深基坑钢板桩支护结构变形分析及方案优化

卢清碧LU Qing-bi

（中建三局基础设施建设投资有限公司，武汉430000）

0 引言

钢板桩作为优良的围护材料，在基坑支护工程中得到了较为广泛的使用。钢板桩具有易施工，可循环使用等特性，近年来在基坑支护工程中广泛推广使用[1]。襄阳东西轴线项目作为典型的市政工程，施工过程中周边环境复杂，空间限制较大，拉森型钢板桩具有质量轻、施工快、环保效果好且对空间要求不高等优势，在市政工程基坑支护工程中深受欢迎。近年来，钢板桩在应用过程中也逐步发现一些缺陷，其中较为明显的是抗弯能力较差、顶部水平位移量较大等情况[2]。因此，为了保证钢板桩支护结构的稳定性及安全性，继而使得基坑施工过程顺利进行，支护过程中钢板桩受力及变形不应达到其极限状态且不应超过规定限制。同时，由于施工过程中形成的深基坑深度不一，不同的嵌固深度使得钢板桩具有不同的受力及变形特征[3]，如何确定钢板桩的嵌固深度，在保证安全的情况下尽可能选择经济的方案是亟待解决的问题。

支护结构选型：

支护结构选型时，一般需综合考虑多种因素，以选取最优的解决方案。在选择基坑及沟槽的支护形式时，首先必须了解清楚土体的性状及地下水的情况，结合基坑的平面尺寸、开挖深度以及周边环境的影响，选用可行的支护方式，再考虑施工场地条件，支护结构的施工工艺和经济指标，确定最终的支护结构施工方案。

目前，随着我国建筑行业的不断发展，各种不同形式的支护结构逐步被应用。基坑支护结构作为基坑工程中的围护结构，其主要功能体现在两个方面：挡土作用和挡水作用。深基坑支护类型有：灌注桩排桩围护墙、板桩围护墙、咬合桩围护墙、型钢水泥土搅拌墙、地下连续墙、水泥土重力式围护墙、土钉墙等。

土钉墙支护技术应用于深基坑工程中主要是采用原位加筋技术措施，主要形式类似于加筋挡土墙。土钉墙支护形式的优点是施工效率高、工期短、设备轻便、用料少、成本低。应用土钉墙支护技术时需要现场土体有一定要求：通常需一定自稳能力。这样才能提供一定时间、空间条件为土钉墙施工。

锚杆支护是一种主动式的岩土加固稳定技术，一端锚入稳定的土、岩体当中的锚杆作为技术主体，另一端要与各种类型支护结构进行连接，通常还需施加一定预应力。通过锚杆杆体受拉作用，才能有效调动深部地层力量，以便更好维护基坑稳定。锚杆支护方式，适用性较强，基本不会受到基坑深度限制。

水泥土重力式挡墙类型主要有两类：搅拌桩、高压旋喷桩，这两种类型的支护同时可以挡土、挡水，并具有良好防渗效果，能够依靠自身重量抵抗侧向力保持稳定。并且水泥土重力式挡墙支护的基坑内部一般是不存在支撑的，可以方便地进行机械开挖和地下结构施工，整体系统施工简单、成本较低。

钢板桩是一种带锁口的热轧（或冷弯）型钢，靠锁口相互连接咬合，形成连续钢板桩墙，用来挡土和挡水，具有高强、轻型、施工便捷、环保、可循环利用等优点。

采用柱列式间隔布置钢筋混凝土钻孔灌注桩是一种排桩支护形式。现场施工较为简便，能够采用机械或人工方式进行钻孔，施工过程中不涉及大型机械使用，避免噪音污染，对基坑周边土体危害较低，现场施工经济性较好。排桩还具有良好整体刚度和抗侧移能力，整体工作性能较为可靠。

在泥浆护壁基础上构筑钢筋混凝土墙体的支护形式为地下连续墙，整体刚度大、止水防渗效果好。在模拟计算的基础上，做好现场协调配合,对软土地层变形能起到很好的控制作用。

襄阳东西轴线项目是连接襄阳各个城区的城市枢纽，全线高架桥横穿市区，主要施工区域位于城市中心区，施工外部环境复杂。工程施工过程中，周边道路仍需具有交通通行能力，因此，基坑及沟槽支护除必须保证基坑安全外，还需保证周边土体及道路稳定。同时考虑施工工期、分段施工材料周转及前期地质勘查资料，初步拟定采用钢板桩支护形式，施设置内部支撑体系保持稳定。施工过程中定期监测支护结构及周边构筑物的沉降及位移。

1 钢板桩内力及变形规律

1.1 等值梁法

利用等值梁法计算支护结构内力，需计算出作用与支护结构上的土压力[4]，土压力分布规律如图1所示。

图1 土压力分布规律

首先计算反弯点深度，实际上开挖面以下土压力为零的点和反弯点很接近，计算时以土压力为零的点代替反弯点。该点离基坑开挖面距离为y，在y处主动土压力和被动土压力相等，即有：

