筑岛围堰法桩撑基坑支护全过程力学分析

王维说 魏奇科

摘 要：筑岛围堰法进行干作业施工桩基础是在通航条件允许的情况下，进行桩基础施工有效的方法，为保证支护结构的安全和减少其对周边环境的影响，考虑空间效应和施工过程的作用，采用三维建模对筑岛围堰法桩撑结构支护结构进行了全过程力学计算分析，结合现行规范，验证了支护方案设计的合理性，并经过了实际工程的验证，可供类似工程借鉴参考。

关键词：桩撑结构；深基坑；力学分析；支护安全

中图分类号：TU473 文献标志码：A

筑岛作业因其成本较低，因此通常在通航条件许可的情况下采用。拟建大桥桥墩采用灌注桩基础，银川水洞沟水库水深较浅，仅为2m～5m，不具备通航条件，大型施工机械无法通过水运进入该区域进行桩基础施工，水库没有通航要求，可以筑岛作业，所以采取筑岛围堰干作业法进行施工。深基坑围护结构包括挡土结构和支撑结构两部分。支撑结构承受挡土结构所传递的土压力、水压力等荷载，内支撑支护结构空间效应明显，通常需要利用三维有限元软件进行力学分析。钢材与混凝土支撑相比具有自重轻、利于施工、造价低、可回收利用及环保性能好等优点，是支护结构的常用材料，拉森型钢板桩防水性能好，因而围堰钢板桩采用拉森型钢板桩，内支撑拟采用钢管支撑。为保证支护结构的安全，需对支护结构进行全过程力学分析。

1 工程概况

工程位于银川市，基坑采用钢板桩加四道支撑支护，位于距桩顶0.5m、3m，5.5m，7.5m处，地下水位为距桩顶1.5m位置，主要土层为饱和粉砂土层，下伏岩层为泥岩，岩土层主要参数表见表1。

支护结构平面及立面布置如图1、图2所示。钢材选用Q235B结构用钢，主要结构截面选用630×10，351×10钢管及400b、500b工字钢。

主要施工工序：（1）逐片插打钢板桩；（2）降水开挖土方至距桩顶1m；（3）安装第一道围堰钢支撑；（4）降水开挖土方至距桩顶3.5m深；（5）安装第二道钢支撑；（6）降水开挖土方至距桩顶6m；（7）安装第三道钢支撑；（8）降水开挖土方距桩顶8m；（9）安装第四道钢支撑；（10）降水开挖土方至承台垫层底。

2 计算原理

计算软件采用3D3S，按主要的施工工序（1）、（2）为一个工况，其他工序单独为一个工况，共有9个工况建立全过程分析模型，嵌固深度按规范取0.3倍的开挖深度计算，嵌固端设置铰支座。开挖至距桩顶8m为工况一，设置好第三道支撑，开挖至距桩顶9m为工况二。

各支撑点处的水平土压力按朗肯土压力求得0.5m、3m、5.5m、7.5m处分别为14.5kN/m、45.4kN/m、81.4kN/m、110.2kN/m。根据《建筑基坑支护技术规程》，结构重要性系数取0.90，标准组合时荷载分项系数取1.0，基本组合时，荷载综合分项系数取1.25。

3 计算结果分析

3.1 支护结构内力分析

钢板桩受力主要以受弯为主，最大弯矩在基坑開挖面附近，且工况一的弯矩81.9kN·m，大于工况二59.9kN·m的弯矩，为设计的最不利工况。因而及早设置支撑作用非常明显，建议在施工中及时设置支撑以便减少最不利受力状态的时间。

中间内支撑主要受轴力作用，端部由于有角部支撑的存在而变小，工况一支撑的最大轴力4419kN，大于工况二第四道支撑的轴力3995kN。该支护结构体系空间效应明显，边角位置由于设置边角支撑内力较小，中部支撑由于间距大，所以受轴力较大，中部支撑采用较大截面，而角部支撑则可以采用较小的截面形式。

腰梁主要受弯矩作用，腰梁受力状况基本对称，与结构设计图形的基本对称相吻合，且每条腰梁的最大正负弯矩差别不大，从侧面反应了支撑布置基本合理，腰梁主要起将外围土压力传递到支护结构的作用。

3.2 支护结构验算结果分析

各工况结构验算结果见表2、表3。以上验算结果表明，强度应力比、绕2轴整体稳定应力比、绕3轴整体稳定应力比均在规范允许范围之内，满足规范要求。强度应力比、绕2轴整体稳定应力比、绕3轴整体稳定应力比最大值已接近1，因此结构截面设计合理，基本无优化空间。

结语

综上所述，利用三维程序对基坑支护结构进行了全过程进行了分析，并且此方案在工程中进行了应用，应用效果良好，验证了设计计算的合理可靠性。

（1）钢板桩加钢结构内支撑的支护结构可以适用在含有粉砂层地质的环境下，采用筑岛围堰施工，该工艺经济合理，有较强的适用性。

（2）应遵循先撑后挖的程序，及时做好支撑，有利于减少支护结构的变形，减少周边环境的影响。支护结构施工时，做好监测工作，如发现异常情况，应急时通知设计、施工单位采取相应措施。

（3）计算结果表明，结构的强度应力比、绕2轴整体稳定应力比、绕3轴整体稳定应力比最大值已接近1，结构在此工况下的基本无可优化空间，结构设计合理。

参考文献

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