帽型與H型鋼組合鋼板樁懸臂基坑支護(hù)力學(xué)特性數(shù)值模擬①

□□ 張鋒春，李 鑫，白子凡，董卓然 (東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

引言

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)實(shí)力的提升，越來(lái)越多的鋼鐵企業(yè)具備了生產(chǎn)鋼板樁的能力，因此，作為一種便捷、高效、支撐與阻水兼具的基坑支護(hù)形式，鋼板樁及其組合樁近些年得到大力推廣應(yīng)用[1-2]。但相關(guān)研究及規(guī)范相對(duì)較少，尤其是組合鋼板樁方面。標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范方面，國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼板樁的內(nèi)容散見(jiàn)于國(guó)家、地方的基坑工程規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)[3-5]當(dāng)中，關(guān)于組合鋼板樁的規(guī)范則相對(duì)較少，僅在部分規(guī)范[6-7]中提及，但涉及不夠深入、具體。組合鋼板樁科研方面相對(duì)也較少[8-9]。

擬通過(guò)對(duì)獨(dú)立帽型鋼板樁基坑支護(hù)與帽型及不同型號(hào)H型鋼組合樁懸臂基坑支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)樁體的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、米塞思應(yīng)力等力學(xué)特性進(jìn)行分析。

1 數(shù)值模型

數(shù)值模擬采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行，分析模型為三維模型，模擬均質(zhì)土體中插入不同類型懸臂鋼板樁后的力學(xué)形態(tài)。樁型為6個(gè)類型：獨(dú)立的NS-SP-10H型帽型鋼板樁(下文簡(jiǎn)稱“M樁”)、M與H400×300型鋼(下文簡(jiǎn)稱“H400”，其他類推)組合樁、M與H500×300型鋼組合樁、M與H600×300型鋼組合樁、M與H700×300型鋼組合樁、M與H800×300型鋼組合樁。鋼板樁與型鋼連接采用焊接方式。取支護(hù)樁樁長(zhǎng)為12 m，基坑深為5 m，嵌固段為7 m，坑外土體取坑外10 m為外邊界，坑底土體取坑內(nèi)5 m為內(nèi)邊界，為了著重研究支護(hù)樁的力學(xué)形態(tài)及提高計(jì)算效率，并考慮基坑支護(hù)的平面應(yīng)變效應(yīng)，沿基坑支護(hù)邊緣方向取單個(gè)鋼板樁(組合樁)寬度作為模型寬度，由于所用H型鋼寬度都小于所選NS-SP-10H帽型鋼板樁寬度900 mm，所以模型寬度選900 mm。模型左右、前后以及模型地面分別取垂直模型外表面方向的約束，荷載取土體的重力荷載?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)。帽型鋼板樁數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值分析模型(獨(dú)立帽型樁)

計(jì)算參數(shù)的選取包括土體與鋼板樁的參數(shù)選取。土體參數(shù)選取沈陽(yáng)市地表典型的砂礫土，具體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。帽型樁及H型鋼鋼材牌號(hào)均選取Q355，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3，密度取7 850 kg·m-3，其他參數(shù)選用T/CECS 720—2020《鋼板樁支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[6]，詳見(jiàn)表2。

表1 土體參數(shù)表

表2 鋼板樁(組合樁)參數(shù)表

2 結(jié)果分析

分別對(duì)上述6個(gè)模型進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，現(xiàn)對(duì)模擬結(jié)果的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、米塞思應(yīng)力進(jìn)行分析。

2.1 各樁正應(yīng)力對(duì)比分析

不管是單獨(dú)鋼板樁還是單獨(dú)H型鋼樁，以及二者結(jié)合的組合樁，土壓力作用下產(chǎn)生的沿樁體軸向拉、壓應(yīng)力都是基坑支護(hù)分析關(guān)注的基本力學(xué)指標(biāo)。圖2、圖3分別為各樁型軸向主應(yīng)力云圖與軸向最大主應(yīng)力截面云圖，其中紅色區(qū)域?yàn)樽畲罄瓚?yīng)力區(qū)域(拉為正值)，深藍(lán)區(qū)為最大壓應(yīng)力區(qū)域(壓為負(fù)值)，中間色為從拉應(yīng)力到壓應(yīng)力的過(guò)渡數(shù)值色。文中其他圖色代表含義與此相同，不再贅述。

