鋼管+Hat鋼板樁新型組合支護(hù)結(jié)構(gòu)研究

杜 冰,方浩宇,靖守臣,3,張 箭,豐土根*

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安710075;2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,南京 210098;3.江蘇筑森建筑設(shè)計(jì)有限公司徐州分公司,徐州 221006)

基坑作為當(dāng)今建筑工程尤其是地下空間工程不可缺少的一部分,發(fā)揮著越來越重要的作用,為地下工程施工開挖創(chuàng)造了條件。隨著各類高效環(huán)保的新型施工技術(shù)與材料的推廣使用,拉森鋼板樁憑借其施工速度快、防水性能好、施工費(fèi)用低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1],廣泛應(yīng)用于基坑支護(hù)、圍堰工程[2]、地下管線遷改[3]、航道放沖加固等方面,其特點(diǎn)十分契合現(xiàn)代社會發(fā)展的理念和趨勢[4]。相較而言,傳統(tǒng)U型鋼板樁因?yàn)槠浣孛婺Ａ枯^小,進(jìn)行支護(hù)時(shí)抗彎剛度不足引起基坑變形過大,降低施工質(zhì)量,影響工程安全。

為了解決傳統(tǒng)拉森鋼板樁支護(hù)剛度不足的問題,通常采用組合鋼板樁增加截面剛度并提高基坑可挖深度,因此誕生了各種由不同樁型搭配組成的新型組合鋼板樁支護(hù)形式。孫發(fā)明等[5]為拓寬鋼板樁應(yīng)用范圍,創(chuàng)新性地提出一種由4塊Z型鋼板樁和1塊條形板焊接成的箱體式鋼板樁結(jié)構(gòu),此箱體式截面組合結(jié)構(gòu)制造方便,截面模量大,承載能力強(qiáng),打樁不易彎曲扭轉(zhuǎn),可用于各地質(zhì)條件的工程,極大地解決了鋼板樁剛度不足帶來的工程應(yīng)用問題。李仁民[6]提出了一種H型鋼+鋼板樁的組合支護(hù)結(jié)構(gòu),鋼板樁后方設(shè)有扣件固定H型鋼,提高了組合樁的截面模量,改善鋼板樁的抗彎性能,降低了打樁難度,提高了組合樁的垂直度和整體協(xié)調(diào)性,既利用了鋼板樁止水效果好、成本低、施工方便的優(yōu)勢,又發(fā)揮了H型鋼截面模量高、抗彎性能好的特點(diǎn),兩者結(jié)合在一起共同發(fā)揮作用,提高支護(hù)效果。

目前,鋼管+U型鋼板樁以及鋼管+Z型鋼板樁的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)已開始逐漸應(yīng)用于實(shí)際工程中,但鋼管+Hat型鋼板樁的組合結(jié)構(gòu)形式還沒有實(shí)際工程應(yīng)用或報(bào)道。本文提出一種將鋼管與帽型鋼板樁沿支護(hù)方向交叉排列使用的一種新型組合形式,鋼管與Hat型鋼板樁通過鎖口聯(lián)結(jié),兼具管樁剛度大、鋼板樁成本低的優(yōu)勢,其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 鋼管+Hat型鋼板樁組合示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel tube and HAT composite steel sheet pile

與傳統(tǒng)單純鋼板樁相比,鋼管+Hat組合鋼板樁具有更大的剛度來控制基坑變形沉降,減少基坑開挖對周邊建筑物的影響。與純鋼管支護(hù)相比,由于Hat型鋼板樁的交叉使用,可以有效降低鋼材用量,節(jié)約材料降低成本,提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度,同時(shí)止水擋土效果良好?？紤]到目前對于此類組合支護(hù)結(jié)構(gòu)形式研究較少,且鮮有實(shí)際工程應(yīng)用的案例,本文以PHC組合鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對象,對該新型組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度計(jì)算、等效截面計(jì)算、樁體選型方法等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究,并以安徽馬鞍山某基坑工程為工程案例,對PHC鋼板樁進(jìn)行樁型選擇以及強(qiáng)度驗(yàn)算。最后,總結(jié)出新型組合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝和注意事項(xiàng)。

