，黏聚力較大，土壓力計(jì)算用水土合算法。所以結(jié)構(gòu)所受的側(cè)面壓力有圍堰內(nèi)被動(dòng)土壓力、圍堰外側(cè)主動(dòng)土壓力。

現(xiàn)今常用的土壓力計(jì)算理論有朗肯土壓力理論和庫(kù)侖土壓力理論。朗肯土壓力理論假定墻身本身為剛性的，墻背不考慮摩擦力影響，墻體垂直光滑且填土表面水平，墻后填土延伸到無(wú)限遠(yuǎn)處。在實(shí)際工程中使用朗肯土壓力理論得到的結(jié)果偏安全且公式比較簡(jiǎn)單，所以在此例中主動(dòng)土壓力根據(jù)朗肯土壓力理論計(jì)算，被動(dòng)土壓力根據(jù)規(guī)范用土彈簧代替[11-12]。據(jù)此可先繪出鋼板樁圍堰受力分析示意圖，如圖3所示。

3 模型的建立

驗(yàn)算過(guò)程基于MIDAS Civil 2019，可以根據(jù)規(guī)范自動(dòng)生成荷載組合，并可對(duì)具體參數(shù)進(jìn)行修改調(diào)整。其中支撐與圍檁采用梁?jiǎn)卧M，鋼板樁采用板單元模擬。鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)所受的側(cè)向壓力為圍堰內(nèi)被動(dòng)土壓力及圍堰外側(cè)主動(dòng)土壓力之和。主動(dòng)土壓力根據(jù)肯朗土壓力理論計(jì)算：

主動(dòng)土壓力系數(shù)為：

(2)

主動(dòng)土壓力為：

(3)

其中，γ為填土的容重，kN/m3；φ為填土的內(nèi)摩擦角，(°)；c為填土的黏聚力，kPa；H為擋土墻高度，m。

土層參數(shù)根據(jù)地質(zhì)資料確定，H為距基坑底的高度。在建立計(jì)算模型時(shí)，對(duì)鋼板樁圍堰擬采用板單元，根據(jù)等剛度原則將以上鋼板樁截面換算為等抗彎強(qiáng)度的矩形板截面。拉森鋼板樁SP-Ⅳ型單根每米壁寬的鋼板樁截面對(duì)重心軸X-X的截面系數(shù)：W=2 270 cm3，則等剛度的每米寬矩形鋼板截面的厚度為：

(4)

則在計(jì)算模型中板厚采用11.67 cm，并且荷載作用綜合分項(xiàng)系數(shù)取1.3，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。最終模型建立如圖4所示。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 工況一計(jì)算結(jié)果

工況一下由于圍檁及內(nèi)支撐未安裝，所以?xún)H需考慮鋼板樁最大組合應(yīng)力和最大水平位移。根據(jù)計(jì)算，鋼板樁最大組合應(yīng)力為36.0 MPa，小于抗拉抗彎抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[f]215 MPa，見(jiàn)圖5。鋼板樁最大位移為15.9 mm，位移結(jié)果見(jiàn)圖6。

在工況三下，由于降水開(kāi)挖深度相對(duì)較淺，鋼板樁上部受到的側(cè)邊土壓力較小，但由于圍檁及支撐尚未安裝，鋼板樁側(cè)面在此狀態(tài)下呈現(xiàn)出明顯的內(nèi)凹狀，中點(diǎn)處彎矩較大，且自下而上不斷增加。側(cè)面中部組合應(yīng)力相對(duì)較大，而組合應(yīng)力極值出現(xiàn)在側(cè)面相交接縫處。

4.2 工況二計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，工況三下圍檁及支撐最大組合應(yīng)力為67.6 MPa，小于抗拉抗彎抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[f]215 MPa，見(jiàn)圖7。圍檁及支撐最大剪應(yīng)力為21.5 MPa，小于抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[fv]125 MPa，見(jiàn)圖8。

根據(jù)計(jì)算，鋼板樁最大組合應(yīng)力為73.0 MPa，小于抗拉抗彎抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[f]215 MPa，見(jiàn)圖9。鋼板樁最大剪應(yīng)力為42.0 MPa，小于抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[fv]125 MPa，見(jiàn)圖10。

根據(jù)計(jì)算，圍檁及支撐最大位移為6.1 mm

在工況二下，第一道圍檁及支撐安裝完成且降水開(kāi)挖深度達(dá)到4.5 m，此時(shí)可以明顯的發(fā)現(xiàn)鋼板樁的最大位移點(diǎn)由于內(nèi)壁得到支護(hù)向下移動(dòng)至圍檁以下。而圍檁由于受到鋼板樁的擠壓共同發(fā)生形變，最大位移量和最大剪應(yīng)力分別出現(xiàn)在短邊中點(diǎn)處和長(zhǎng)邊中點(diǎn)處。

