深基坑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析及方案優(yōu)化

盧清碧LU Qing-bi

（中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，武漢430000）

0 引言

鋼板樁作為優(yōu)良的圍護(hù)材料，在基坑支護(hù)工程中得到了較為廣泛的使用。鋼板樁具有易施工，可循環(huán)使用等特性，近年來在基坑支護(hù)工程中廣泛推廣使用[1]。襄陽東西軸線項(xiàng)目作為典型的市政工程，施工過程中周邊環(huán)境復(fù)雜，空間限制較大，拉森型鋼板樁具有質(zhì)量輕、施工快、環(huán)保效果好且對空間要求不高等優(yōu)勢，在市政工程基坑支護(hù)工程中深受歡迎。近年來，鋼板樁在應(yīng)用過程中也逐步發(fā)現(xiàn)一些缺陷，其中較為明顯的是抗彎能力較差、頂部水平位移量較大等情況[2]。因此，為了保證鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性，繼而使得基坑施工過程順利進(jìn)行，支護(hù)過程中鋼板樁受力及變形不應(yīng)達(dá)到其極限狀態(tài)且不應(yīng)超過規(guī)定限制。同時(shí)，由于施工過程中形成的深基坑深度不一，不同的嵌固深度使得鋼板樁具有不同的受力及變形特征[3]，如何確定鋼板樁的嵌固深度，在保證安全的情況下盡可能選擇經(jīng)濟(jì)的方案是亟待解決的問題。

支護(hù)結(jié)構(gòu)選型：

支護(hù)結(jié)構(gòu)選型時(shí)，一般需綜合考慮多種因素，以選取最優(yōu)的解決方案。在選擇基坑及溝槽的支護(hù)形式時(shí)，首先必須了解清楚土體的性狀及地下水的情況，結(jié)合基坑的平面尺寸、開挖深度以及周邊環(huán)境的影響，選用可行的支護(hù)方式，再考慮施工場地條件，支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，確定最終的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工方案。

目前，隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，各種不同形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)逐步被應(yīng)用?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)作為基坑工程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其主要功能體現(xiàn)在兩個(gè)方面：擋土作用和擋水作用。深基坑支護(hù)類型有：灌注樁排樁圍護(hù)墻、板樁圍護(hù)墻、咬合樁圍護(hù)墻、型鋼水泥土攪拌墻、地下連續(xù)墻、水泥土重力式圍護(hù)墻、土釘墻等。

土釘墻支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于深基坑工程中主要是采用原位加筋技術(shù)措施，主要形式類似于加筋擋土墻。土釘墻支護(hù)形式的優(yōu)點(diǎn)是施工效率高、工期短、設(shè)備輕便、用料少、成本低。應(yīng)用土釘墻支護(hù)技術(shù)時(shí)需要現(xiàn)場土體有一定要求：通常需一定自穩(wěn)能力。這樣才能提供一定時(shí)間、空間條件為土釘墻施工。

錨桿支護(hù)是一種主動(dòng)式的巖土加固穩(wěn)定技術(shù)，一端錨入穩(wěn)定的土、巖體當(dāng)中的錨桿作為技術(shù)主體，另一端要與各種類型支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，通常還需施加一定預(yù)應(yīng)力。通過錨桿桿體受拉作用，才能有效調(diào)動(dòng)深部地層力量，以便更好維護(hù)基坑穩(wěn)定。錨桿支護(hù)方式，適用性較強(qiáng)，基本不會受到基坑深度限制。

水泥土重力式擋墻類型主要有兩類：攪拌樁、高壓旋噴樁，這兩種類型的支護(hù)同時(shí)可以擋土、擋水，并具有良好防滲效果，能夠依靠自身重量抵抗側(cè)向力保持穩(wěn)定。并且水泥土重力式擋墻支護(hù)的基坑內(nèi)部一般是不存在支撐的，可以方便地進(jìn)行機(jī)械開挖和地下結(jié)構(gòu)施工，整體系統(tǒng)施工簡單、成本較低。

鋼板樁是一種帶鎖口的熱軋（或冷彎）型鋼，靠鎖口相互連接咬合，形成連續(xù)鋼板樁墻，用來擋土和擋水，具有高強(qiáng)、輕型、施工便捷、環(huán)保、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。