1 PHC組合鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算方法

對于鋼板樁尤其是此PHC組合結(jié)構(gòu)剛度的變化,相關(guān)理論研究與試驗(yàn)較少,本節(jié)將針對PHC組合鋼板樁的剛度問題,利用平行移軸公式對PHC鋼板樁墻的剛度和截面模量進(jìn)行初步簡化分析,由傳統(tǒng)鋼板樁的剛度計(jì)算方法得出鋼管+Hat型鋼板樁的抗彎剛度計(jì)算方法以及整體等效剛度。

組合鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力工作狀態(tài)分為兩種極端情況,一種鎖口間無剪力傳遞的單樁獨(dú)立承載工作狀態(tài)和一種鎖口間完全剪力傳遞的理想鋼板樁墻工作狀態(tài)。其截面彎曲的中性軸分別位于單根樁橫截面形心處和鎖口中心處,而實(shí)際的工作狀態(tài)處于這兩種情況之間,即鎖口處有剪應(yīng)力并有相對滑移,實(shí)際工作狀態(tài)的剛度小于理想工作狀態(tài)的剛度。因此本節(jié)對兩種工作狀態(tài)的組合鋼板樁剛度分別進(jìn)行分析[7]。

1.1 無剪力傳遞的單樁承載狀態(tài)

單獨(dú)承載工作時(shí),中性軸為各單根樁形心處,分別對鋼管和Hat型鋼板樁進(jìn)行計(jì)算。此時(shí),采用材料力學(xué)中的彎曲剛度計(jì)算公式來計(jì)算鋼管和Hat型鋼板樁的剛度。

1.1.1 鋼管剛度計(jì)算

鋼管的橫截面形狀是對稱的,因此中性軸可近似看作位于鋼管橫截面形心處,采用式(1)～式(3)計(jì)算鋼管的抗彎剛度。

(1)

d=D-t

(2)

Kg=EgIg

(3)

式中：Ig為鋼管對形心軸的截面慣性矩;D為鋼管外直徑;t為鋼管壁厚;d為鋼管內(nèi)直徑;Kg為鋼管的抗彎剛度;Eg為鋼管的彈性模量。

1.1.2 Hat型鋼板樁的剛度計(jì)算

Hat型鋼板樁的橫截面中性軸位于截面中心且平行于主板,其截面屬性可根據(jù)GB/T29654—2013《冷彎鋼板樁》查得,一根Hat型鋼板樁的截面慣性矩可由每延米慣性矩乘以單根樁體的寬度計(jì)算。此時(shí),采用式(4)～式(5)計(jì)算其抗彎剛度。

KH0=EHIH0

(4)

IH0=IxBH

(5)

式中：IH0為Hat型鋼板樁對形心軸的慣性矩;Ix為Hat型鋼板樁每延米慣性矩;BH為Hat型鋼板樁的有效寬度。

1.2 完全剪力傳遞的理想鋼板樁墻狀態(tài)

隨著受力的不斷持續(xù),鋼板樁的變形也在逐漸增大,鎖口間咬合得更加緊密,鎖口開始傳遞剪應(yīng)力,并且產(chǎn)生相互摩擦力使得鋼管和Hat型鋼板樁協(xié)同工作。此時(shí),按中性軸位于鎖扣中心計(jì)算截面慣性矩與剛度,利用材料力學(xué)中平行移軸定理計(jì)算Hat型鋼板樁的剛度。

1.2.1 鋼管樁剛度計(jì)算

鋼板樁墻橫截面的中性軸位于鎖口中心連線上,與原中性軸的位置變化可以忽略,因此鋼板樁的剛度可認(rèn)為不變,由材料力學(xué)中圓管的慣性矩公式可以計(jì)算出鋼管的剛度,即采用式(6)進(jìn)行計(jì)算。

