基于MIDAS Civil的基坑钢板桩围堰施工设计验算

翟永勇

(南京勘察工程有限公司，江苏 南京 210007)

1 概述

钢板桩围堰是桥梁承台基坑施工中常用的一种方案，它具有施工速度快、可循环利用、安全性高、监测手段多的特点，在工程中被广泛利用且有良好的性能[1-2]。为了保证钢板桩围堰在施工中的安全与质量，对其不同工况下的受力状态需要进行验算。林毅峰等应用通用有限元分析软件ANSYS对基坑与围堰进行了共同作用下的平面和空间有限元施工仿真计算41 m超深基坑与围堰的相互作用对二者的内力和变形产生的影响，得出基坑开挖使围堰桩基下部水平位移增大及围堰变形导致基坑支撑轴力增大是最主要的[3]；何良德等利用ABAQUS软件对深水超长钢板桩围堰受力特性进行了分析，对钢板桩围堰施工全过程进行了仿真模拟，得出基坑开挖完成后，桩后土压力呈R形分布，入土段下部弹性嵌固作用明显，封底混凝土顶部在抽水后、冠梁在拆撑过程中有显著的支承作用，钢板桩弯矩在第二道内撑拆除后最大，底撑在抽水后反力最大，其他各道内撑分别在下一道内撑拆除后反力最大[4]；黄文武结合MIDAS软件建模对拉森钢板桩围堰设计施工的过程与难点进行了分析，得出拉森钢板桩整体刚度大、防水性能好，用于深基坑支护具有很好的稳定性、安全性和防水能力，能为基坑内墩台施工作业提供良好环境[5]；丁向东基于GTS-NX软件建立了深基坑开挖过程中围护结构变形的三维有限元模型，对比分析了工程实测值和计算值，验证了模型的合理性[6]；孙焕重将施工分为三个典型工况并分别对板桩、支撑体系及围檩的强度进行了验算，得出钢板桩围堰在不同施工阶段的强度、支撑稳定性、基坑抗隆起稳定性、嵌固稳定性等均满足相关规范的要求[7]；彭渊等利用MIDAS GTS进行了钢板桩围堰整体抗滑稳定分析，得出的结论与传统的毕肖普法计算结果相近[8]；孔德国利用MIDAS对双排拉森钢板桩进行了数值模拟且得出的计算结果明显优于PLAXIS软件计算所得[9]。罗毅等利用PLAXIS数值模拟软件建立有限元模型系统地研究了海域双排钢板桩围堰与明挖基坑变形特性及相互影响规律，分析了围堰与基坑距离、基坑内支撑形式及基坑开挖步序等因素对钢板桩围堰变形的影响作用[10]。

由此可见利用空间有限元分析软件对基坑围堰进行建模分析验算具有充分的可行性。本文结合工程实例对不同工况下钢板桩围堰的受力状态进行分析并给出了相应验算方法的理论依据，最后应用MIDAS Civil对钢板桩围堰施工中不同工况下围檩与支撑的组合应力、剪应力及最大位移进行建模分析验算，更加直观的得出不同受力状态下围堰的应力状态和变形情况。

2 工况分析

2.1 模型参数

某新建城际铁路站前工程因桥梁承台施工需求，为防止水污染并确保水土不流失，需建钢板桩围堰，基坑深度在5 m～8 m范围内，基坑填筑后近乎陆域施工，针对最不利情况进行计算，若该工况下钢板桩围堰结构满足要求，则所有承台均能满足要求。根据设计图纸要求，结合现场实际地质、地形和施工环境，支护形式均采用拉森Ⅵ型钢板桩。

该工程位于××三角洲平原区，除零星出露少量残丘外，均为深厚第四系地层，成因主要为冲湖积、湖沼积、冲洪积、冲海积，地层岩性变化较大，工程地质条件较差。上部为褐黄色、浅灰色黏土、粉质黏土，软～硬塑，层厚0 m～3.5 m；灰色淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土；灰黄色～青灰色粉、细砂层，层厚15 m～35 m；下部为第四系更新统粉质黏土，暗绿～褐黄色，硬塑，层厚5 m～25 m；褐黄色、灰色粉土、粉细砂互层，层厚15 m～20 m，底部为褐灰色粉质黏土，灰色细砂、含砾粗砂，砂砾层。

水文条件现场河网湖塘分布较密集，地表水极发育。其上部土层结构为黏性土层，下部土层含多层粉细砂层，浅层地下水属孔隙潜水，潜水位埋深0.5 m～3 m不等，下部砂层为良好的含水层，地下水具微承压性，地下水较丰富，水位变化幅度不大。

