深基坑鋼板樁的受力分析和安全穩(wěn)定計(jì)算

燕　喬　張營營　李曉威　李　亮　莫世遠(yuǎn)

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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深基坑鋼板樁的受力分析和安全穩(wěn)定計(jì)算

燕喬張營營李曉威李亮莫世遠(yuǎn)

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：鋼板樁圍堰對地下或水下工程起著重要的支撐作用，其安全與否直接關(guān)系著工程的安全狀況和進(jìn)度．本文主要針對鋼板樁圍堰內(nèi)部各構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，結(jié)合雅魯藏布江特大橋工程，應(yīng)用三維有限元軟件對此工程中鋼板樁圍堰進(jìn)行三維整體建模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析．該方法與傳統(tǒng)的等值梁法或平面有限元等簡化方法相比更為合理，且驗(yàn)證了此方法的正確性和簡便性．計(jì)算結(jié)果也表明了該工程可以按設(shè)計(jì)安全施工，并可為其它工程中的深基坑的安全施工提供參考．

關(guān)鍵詞：鋼板樁圍堰；三維建模；結(jié)構(gòu)計(jì)算；強(qiáng)度；穩(wěn)定性

目前，由于地上空間有限或者根據(jù)具體工程的要求，地下工程或者水下工程越來越多，而這種特殊工程比地上工程在安全防護(hù)上要復(fù)雜的多．隨著研究的不斷深入和具體工程應(yīng)用的不斷增多，鋼板樁圍堰以其良好的強(qiáng)度、防水性和施工的簡便快速等優(yōu)點(diǎn)使其在工程的應(yīng)用中日臻成熟．鋼板樁圍堰主要由四周鋼板樁、內(nèi)部支撐和封底混凝土共同形成[1]．鋼板樁圍堰是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，在理論計(jì)算方面比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的理論計(jì)算方法主要有等值梁法和平面有限元法[2]．由于這些方法是將鋼板樁圍堰簡化為平面結(jié)構(gòu)，所以其計(jì)算結(jié)果必然與實(shí)際情況有較大偏差，對工程的安全是不利的．因此，本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，對鋼板樁圍堰的計(jì)算模型進(jìn)行了優(yōu)化，利用軟件建立其真實(shí)的空間結(jié)構(gòu)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算鋼板樁及內(nèi)支撐在周圍土、水等各種荷載作用下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿足要求，也驗(yàn)證了此種方法的簡便性和實(shí)用性．

1工程概況

加查2號雅魯藏布江特大橋，起訖點(diǎn)樁號為DK216+9.52～DK216+767.00，全長757.48 m，8號～10號墩跨越雅魯藏布江，橋墩均采用12根直徑1.8 m的群樁基礎(chǔ)[3]．根據(jù)設(shè)計(jì)，10號墩的基坑開挖深度達(dá)13.63 m，承臺(tái)基礎(chǔ)底部高程為3 186.66 m，承臺(tái)尺寸為14.8 m×11.1 m×3 m，施工水位為3 194.52 m．本文選取10號墩承臺(tái)基坑進(jìn)行鋼板樁圍堰的受力分析和檢算．根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地考察，雅魯藏布江河床比較窄，水中樁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒施工不具備大型定位船及打樁船的施工條件，墩位處開挖至封底混凝土底并整平比較困難，且河床內(nèi)存在大量的3～5 m大孤石與漂石，樁基護(hù)桶下沉困難，且容易偏斜，不易確保樁基垂直度．經(jīng)過多方案比選及吸取雅魯藏布江上其它橋梁(拉綏大橋等)水中樁基礎(chǔ)施工的成功經(jīng)驗(yàn)，決定本標(biāo)段的跨雅魯藏布江特大橋水中樁基礎(chǔ)輔助設(shè)施方案采用筑島+臨時(shí)鋼棧橋方案[4]．