K0=EI0

(6)

式中：K0為鋼板樁的抗彎剛度;E為材料的彈性模量;I0為橫截面對中性軸的慣性矩。

1.2.2 Hat型鋼板樁剛度計(jì)算

由平行移軸公式計(jì)算帽型鋼板樁橫截面對位于鎖口中心處的中性軸的截面慣性矩,單根樁體橫截面積可由每延米橫截面積乘以有效寬度計(jì)算,然后乘以彈性模量得到其抗彎剛度,即采用式(7)～式(8)進(jìn)行計(jì)算。

KH=EHIH

(7)

(8)

式中：KH為Hat型鋼板樁對鎖扣中心所在直線的剛度;IH為Hat型鋼板樁對鎖扣中心處中性軸直的慣性矩;A0為每延米橫截面積;H為截面有效高度。

1.2.3 一個(gè)單元的組合型鋼板樁剛度計(jì)算

一個(gè)組合鋼板樁單元由一根鋼管和一根Hat型鋼板樁組成,在忽略鎖扣寬度的條件下,一個(gè)PHC組合結(jié)構(gòu)單元的剛度由鋼管和鋼板樁的剛度疊加而成,如式(9)所示。

K=Kg+KH

(9)

2 PHC組合鋼板樁樁體選型

對于新型的組合鋼板樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算方法還沒有統(tǒng)一明確的規(guī)范,因此,本文參考已有的普通鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程及相關(guān)規(guī)范,進(jìn)行PHC支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題分析,整理出一套適用此鋼管+Hat型鋼板樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁體選型方法,包括土壓力計(jì)算、內(nèi)力計(jì)算、樁體尺寸參數(shù)選擇方法,供實(shí)際工程借鑒使用。

2.1 PHC支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算

土壓力的大小和分布形式與諸多因素有關(guān),如土體的力學(xué)特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式、支撐的剛度、水文地質(zhì)條件、施工方法等[8]。本文采用計(jì)算簡便適用范圍廣的傳統(tǒng)極限狀態(tài)土壓力計(jì)算方法。

2.2 PHC支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

靜力平衡法和等值梁法均為古典計(jì)算法,均是將鋼板樁看作理想剛體,忽略樁體的變形,因古典法無法計(jì)算樁體的變形量,對于鋼板樁這種柔性支護(hù)結(jié)構(gòu),剛度不足的問題尤為突出,設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)被當(dāng)作理想剛體會使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大誤差。根據(jù)JGJ120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》,對于支撐式支擋結(jié)構(gòu),宜用平面桿系彈性支點(diǎn)法計(jì)算擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形以及支點(diǎn)力值[9],計(jì)算簡圖如圖2所示。

圖2 平面彈性地基梁法計(jì)算簡圖Fig.2 Calculation diagram of plane elastic subgrade beam method

根據(jù)土層分布不同,即m值大小不同,綜合考慮挖深、內(nèi)支撐條件等因素,利用式(10)～式(11)撓曲線微分方程進(jìn)行計(jì)算。其中使用的計(jì)算剛度為式(9)計(jì)算的等效剛度。

(10)

(11)

式中：EI為支護(hù)結(jié)構(gòu)單位計(jì)算寬度的剛度;y為支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移;z為計(jì)算點(diǎn)處深度;ea為深度z處的主動土壓力;m為土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù);b0為抗力計(jì)算寬度;hn為第n步開挖深度。

2.3 PHC支護(hù)結(jié)構(gòu)樁體參數(shù)選擇

由組合鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的樁體最大彎矩Mmax,根據(jù)材料強(qiáng)度驗(yàn)算對鋼管和Hat型鋼板樁進(jìn)行構(gòu)件選型,選擇合適的尺寸和截面模量。