圖3 各樁軸向最大主應(yīng)力截面云圖

從各樁型軸向主應(yīng)力形態(tài)情況來(lái)看，不管是獨(dú)立帽型鋼板樁還是組合樁，最大主應(yīng)力都發(fā)生在坑底部位偏靠下位置，且坑外側(cè)翼板(或腹板)對(duì)應(yīng)最大拉應(yīng)力，坑內(nèi)腹板對(duì)應(yīng)最大壓應(yīng)力，且最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力基本處于相近的水平面，樁頂和樁底軸向主應(yīng)力都很小，說(shuō)明從拉、壓正應(yīng)力的角度，最大荷載位于坑底位置左右，符合傳統(tǒng)懸臂樁的受力特點(diǎn)。

從主應(yīng)力大小來(lái)看，獨(dú)立帽型樁支護(hù)主應(yīng)力最大，且拉、壓應(yīng)力基本相等，在106 MPa左右，考慮1.25倍作用組合綜合分項(xiàng)系數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值為132.5 MPa，依然小于鋼板樁抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。對(duì)組合樁而言，H型鋼的加入，大大提升了組合樁的承載能力。同樣條件下，最大拉、壓應(yīng)力都大幅下降，下降最大的為M與H800組合樁的最大拉應(yīng)力為12.9 MPa，比單獨(dú)的帽型樁最大拉應(yīng)力下降87%，下降最小的M與H400最大拉應(yīng)力也下降72%，意味著相較單獨(dú)的帽型樁懸臂支護(hù)，組合樁的承載能力得到極大幅度的提升。組合樁的軸向主應(yīng)力的另外一個(gè)特點(diǎn)是，最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力數(shù)值不等，且最大拉應(yīng)力普遍大于最大壓應(yīng)力，這與帽型樁及組合后組合樁雙側(cè)的截面模量不等有關(guān)。

各樁軸向最大拉、壓應(yīng)力如圖4所示。從圖4可以看出，就組合樁而言，最大拉、壓應(yīng)力基本隨著H型鋼樁高度的增長(zhǎng)而下降，這與組合樁隨著型鋼高度增加慣性矩增加，進(jìn)而導(dǎo)致抗彎剛度增加有關(guān)。

圖4 各樁軸向最大拉、壓應(yīng)力

2.2 各樁剪應(yīng)力對(duì)比分析

常規(guī)的板式支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，除了關(guān)注支護(hù)結(jié)構(gòu)正應(yīng)力，另外一項(xiàng)基本受力驗(yàn)算為樁體橫向剪應(yīng)力驗(yàn)算，因而對(duì)模擬的樁體橫向剪應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，各樁型橫向剪應(yīng)力云圖與橫向最大剪應(yīng)力截面云圖如圖5和圖6所示。

圖5 各樁橫向剪應(yīng)力云圖

圖6 各樁橫向最大剪應(yīng)力截面云圖

從剪應(yīng)力分布來(lái)看，M樁的最大剪應(yīng)力位于兩側(cè)翼板處，組合樁的最大剪應(yīng)力位于H型鋼腹板處，與常規(guī)的單獨(dú)帽型樁或H型鋼剪應(yīng)力最大部位一致。需要注意的是，從剪應(yīng)力截面云圖可以看出，組合樁中除了H型鋼腹板處為最大剪應(yīng)力部位外，剪應(yīng)力次高發(fā)生在M樁兩側(cè)翼板，所以在驗(yàn)算中，如果M樁和H型鋼選用相同牌號(hào)鋼材，剪應(yīng)力驗(yàn)算則只驗(yàn)算H型鋼腹板即可；如果M樁與H型鋼選用不同牌號(hào)鋼材，則需要分別對(duì)H型鋼腹板與M樁翼板進(jìn)行剪應(yīng)力驗(yàn)算。另一方面，單獨(dú)M樁支護(hù)與組合樁支護(hù)的整個(gè)樁體均出現(xiàn)兩個(gè)剪應(yīng)力極值截面，而且隨著由M樁變?yōu)榻M合樁、組合樁H型鋼高度增加，兩極值間距趨于增大，對(duì)應(yīng)于兩個(gè)反彎點(diǎn)位置的變化。