式（1）、式（2）中，γ为土的重度，Ka为主动土压力系数，Kp为被动土压力系数，c为土的粘聚力。

按照简支梁计算等值梁[5]的最大弯矩Mmax和支点反力TA和Pd，并且根据Pd和支护结构前被动土压力对结构底端的弯矩相等可得：

计算支护结构入土的最小深度t0：

上式中，为检验系数，一般取1.1～1.2。根据受力分析结果，可计算支护结构顶端位移。

根据襄阳市地方规定，市政工程施工过程中大于3m基坑即为深基坑工程，需采取相应的基坑支护措施。襄阳东西轴线项目施工过程中形成的基坑深度大多位于3m～8m之间，局部有较深基坑，进行专项施工。

根据等值梁法计算基坑支护钢板桩最小嵌固深度如表1所示。

表1 等值梁法计算基坑最小嵌固深度

1.2 FLAC3D模拟分析

FLAC3D是三维的有限差分计算程序，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。

FLAC3D为桩与土之间界面建立提供了解决方案，由于桩土，地连墙与土之间的刚度相差太大，位移不连续，有限元中尤其如此，因此，接触面间必须设置接触面单元。FLAC3D采用无质量但具有形变能力的单元模拟界面属性，可以反映接触面之间的剪切滑移或侵入行为，减少误差或错误。

利用FLAC3D有限差分软件，建立承台基坑开挖及支护的有限元模拟过程，分析基坑支护过程中内力及变形规律。土体力学参数如表2所示。

表2 土体物理力学参数

模型网格划分如图2所示。

图2 基坑开挖及支护模型

项目中所用钢板桩截面积为96.99cm2，壁厚为15.5cm，截面模量每片362cm3，单根钢板桩界截面所能承受的极限弯矩为1866.547N·m。

根据图3所示，钢板桩在支护过程中产生的最大弯矩均未超过钢板桩的极限弯矩，钢板桩未达到承载能力极限状态，保持稳定。

图3 基坑支护钢板桩应力分布图

钢板桩位移限值为64cm，据图4所示，钢板桩嵌固1m深度时钢板桩顶点最大位移接近极限值，处于能安全使用的临界状态。当嵌固深度大于1m时，钢板桩顶点最大位移均低于规定限值，能够安全使用。

图4 支护结构顶点位移

FLAC3D计算过程中，为接近现场实际情况，认为钢板桩之间有较强的连接作用，因此，有限元分析结果略低于理论计算结果。但总体吻合较好。

2 支护方案优化

2.1 工程概况

襄阳东西轴线项目分为土建工程和附属工程两部分，其中土建工程包括桥梁工程、道路工程、排水和管线工程。道路主线高架桥全长8.1km，道路全长8.78km，全线高架桥下部结构承台施工共350多个，排水工程约十多公里，项目在施工过程中会产生大量深基坑工程，保证工程施工过程中基坑安全是首要任务，在此前提下，通过经济技术分析，比选出经济更加合理的方案。

2.2 方案优化

拉森钢板桩用打桩机打（压）入地基，使其互相连结成钢板桩墙，用来挡土和挡水。U形、Z形及直腹板式三种是比较常见的形式。钢板桩对于柔软地基及地下水位较高的深基坑支护有很好的适用性，且其施工简便，止水性能好，可重复使用。拉森钢板桩使用长度一般为6m、9m、12m、15m，也可根据用户的要求，定制加工，最大长度为24m。在施工过程中，根据工程的具体情况，改变拉森钢板桩的断面形状和长度，使结构设计更加经济合理。此外，经过对于拉森钢板桩产品断面的优化设计，使其产品的质量系数得到了明显的提高，减少每米桩墙宽度的重量，降低工程成本费用。根据工程实际情况，对截面进行经济合理的选用，实现设计优化和深化设计，一般与同性能热轧钢板桩相比，拉森型钢板桩可节省材料10-15%，显著的降低了施工成本。

考虑到钢板桩规格及型号，支护结构选型需重新规划，提供以下几种典型方案比选：方案一：小于3m采用4m钢板桩，3m～4m采用6m钢板桩，4m～6m采用7m钢板桩，6m～7m采用9m钢板桩，7m～8m采用12m钢板桩，钢板桩费用主要包括定制钢板桩加工费及租赁费用，本方案钢板桩定制加工费耗损多。方案二：小于5m深度基坑采用9m长钢板桩支护，5m～8m深度基坑采用12m长钢板桩支护；此方案加工费及租赁使用费居中。方案三：统一采用12m钢板桩支护，此方案加工费用少，但租赁费较多。

表3 支护方案经济比选

工程施工过程中，除了考虑安全因素，同时也要考虑经济因素。工程施工支护方案采用不同深度的基坑采用不同长度钢板桩支护。工程全线承台施工基坑深度大多介于3m到5m之间，排水施工基坑深度大多介于5m到7m之间。根据基坑施工支护的最小嵌固深度计算结果及表2.3结果所示，小于5m深度基坑采用9m长钢板桩支护，5m~8m深度基坑采用12m长钢板桩支护，在保证安全的情况下，做到经济最优化。

3 结论

①基坑钢板桩支护结构最大位移发生点位移桩顶，且为保证基坑支护安全，不同基坑深度应满足最小嵌固深度。本文在计算钢板桩支护变形规律时，未考虑排桩相互锁扣的空间效应，计算结果偏安全。且在施工过程中，通过施加连梁及对撑的方式提高支护稳定性。②在满足基坑最小嵌固深度的前提下，进行经济方案必选，优化基坑支护方案，为工程施工做指导。通过措施优化，为项目创造效益，节约成本。