现场地质条件较为复杂，部分基坑位置存在较厚的淤泥质粉质黏土层，该土层力学性质较差，因此计算时土质以淤泥质粉质黏土和粉质黏土为主，考虑最不利工况情况下，该MIDAS Civil的基坑模型中，土层设置为三层，分别为淤泥质粉质黏土、粉质黏土以及持力层，具体力学参数如表1所示。持力层的存在是为了限制在初始应力状态下激活大尺寸结构瞬时产生的过大的竖直方向的位移，因此持力层的参数实际上对基坑的变形不会产生太大影响。围堰考虑一侧长边外有施工便道，施工中不允许在围堰周围堆土。

表1 土层力学参数表

钢板桩、围檩和内撑均采用Q235钢，封底混凝土采用C30混凝土。钢围堰采用拉森钢板桩SP-Ⅵ型，围堰结构尺寸为13.05 m×8.9 m。围檩和角撑采用2HW400×400×13×21型钢，横撑采用φ609×16 mm钢管。封底采用0.5 m厚C30混凝土。各材料参数取值如表2～表4所示。

表2 材料参数特征表

表3 材料允许应力表

表4 混凝土材料特性表

钢板桩长15 m，围堰共设置2道支撑，间距为3 m。结构如图1,图2所示。

2.2 施工过程工况分析

根据施工情况及围堰受力情况的不同可分成4种代表性工况，如表5所示。

表5 工况分析

由表5可知工况四受力情况和工况三基本相同，且工况四有一道混凝土封底支撑，相较工况三更安全，故无需再对工况四进行受力分析和复核计算。

对于荷载的组合形式可按照式(1):

(1)

其中，Sd为荷载组合；γGi为恒荷载分项系数；sGi为恒荷载；γQj为活荷载分项系数；sQj为活荷载。对于该模型各个工况下可以考虑两种荷载组合形式：1)荷载标准组合形式，其中取恒荷载分项系数为1，活荷载分项系数为1。2)荷载基本组合形式，其中取恒荷载分项系数为1.2，活荷载分项系数为1.4。

钢板桩强度可用基本组合下钢板桩组合应力检验，刚度可用标准组合下通过钢板桩位移进行验算；而支撑体系强度可用基本组合下围檩组合应力和剪应力、内支撑轴应力和弯曲应力验算。

考虑围堰四边外侧均为施工便道，根据《公路桥涵设计通用规范》，按Ⅱ级公路车辆均布荷载考虑，取q=7.875 kN/m2。该工程土质主要为粉质黏土，黏聚力较大，土压力计算用水土合算法。所以结构所受的侧面压力有围堰内被动土压力、围堰外侧主动土压力。

现今常用的土压力计算理论有朗肯土压力理论和库仑土压力理论。朗肯土压力理论假定墙身本身为刚性的，墙背不考虑摩擦力影响，墙体垂直光滑且填土表面水平，墙后填土延伸到无限远处。在实际工程中使用朗肯土压力理论得到的结果偏安全且公式比较简单，所以在此例中主动土压力根据朗肯土压力理论计算，被动土压力根据规范用土弹簧代替[11-12]。据此可先绘出钢板桩围堰受力分析示意图，如图3所示。

3 模型的建立

验算过程基于MIDAS Civil 2019，可以根据规范自动生成荷载组合，并可对具体参数进行修改调整。其中支撑与围檩采用梁单元模拟，钢板桩采用板单元模拟。钢板桩围堰结构所受的侧向压力为围堰内被动土压力及围堰外侧主动土压力之和。主动土压力根据肯朗土压力理论计算：

主动土压力系数为：

(2)

主动土压力为：

(3)

其中，γ为填土的容重，kN/m3；φ为填土的内摩擦角，(°)；c为填土的黏聚力，kPa；H为挡土墙高度，m。

土层参数根据地质资料确定，H为距基坑底的高度。在建立计算模型时，对钢板桩围堰拟采用板单元，根据等刚度原则将以上钢板桩截面换算为等抗弯强度的矩形板截面。拉森钢板桩SP-Ⅳ型单根每米壁宽的钢板桩截面对重心轴X-X的截面系数：W=2 270 cm3，则等刚度的每米宽矩形钢板截面的厚度为：

(4)

则在计算模型中板厚采用11.67 cm，并且荷载作用综合分项系数取1.3，结构重要性系数取1.0。最终模型建立如图4所示。

4 计算结果

4.1 工况一计算结果

工况一下由于围檩及内支撑未安装，所以仅需考虑钢板桩最大组合应力和最大水平位移。根据计算，钢板桩最大组合应力为36.0 MPa，小于抗拉抗弯抗压强度设计值[f]215 MPa，见图5。钢板桩最大位移为15.9 mm，位移结果见图6。