2.3.1 鋼管、Hat型鋼板樁的彎矩設(shè)計(jì)值Mg、MH計(jì)算

首先計(jì)算PHC組合結(jié)構(gòu)最大彎矩設(shè)計(jì)值M,根據(jù)計(jì)算的樁體最大彎矩Mmax,分別乘以基坑重要性系數(shù)γ0和作用基本組合的綜合分項(xiàng)系數(shù)γF,得到彎矩設(shè)計(jì)值M,如式(12)所示。

M=γ0γFMmax

(12)

式中：Mmax為計(jì)算求得的最大彎矩值;γ0為基坑重要性系數(shù);γF為按承載能力極限狀態(tài)荷載基本組合的綜合分項(xiàng)系數(shù),取值應(yīng)不小于1.25。

然后將計(jì)算的最大彎矩設(shè)計(jì)值M進(jìn)行修正,因?yàn)樯衔挠?jì)算的樁體最大彎矩Mmax是每米樁墻寬度的最大彎矩值,而按照彎矩按剛度分配的原則,要計(jì)算一個(gè)PHC組合鋼板樁結(jié)構(gòu)單元的寬度上的彎矩值,因此要對最大彎矩設(shè)計(jì)值M進(jìn)行調(diào)整。

一個(gè)PHC組合鋼板樁結(jié)構(gòu)單元由一根鋼管和一根Hat型鋼板樁組成,BH為Hat型鋼板樁的有效寬度,m;Bg為鋼管的有效寬度,m,即為鋼管的外徑;M0為調(diào)整后的最大彎矩設(shè)計(jì)值,采用式(13)進(jìn)行計(jì)算。

M0=(BH+Bg)M

(13)

根據(jù)組合鋼板樁承受的荷載按剛度分配的原則,分別計(jì)算鋼管和Hat型鋼板樁的最大彎矩設(shè)計(jì)值Mg與MH。鋼管的截面慣性矩Ig和Hat型鋼板樁的截面慣性矩IH可根據(jù)材料力學(xué)截面慣性矩計(jì)算公式以及鋼管、鋼板樁型號規(guī)格表計(jì)算。

鋼管樁承擔(dān)的彎矩Mg采用式(14)進(jìn)行計(jì)算。

(14)

Hat型鋼板樁承擔(dān)的彎矩MH采用式(15)進(jìn)行計(jì)算。

(15)

2.3.2 尺寸參數(shù)的確定與強(qiáng)度驗(yàn)算

(16)

式中：σ為計(jì)算正應(yīng)力;M為彎矩設(shè)計(jì)值;W為截面模量;[σ]為材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

對于鋼管

(17)

對于Hat型鋼板樁

(18)

綜合上式對鋼管截面慣性矩即外徑D和厚度t、Hat型鋼板樁截面模量即有效寬度BH和有效高度hH進(jìn)行選擇,因涉及參數(shù)較多,可通過試算,預(yù)估鋼管或Hat型鋼板樁的截面尺寸規(guī)格,然后進(jìn)行強(qiáng)度校核,簡化計(jì)算。

3 工程算例分析

3.1 工程概括

以安徽馬鞍山某基坑工程項(xiàng)目為依托,采用理正深基坑設(shè)計(jì)軟件對PHC組合鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)等效截面進(jìn)行單元計(jì)算,依照前章所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法對樁進(jìn)行選型與強(qiáng)度驗(yàn)算?；娱_挖范圍長50 m、寬30 m,開挖深度為6 m?；又車翆佑缮现料驴煞譃椋弘s填土層、素填土層、粉砂/粉土層,根據(jù)開挖面位置進(jìn)行土層分層及簡化,各土層的基本參數(shù)信息如表1所示。

表1 簡化后土層基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of simplified soil layer

考慮基坑的開挖面積較大,周圍建筑物和地質(zhì)條件復(fù)雜,采用PHC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)加內(nèi)單道內(nèi)支撐為支護(hù)方案,支撐處位于鋼板樁頂部以下1 m。

3.2 鋼管+Hat組合鋼板樁選型設(shè)計(jì)