剪應(yīng)力數(shù)值如圖7所示。由圖7可知，單獨(dú)M樁截面剪應(yīng)力最大，為18.6 MPa，增加H型鋼后截面最大剪應(yīng)力急速下降，下降最多為M與H800組合樁，最大截面剪應(yīng)力為2.1 MPa，下降幅度為88%；下降最少為M與H400組合樁，最大截面剪應(yīng)力為4.1 MPa，下降幅度78%。說(shuō)明相較單獨(dú)M樁支護(hù)，組合樁可以極大降低樁體截面剪應(yīng)力。另外，對(duì)組合樁而言，截面最大剪應(yīng)力隨著H型鋼高度增加，M樁與H型鋼截面最大剪應(yīng)力相應(yīng)較小，但隨著型鋼高度減小的幅度趨緩。

圖7 M樁與H型鋼橫向最大剪應(yīng)力

2.3 各樁米塞思應(yīng)力對(duì)比分析

大多數(shù)工程中的材料往往處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，就鋼板樁與組合樁而言，土壓力作用下樁體不同部位處于不同的應(yīng)力狀態(tài)，尤其是應(yīng)力集中部位應(yīng)力狀況復(fù)雜，根據(jù)第四強(qiáng)度理論(形狀改變比能理論)，從模擬結(jié)果中提取米塞思等效應(yīng)力，比較分析復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下樁體的受力狀況。

各樁型的米塞思應(yīng)力云圖與最大米塞思應(yīng)力截面云圖如圖8和圖9所示。圖中此處最深藍(lán)數(shù)值為0，向紅色數(shù)值逐漸變大。從圖中可以看出，最大米塞思應(yīng)力基本都處于樁體中部，組合樁最大值均位于H型鋼外側(cè)翼板部位，與樁體最大拉應(yīng)力基本對(duì)應(yīng)，次級(jí)米塞思應(yīng)力位于M樁坑內(nèi)側(cè)翼板處，對(duì)應(yīng)于樁體最大壓應(yīng)力部位，而最小的米塞思應(yīng)力除了兩端受力很小外，在最大米塞思應(yīng)力截面，最小米塞思應(yīng)力值均位于H型鋼腹板處，可見(jiàn)從第四強(qiáng)度理論來(lái)看，組合樁最危險(xiǎn)部位為坑外側(cè)H型鋼翼板。

圖8 各樁米塞思應(yīng)力云圖

圖9 各樁最大米塞思應(yīng)力截面云圖

各樁最大米塞思應(yīng)力如圖10所示。由圖10可知，M樁米塞思應(yīng)力最大，為96.6 MPa，最小為M與H800組合樁，米塞思應(yīng)力降幅88%，與最大主應(yīng)力降幅、最大剪應(yīng)力降幅基本相同；降幅最小為M與H400組合樁，最大米塞思應(yīng)力降幅為69%。另外，組合樁最大米塞思應(yīng)力隨著H型鋼高度增加近似線性下降。

圖10 各樁樁體最大米塞思應(yīng)力

3 結(jié)論

3.1 帽型鋼板樁在與H型鋼組合形成組合鋼板樁后，其抗拉壓、抗剪切能力得到大幅提高，本文工況下，M與H400～H800組合樁較單獨(dú)M樁最大拉應(yīng)力值下降范圍為72%～87%，最大剪應(yīng)力值下降范圍為78%～88%。

3.2 從傳統(tǒng)的正應(yīng)力、剪應(yīng)力受力形態(tài)來(lái)看，相較單獨(dú)的M型樁，組合樁最大拉壓應(yīng)力分別集中于H型鋼坑外側(cè)翼板與M樁坑內(nèi)側(cè)腹板，且最大拉應(yīng)力普遍大于壓應(yīng)力；組合樁的最大剪應(yīng)力主要集中于H型鋼腹板與M樁翼板處，且H型鋼腹板處較M樁翼板處大。如果組合樁的M樁與H型鋼樁采用相同的鋼材牌號(hào)，則正應(yīng)力驗(yàn)算H型鋼坑外側(cè)最大拉應(yīng)力、剪應(yīng)力驗(yàn)算H型鋼腹板最大剪應(yīng)力即可，如果采用不同鋼材牌號(hào)，則要增加M樁坑內(nèi)側(cè)腹板最大壓應(yīng)力與翼板最大剪應(yīng)力驗(yàn)算。

3.3 考慮復(fù)雜應(yīng)力情況，運(yùn)用第四強(qiáng)度理論，可以看出組合樁最危險(xiǎn)位置為樁體中部的H型鋼坑外側(cè)翼板部位與M樁坑內(nèi)側(cè)腹板部位，組合樁兩端及界面中部為最安全區(qū)域。