采用柱列式間隔布置鋼筋混凝土鉆孔灌注樁是一種排樁支護(hù)形式?，F(xiàn)場施工較為簡便，能夠采用機(jī)械或人工方式進(jìn)行鉆孔，施工過程中不涉及大型機(jī)械使用，避免噪音污染，對基坑周邊土體危害較低，現(xiàn)場施工經(jīng)濟(jì)性較好。排樁還具有良好整體剛度和抗側(cè)移能力，整體工作性能較為可靠。

在泥漿護(hù)壁基礎(chǔ)上構(gòu)筑鋼筋混凝土墻體的支護(hù)形式為地下連續(xù)墻，整體剛度大、止水防滲效果好。在模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，做好現(xiàn)場協(xié)調(diào)配合,對軟土地層變形能起到很好的控制作用。

襄陽東西軸線項(xiàng)目是連接襄陽各個(gè)城區(qū)的城市樞紐，全線高架橋橫穿市區(qū)，主要施工區(qū)域位于城市中心區(qū)，施工外部環(huán)境復(fù)雜。工程施工過程中，周邊道路仍需具有交通通行能力，因此，基坑及溝槽支護(hù)除必須保證基坑安全外，還需保證周邊土體及道路穩(wěn)定。同時(shí)考慮施工工期、分段施工材料周轉(zhuǎn)及前期地質(zhì)勘查資料，初步擬定采用鋼板樁支護(hù)形式，施設(shè)置內(nèi)部支撐體系保持穩(wěn)定。施工過程中定期監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊構(gòu)筑物的沉降及位移。

1 鋼板樁內(nèi)力及變形規(guī)律

1.1 等值梁法

利用等值梁法計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，需計(jì)算出作用與支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力[4]，土壓力分布規(guī)律如圖1所示。

圖1 土壓力分布規(guī)律

首先計(jì)算反彎點(diǎn)深度，實(shí)際上開挖面以下土壓力為零的點(diǎn)和反彎點(diǎn)很接近，計(jì)算時(shí)以土壓力為零的點(diǎn)代替反彎點(diǎn)。該點(diǎn)離基坑開挖面距離為y，在y處主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力相等，即有：

式（1）、式（2）中，γ為土的重度，Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)，c為土的粘聚力。

按照簡支梁計(jì)算等值梁[5]的最大彎矩Mmax和支點(diǎn)反力TA和Pd，并且根據(jù)Pd和支護(hù)結(jié)構(gòu)前被動(dòng)土壓力對結(jié)構(gòu)底端的彎矩相等可得：

計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)入土的最小深度t0：

上式中，為檢驗(yàn)系數(shù)，一般取1.1～1.2。根據(jù)受力分析結(jié)果，可計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)頂端位移。

根據(jù)襄陽市地方規(guī)定，市政工程施工過程中大于3m基坑即為深基坑工程，需采取相應(yīng)的基坑支護(hù)措施。襄陽東西軸線項(xiàng)目施工過程中形成的基坑深度大多位于3m～8m之間，局部有較深基坑，進(jìn)行專項(xiàng)施工。

根據(jù)等值梁法計(jì)算基坑支護(hù)鋼板樁最小嵌固深度如表1所示。

表1 等值梁法計(jì)算基坑最小嵌固深度

1.2 FLAC3D模擬分析

FLAC3D是三維的有限差分計(jì)算程序，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)（大變形模式）。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。

FLAC3D為樁與土之間界面建立提供了解決方案，由于樁土，地連墻與土之間的剛度相差太大，位移不連續(xù)，有限元中尤其如此，因此，接觸面間必須設(shè)置接觸面單元。FLAC3D采用無質(zhì)量但具有形變能力的單元模擬界面屬性，可以反映接觸面之間的剪切滑移或侵入行為，減少誤差或錯(cuò)誤。

利用FLAC3D有限差分軟件，建立承臺基坑開挖及支護(hù)的有限元模擬過程，分析基坑支護(hù)過程中內(nèi)力及變形規(guī)律。土體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 基坑開挖及支護(hù)模型

項(xiàng)目中所用鋼板樁截面積為96.99cm2，壁厚為15.5cm，截面模量每片362cm3，單根鋼板樁界截面所能承受的極限彎矩為1866.547N·m。

根據(jù)圖3所示，鋼板樁在支護(hù)過程中產(chǎn)生的最大彎矩均未超過鋼板樁的極限彎矩，鋼板樁未達(dá)到承載能力極限狀態(tài)，保持穩(wěn)定。