考慮基坑的開挖面積較大,周圍建筑物和地質(zhì)條件復(fù)雜,采用PHC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)加內(nèi)支撐系統(tǒng)為支護(hù)方案,單道支撐,支撐處位于基坑深2.5 m處即距樁頂端1 m,安全等級為二級,重要性系數(shù)為1.0。另外,考慮到施工堆載與周邊道路行車荷載,用20 kPa的基坑周邊均布荷載進(jìn)行簡化等效替代。

3.2.1 等效截面計(jì)算

初選鋼管選用外直徑為426 mm、厚度為10 mm的鋼管,截面慣性矩為23 298 cm4,截面模量為1 164.9 cm3,Hat型鋼板樁寬度700 mm、高度240 mm、厚度7.5 mm、截面慣性矩11 673 cm4/m、截面模量960 cm3/m。一根Hat型鋼板樁的橫截面積A=127.7×0.7=89.4 cm2,截面慣性矩IH0=11 673×0.7=8 171 cm4,截面模量WH0=960×0.7=672 cm3,在組合鋼板樁結(jié)構(gòu)中以理想鋼板樁墻工作狀態(tài),根據(jù)平行移軸原理,IH=IH0+Ad2=8 171+89.4×122=21 044 cm4,截面模量WH=IH/0.5h=877 cm3。每延米參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 每延米參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 The result of the parameter calculation

3.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算與組合樁選型設(shè)計(jì)

根據(jù)組合鋼板樁等效截面參數(shù)計(jì)算結(jié)果以及工程地質(zhì)參數(shù),采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中彈性支點(diǎn)法計(jì)算組合鋼板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖3所示。

圖3 深基坑計(jì)算示意圖(單位：m)Fig.3 Schematic diagram of deep foundation pit calculation

樁體的最大彎矩Mmax=120.5 kN·m,組合鋼板樁結(jié)構(gòu)的彎矩設(shè)計(jì)值M=1.25Mmax=150.6 kN·m,對所選樁型進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

由于彎矩設(shè)計(jì)值為M=150.6 kN·m,一個(gè)鋼管+Hat型鋼板樁組成的單元總長度為1.126 m,則一個(gè)組合樁單元承受的彎矩M0=1.126M=170.1 kN·m。

①對鋼管進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

依按剛度分配彎矩的原則,鋼管承受彎矩

(19)

(20)

鋼管強(qiáng)度滿足要求。

②對Hat型鋼板樁進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

依按剛度分配彎矩的原則,鋼板樁承受彎矩

(21)

(22)

Hat型鋼板樁強(qiáng)度滿足要求。

基坑內(nèi)支撐方案如圖4所示。

圖4 內(nèi)支撐示意圖(單位：m)Fig.4 Schematic diagram of internal support

3.3 有限元模型建立

土體采用M-C模型,參數(shù)見表1。土體彈性模量可由其壓縮模量Es求得,采用下式進(jìn)行計(jì)算。

E=(2-5)Es

(23)

PHC組合支護(hù)體系中的鋼管、Hat型鋼板樁、混凝土內(nèi)支撐均采用彈性材料模擬。鋼管直徑426 mm、厚度10 mm、長17 m,Hat型鋼板樁有效寬度700 mm、高度240 mm、厚度7.5 mm、長17 m,支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,混凝土內(nèi)支撐為0.8 m×0.8 m的矩形,采用C30混凝土,其彈性模量為30 GPa,泊松比0.167。

按照基坑的工況條件進(jìn)行模型建立工作,基坑形狀為矩形,開挖范圍長50 m、寬30 m,采用PHC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)加單道混凝土內(nèi)支撐系統(tǒng)為支護(hù)方案,支撐處位于鋼板樁頂部以下1 m,開挖深度為6 m,分兩次開挖,先開挖3 m后設(shè)置內(nèi)支撐再開挖至6 m。土模型土體部件長150 m、寬90 m、高33.34 m,采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體的實(shí)體單元(C3D8R)進(jìn)行模擬?；油馏w模型及其網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 基坑土體模型及網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Soil modeling and meshing of foundation pits