在工况三下，由于降水开挖深度相对较浅，钢板桩上部受到的侧边土压力较小，但由于围檩及支撑尚未安装，钢板桩侧面在此状态下呈现出明显的内凹状，中点处弯矩较大，且自下而上不断增加。侧面中部组合应力相对较大，而组合应力极值出现在侧面相交接缝处。

4.2 工况二计算结果

根据计算，工况三下围檩及支撑最大组合应力为67.6 MPa，小于抗拉抗弯抗压强度设计值[f]215 MPa，见图7。围檩及支撑最大剪应力为21.5 MPa，小于抗剪强度设计值[fv]125 MPa，见图8。

根据计算，钢板桩最大组合应力为73.0 MPa，小于抗拉抗弯抗压强度设计值[f]215 MPa，见图9。钢板桩最大剪应力为42.0 MPa，小于抗剪强度设计值[fv]125 MPa，见图10。

根据计算，围檩及支撑最大位移为6.1 mm

在工况二下，第一道围檩及支撑安装完成且降水开挖深度达到4.5 m，此时可以明显的发现钢板桩的最大位移点由于内壁得到支护向下移动至围檩以下。而围檩由于受到钢板桩的挤压共同发生形变，最大位移量和最大剪应力分别出现在短边中点处和长边中点处。

4.3 工况三计算结果

根据计算，工况三下围檩及支撑最大组合应力为99.2 MPa，小于抗拉抗弯抗压强度设计值[f]215 MPa，应力图见图13。围檩及支撑最大剪应力为73.4 MPa，小于抗剪强度设计值[fv]125 MPa，应力图见图14。

根据计算，钢板桩最大组合应力为110.4 MPa，小于抗拉抗弯抗压强度设计值[f]215 MPa，应力图见图15。钢板桩最大剪应力为63.7 MPa，小于抗剪强度设计值[fv]125 MPa，应力图见图16。

根据计算，围檩及支撑最大位移为8.5 mm

在工况三下，第二道围檩及支撑安装完成且降水开挖深度达到7 m，此时钢板桩的最大位移点继续向下移动至第二道围檩以下，且钢板桩最大组合应力和剪应力出现位置仍然在侧面相交接缝处，但同样移动至第二道围檩以下。从围檩及支撑组合应力结果图中可以看出第二道中部长支撑位移显著大于第一道中部长支撑，边角支撑的位移和剪应力差别不明显，而最大位移量和最大剪应力依然出现在第二道围檩短边中点处和长边中点处。

4.4 结果分析

从以上基于MIDAS Civil有限元软件对三种工况的计算结果中可以得到：各构件的组合应力、剪应力、位移皆小于允许值，符合设计以及实际使用要求。除此之外，钢板桩和围檩及支撑的最大组合应力、最大剪应力和最大位移随着围堰的搭建施工呈不断增加的趋势，但由于开挖程度以及支撑结构搭建完成度不同，各种工况下的应力和位移极值出现位置存在差异。

通过以上对结果图的分析可以得知：钢板桩的最大组合应力和剪应力会出现在侧面相交接缝处且随着降水开挖深度的增加不断下移，而其最大位移则是出现在长边中点处，同样随着降水开挖深度的增加不断下移并保持在围檩以下。故在施工过程中需要着重对边角进行防护，防止出现应力集中造成破坏。

对于围檩：最大位移点会出现在短边中点处，且都处于受拉状态；而最大剪应力则是出现在长边中点处。故选择足够强度的钢材作为围檩至关重要，需时刻警惕各边中点是否出现屈服破坏。

对于支撑：边角支撑总体较为稳定，而中部长支撑由于始终处于受压状态且第二道中部长支撑由于下部更大的侧向土压力组合应力显著增加，故在施工中需对其进行充分的观测和注意。

5 结论

1)钢板桩围堰的稳定性验算对于桥墩承台的安全施工十分重要，其验算过程需要系统性的流程，其中前期工况分析阶段十分关键，需要对围檩支撑以及钢板桩围堰进行相应的等效模拟，绘制出受力分析图，之后便可利用MIDAS Civil有限元软件建立计算模型并针对各种标志性工况进行复核验算并生成相应的结果图，与材料本身力学性能进行对比判断是否符合要求，并能够清晰明了地得到构件的应力和位移状态并找到对应的出现位置。

2)MIDAS Civil的使用为基坑钢板桩围堰的设计验算过程提供了一种更加方便直观的解决方案，有助于设计者和施工单位把握工况并针对构件的薄弱部位采取相应对策，同时也为今后同类工程积累了数据与经验。