4.3 工況三計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，工況三下圍檁及支撐最大組合應(yīng)力為99.2 MPa，小于抗拉抗彎抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[f]215 MPa，應(yīng)力圖見(jiàn)圖13。圍檁及支撐最大剪應(yīng)力為73.4 MPa，小于抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[fv]125 MPa，應(yīng)力圖見(jiàn)圖14。

根據(jù)計(jì)算，鋼板樁最大組合應(yīng)力為110.4 MPa，小于抗拉抗彎抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[f]215 MPa，應(yīng)力圖見(jiàn)圖15。鋼板樁最大剪應(yīng)力為63.7 MPa，小于抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[fv]125 MPa，應(yīng)力圖見(jiàn)圖16。

根據(jù)計(jì)算，圍檁及支撐最大位移為8.5 mm

在工況三下，第二道圍檁及支撐安裝完成且降水開(kāi)挖深度達(dá)到7 m，此時(shí)鋼板樁的最大位移點(diǎn)繼續(xù)向下移動(dòng)至第二道圍檁以下，且鋼板樁最大組合應(yīng)力和剪應(yīng)力出現(xiàn)位置仍然在側(cè)面相交接縫處，但同樣移動(dòng)至第二道圍檁以下。從圍檁及支撐組合應(yīng)力結(jié)果圖中可以看出第二道中部長(zhǎng)支撐位移顯著大于第一道中部長(zhǎng)支撐，邊角支撐的位移和剪應(yīng)力差別不明顯，而最大位移量和最大剪應(yīng)力依然出現(xiàn)在第二道圍檁短邊中點(diǎn)處和長(zhǎng)邊中點(diǎn)處。

4.4 結(jié)果分析

從以上基于MIDAS Civil有限元軟件對(duì)三種工況的計(jì)算結(jié)果中可以得到：各構(gòu)件的組合應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移皆小于允許值，符合設(shè)計(jì)以及實(shí)際使用要求。除此之外，鋼板樁和圍檁及支撐的最大組合應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和最大位移隨著圍堰的搭建施工呈不斷增加的趨勢(shì)，但由于開(kāi)挖程度以及支撐結(jié)構(gòu)搭建完成度不同，各種工況下的應(yīng)力和位移極值出現(xiàn)位置存在差異。

通過(guò)以上對(duì)結(jié)果圖的分析可以得知：鋼板樁的最大組合應(yīng)力和剪應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)在側(cè)面相交接縫處且隨著降水開(kāi)挖深度的增加不斷下移，而其最大位移則是出現(xiàn)在長(zhǎng)邊中點(diǎn)處，同樣隨著降水開(kāi)挖深度的增加不斷下移并保持在圍檁以下。故在施工過(guò)程中需要著重對(duì)邊角進(jìn)行防護(hù)，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中造成破壞。

對(duì)于圍檁：最大位移點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在短邊中點(diǎn)處，且都處于受拉狀態(tài)；而最大剪應(yīng)力則是出現(xiàn)在長(zhǎng)邊中點(diǎn)處。故選擇足夠強(qiáng)度的鋼材作為圍檁至關(guān)重要，需時(shí)刻警惕各邊中點(diǎn)是否出現(xiàn)屈服破壞。

對(duì)于支撐：邊角支撐總體較為穩(wěn)定，而中部長(zhǎng)支撐由于始終處于受壓狀態(tài)且第二道中部長(zhǎng)支撐由于下部更大的側(cè)向土壓力組合應(yīng)力顯著增加，故在施工中需對(duì)其進(jìn)行充分的觀測(cè)和注意。

5 結(jié)論

1)鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性驗(yàn)算對(duì)于橋墩承臺(tái)的安全施工十分重要，其驗(yàn)算過(guò)程需要系統(tǒng)性的流程，其中前期工況分析階段十分關(guān)鍵，需要對(duì)圍檁支撐以及鋼板樁圍堰進(jìn)行相應(yīng)的等效模擬，繪制出受力分析圖，之后便可利用MIDAS Civil有限元軟件建立計(jì)算模型并針對(duì)各種標(biāo)志性工況進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算并生成相應(yīng)的結(jié)果圖，與材料本身力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比判斷是否符合要求，并能夠清晰明了地得到構(gòu)件的應(yīng)力和位移狀態(tài)并找到對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)位置。

2)MIDAS Civil的使用為基坑鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)驗(yàn)算過(guò)程提供了一種更加方便直觀的解決方案，有助于設(shè)計(jì)者和施工單位把握工況并針對(duì)構(gòu)件的薄弱部位采取相應(yīng)對(duì)策，同時(shí)也為今后同類(lèi)工程積累了數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。