鋼管與Hat鋼板樁通過鎖口相連,鎖扣間建立摩擦,法向?yàn)橛步佑|,切向?yàn)榱P函數(shù),設(shè)置摩擦系數(shù)。若其使用實(shí)體單元(C3D8R)建模進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分,因模型長寬比過大且厚度較薄,相互接觸的土體單元的網(wǎng)格劃分過密,網(wǎng)格數(shù)極多,模擬過程計(jì)算工作量大,有可能不收斂。因此鋼管與Hat型鋼板樁用殼單元(S4R)模擬。內(nèi)支撐體系與立柱樁在長度方向上的尺寸遠(yuǎn)大于橫截面尺寸,且不是模擬分析的重點(diǎn),采用梁單元模擬。支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍檁內(nèi)支撐相互綁定,支護(hù)體系模型及網(wǎng)格劃分如圖6所示。

6-a 鋼管與Hat型鋼板樁網(wǎng)格劃分圖 6-b 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分圖圖6 支護(hù)體系模型及網(wǎng)格劃分圖Fig.6 Support system model and meshing

3.3.1 施工工況設(shè)置及模擬

用實(shí)際施工步驟對有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算,這樣分析計(jì)算更能真實(shí)地反映土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的內(nèi)力和變形。其施工工況模擬如下：(1)建立預(yù)應(yīng)力場,進(jìn)行地應(yīng)力平衡,消除重力引起的沉降變形;(2)激活PHC組合支護(hù)結(jié)構(gòu),模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入土體;(3)通過生死單元法“殺死”土體來模擬開挖至地下3 m;(4)激活深2.5 m處混凝土內(nèi)支撐與立柱;(5)開挖內(nèi)支撐以下土體至6 m深。

3.3.2 模型荷載與邊界條件

對土體與支護(hù)體系施加重力荷載,在土體頂面施加20 kPa堆載,因?yàn)榛娱_挖前進(jìn)行1.5 m的放坡,將放坡土體等效成均布荷載27 kPa施加在土體頂面,組合鋼板樁嵌入土體,在1 m深處與內(nèi)支撐綁定,限制土體模型底部z方向的位移,并限制基坑四周土體的水平位移。模型的荷載設(shè)置與邊界條件如圖7所示。

圖7 模型的荷載設(shè)置與邊界條件圖Fig.7 Load settings and boundary conditions for the model

3.3.3 模型驗(yàn)證

李雪峰[10]同樣以該工程項(xiàng)目為依托進(jìn)行了鋼管與鋼板樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究,本文為驗(yàn)證上述ABAQUS建模過程正確性與合理性,采用與其基本相同的建模方法以及各種荷載邊界條件,并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比對。本文的模擬值與對比值的對比曲線如圖8所示,通過比較開挖完成后樁身水平位移曲線以及基坑周圍地表沉降曲線,樁體水平位移趨勢基本一致,樁頂水平位移較大,樁底水平位移較小,樁頂部水平位移最大值分別為5.66 mm和4.95 mm,存在14 %左右的偏差。在地表沉降方面,沉降趨勢整體一致,最大沉降位置基本位于距基坑邊4～5 m處,最大沉降值分別為1.68 mm和2 mm,存在約15%的偏差。

8-a 樁體水平位移對比圖 8-b 基坑地表沉降對比圖圖8 模型驗(yàn)證對比曲線圖Fig.8 Model validation comparison

由此可見,本文所述的建模方法正確合理,可以對鋼管+Hat型鋼板樁進(jìn)行有限元模擬并得到符合實(shí)際情況的模擬結(jié)果。

4 施工工藝技術(shù)

4.1 施工流程

參考傳統(tǒng)鋼板樁施工工藝以及其他組合鋼板樁的施工流程,總結(jié)凝練出新型組合鋼板樁支護(hù)形式的施工流程分別為地基勘察、平整場地、打設(shè)鋼板樁、土體開挖、設(shè)置圍檁內(nèi)支撐。