圖3 基坑支護(hù)鋼板樁應(yīng)力分布圖

鋼板樁位移限值為64cm，據(jù)圖4所示，鋼板樁嵌固1m深度時(shí)鋼板樁頂點(diǎn)最大位移接近極限值，處于能安全使用的臨界狀態(tài)。當(dāng)嵌固深度大于1m時(shí)，鋼板樁頂點(diǎn)最大位移均低于規(guī)定限值，能夠安全使用。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移

FLAC3D計(jì)算過程中，為接近現(xiàn)場實(shí)際情況，認(rèn)為鋼板樁之間有較強(qiáng)的連接作用，因此，有限元分析結(jié)果略低于理論計(jì)算結(jié)果。但總體吻合較好。

2 支護(hù)方案優(yōu)化

2.1 工程概況

襄陽東西軸線項(xiàng)目分為土建工程和附屬工程兩部分，其中土建工程包括橋梁工程、道路工程、排水和管線工程。道路主線高架橋全長8.1km，道路全長8.78km，全線高架橋下部結(jié)構(gòu)承臺施工共350多個(gè)，排水工程約十多公里，項(xiàng)目在施工過程中會產(chǎn)生大量深基坑工程，保證工程施工過程中基坑安全是首要任務(wù)，在此前提下，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，比選出經(jīng)濟(jì)更加合理的方案。

2.2 方案優(yōu)化

拉森鋼板樁用打樁機(jī)打（壓）入地基，使其互相連結(jié)成鋼板樁墻，用來擋土和擋水。U形、Z形及直腹板式三種是比較常見的形式。鋼板樁對于柔軟地基及地下水位較高的深基坑支護(hù)有很好的適用性，且其施工簡便，止水性能好，可重復(fù)使用。拉森鋼板樁使用長度一般為6m、9m、12m、15m，也可根據(jù)用戶的要求，定制加工，最大長度為24m。在施工過程中，根據(jù)工程的具體情況，改變拉森鋼板樁的斷面形狀和長度，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。此外，經(jīng)過對于拉森鋼板樁產(chǎn)品斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其產(chǎn)品的質(zhì)量系數(shù)得到了明顯的提高，減少每米樁墻寬度的重量，降低工程成本費(fèi)用。根據(jù)工程實(shí)際情況，對截面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理的選用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化和深化設(shè)計(jì)，一般與同性能熱軋鋼板樁相比，拉森型鋼板樁可節(jié)省材料10-15%，顯著的降低了施工成本。

考慮到鋼板樁規(guī)格及型號，支護(hù)結(jié)構(gòu)選型需重新規(guī)劃，提供以下幾種典型方案比選：方案一：小于3m采用4m鋼板樁，3m～4m采用6m鋼板樁，4m～6m采用7m鋼板樁，6m～7m采用9m鋼板樁，7m～8m采用12m鋼板樁，鋼板樁費(fèi)用主要包括定制鋼板樁加工費(fèi)及租賃費(fèi)用，本方案鋼板樁定制加工費(fèi)耗損多。方案二：小于5m深度基坑采用9m長鋼板樁支護(hù)，5m～8m深度基坑采用12m長鋼板樁支護(hù)；此方案加工費(fèi)及租賃使用費(fèi)居中。方案三：統(tǒng)一采用12m鋼板樁支護(hù)，此方案加工費(fèi)用少，但租賃費(fèi)較多。

表3 支護(hù)方案經(jīng)濟(jì)比選

工程施工過程中，除了考慮安全因素，同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)因素。工程施工支護(hù)方案采用不同深度的基坑采用不同長度鋼板樁支護(hù)。工程全線承臺施工基坑深度大多介于3m到5m之間，排水施工基坑深度大多介于5m到7m之間。根據(jù)基坑施工支護(hù)的最小嵌固深度計(jì)算結(jié)果及表2.3結(jié)果所示，小于5m深度基坑采用9m長鋼板樁支護(hù)，5m~8m深度基坑采用12m長鋼板樁支護(hù)，在保證安全的情況下，做到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。

3 結(jié)論

①基坑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生點(diǎn)位移樁頂，且為保證基坑支護(hù)安全，不同基坑深度應(yīng)滿足最小嵌固深度。本文在計(jì)算鋼板樁支護(hù)變形規(guī)律時(shí)，未考慮排樁相互鎖扣的空間效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果偏安全。且在施工過程中，通過施加連梁及對撐的方式提高支護(hù)穩(wěn)定性。②在滿足基坑最小嵌固深度的前提下，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)方案必選，優(yōu)化基坑支護(hù)方案，為工程施工做指導(dǎo)。通過措施優(yōu)化，為項(xiàng)目創(chuàng)造效益，節(jié)約成本。