4.2 鎖扣止水措施

鋼板樁鎖扣連接形式可以阻擋地下水進(jìn)入基坑內(nèi),通過鎖扣之間的緊密貼合,延長地下水的滲透路徑,從而起到了一定的止水作用[11]。實(shí)際工程中基坑的滲水問題主要出現(xiàn)在鎖扣連接處,減少鎖扣數(shù)量,提高鎖扣連接緊密度是提高止水性能的關(guān)鍵措施。因此,可以選擇使用更寬的Hat型鋼板樁,減少樁使用的根數(shù),從而減少了鎖扣的連接,或?qū)㈡i扣縫隙焊接,從根本上減少滲漏的發(fā)生。

4.3 施工注意事項(xiàng)與質(zhì)量控制

(1)打樁方式。振動打樁法是高效且成本較低的打樁方法,在松散砂土或無粘性土中施工可以發(fā)揮出優(yōu)良的打樁效果[12],但在城市中心居住區(qū),需控制打樁產(chǎn)生一定的振動和噪聲。

(2)導(dǎo)向架的使用。在陸上進(jìn)行沉樁作業(yè)時(shí),在平行于PHC組合鋼板樁定位軸線兩側(cè)打入導(dǎo)樁,導(dǎo)樁上附導(dǎo)梁使樁體被緊夾在導(dǎo)向架之間,提高打樁的精度。

(3)樁體沉樁過程控制。在PHC組合鋼板樁的施工過程中,要根據(jù)導(dǎo)向架的位置來控制樁身的垂直度。由于鋼管剛度較大,打樁時(shí)不易扭轉(zhuǎn)變形,垂直度與精度好控制,可以先進(jìn)行鋼管的打設(shè),再對中間進(jìn)行Hat型鋼板樁的打設(shè)。

(4)提高支護(hù)剛度。適當(dāng)提高鋼管的直徑與厚度,選擇有效高度較高、厚度更厚的Hat型鋼板樁,或者使用較小寬度的Hat鋼板樁來增加鋼管的使用數(shù)量來提高組合鋼板樁的支護(hù)剛度,能減小土體開挖對周圍環(huán)境的影響,避免工程事故的發(fā)生[13]。

5 結(jié)論

本文主要采用理論計(jì)算和工程類比方法,總結(jié)了鋼管+Hat型鋼板樁的剛度計(jì)算、等效截面計(jì)算和樁體選型方法,并凝練出組合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝和注意事項(xiàng),主要結(jié)論如下：(1)利用平行移軸公式對PHC鋼板樁墻的剛度和截面模量進(jìn)行初步簡化分析,由傳統(tǒng)鋼板樁的剛度計(jì)算方法得出鋼管+Hat型鋼板樁的抗彎剛度計(jì)算方法以及整體等效剛度;(2)通過對組合鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行土壓力計(jì)算和內(nèi)力計(jì)算,再根據(jù)材料強(qiáng)度驗(yàn)算對鋼管和Hat型鋼板樁進(jìn)行構(gòu)件選型,選擇合適的尺寸和截面模量。以安徽馬鞍山某基坑工程為算例,總結(jié)出了針對于PHC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的等效截面計(jì)算方法與樁體選型方法。同時(shí),本文采用與國內(nèi)其他學(xué)者基本相同的建模方法以及各種荷載邊界條件,并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比對,得出樁頂水平位移與地表最大沉降值的偏差在15%左右,表明設(shè)計(jì)合理;(3)提煉出了PHC組合鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工流程,總結(jié)出了減少鎖扣數(shù)量、使用密封劑等提高止水性能的方法。同時(shí),在打樁方式的選擇、導(dǎo)向架的使用、樁體沉樁過程控制、提高支護(hù)剛度等方面提出了施工質(zhì)量控制措施。

由于本文主要基于一根鋼管與一根Hat型鋼板樁組合使用的情況,后續(xù)還可以進(jìn)一步考慮對其他組合形式的鋼管+Hat型鋼板樁進(jìn)行研究。