2鋼板樁圍堰施工

圍堰施工時(shí)，先對墩位處開挖至封底混凝土底并整平，再施工橋位處臨時(shí)棧橋，使用樁基鋼護(hù)筒作為定位樁并形成作業(yè)平臺(tái)，在作業(yè)平臺(tái)上開挖孔樁，然后再下沉鋼圍堰、封底、抽水、澆筑樁基承臺(tái)[5]．在鋼板樁中，拉森Ⅳ型鋼板樁應(yīng)用最為廣泛，且結(jié)合工程的實(shí)際地質(zhì)和水文情況，決定采用長15 m、寬0.4 m、厚15.5 cm的拉森Ⅳ型鋼板樁[6]．10號墩的基坑開挖深度為13.63 m，承臺(tái)頂部以上深度為9.13 m，所以在距筑島頂部5 m處設(shè)第一道內(nèi)支撐，在距第一道內(nèi)支撐3.5 m處設(shè)第二道內(nèi)支撐(如圖1所示)．圍囹采用H40(400×400×20×20)型鋼，直撐和八字斜撐均采用Φ820×10鋼管[7]．

圖1　立面圖

3三維建模及受力計(jì)算

3.1三維建模

根據(jù)工程實(shí)際，在理正深基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中依次經(jīng)過網(wǎng)線、支護(hù)、土層參數(shù)、內(nèi)支撐的布置后形成立體的三維模型(如圖2所示)．

圖2　三維模型圖及線條圖

3.2軟件處理計(jì)算結(jié)果

因鋼板樁圍堰的兩道內(nèi)支撐分別設(shè)置在距筑島頂部5 m和8.5 m處，因此共有3個(gè)計(jì)算工況，即：工況1：開挖至-5 m；工況2：開挖至-8.5 m；工況3：開挖至坑底[8]．對比分析3個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果可以看出在工況3時(shí)，該結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力都達(dá)到最大，即為最不利工況．因此，以下只分析工況3的支護(hù)計(jì)算結(jié)果是否滿足要求．

3.2.1結(jié)構(gòu)變形計(jì)算

由計(jì)算的結(jié)果云圖可看出模型四周在荷載作用下均向內(nèi)變形，最大變形為18.76 mm(如圖3所示)．

圖3　結(jié)構(gòu)變形模擬

3.2.2鋼板樁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算

深基坑支護(hù)包括鋼板樁、圍囹、內(nèi)支撐3種結(jié)構(gòu)類型，而深基坑結(jié)構(gòu)的安全與否主要取決于這3種支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的彎矩和軸力的大小．

1)基坑豎直鋼板樁的內(nèi)力計(jì)算及檢驗(yàn)

根據(jù)計(jì)算，鋼板樁樁身所受的最大彎矩為415 kN·m(如圖4所示)．

圖4　豎直鋼板樁彎矩圖

查文獻(xiàn)[9]可知：拉森Ⅳ型鋼板樁抗彎截面模量W為2 037 cm3，鋼板樁容許抗彎應(yīng)力[σ]=210 MPa．由公式：σ=M/W求得鋼板樁所受的最大應(yīng)力，即σ=415×106/(2 037×103)=203.7 MPa<210 MPa，由計(jì)算結(jié)果可知鋼板樁能滿足受力要求．

2)圍囹的內(nèi)力計(jì)算及檢驗(yàn)

根據(jù)計(jì)算，圍囹所受的最大彎矩為484.5 kN·m，最大軸力為1 181 kN(如圖5所示)．

圖5　圍囹的彎矩、軸力圖

圍囹采用H40型鋼，查文獻(xiàn)[10]可知，H40型鋼抗彎截面模量W為3 279.46 cm3，截面積為232 cm2，其容許抗彎應(yīng)力[σ]=295 MPa．由公式：σ=M/W+F/m(M、W同上，F(xiàn)為圍囹承受的最大軸力，m為圍囹截面積)求得圍囹所受最大應(yīng)力，即σ=484.5×106/(3 279.46×103)+1 181×103/(232×102)=198.65 MPa<295 MPa．所以由計(jì)算結(jié)果可知圍囹也能滿足受力要求．

3)內(nèi)支撐的內(nèi)力計(jì)算及檢驗(yàn)

根據(jù)計(jì)算，內(nèi)支撐所受最大彎矩為127 kN·m，最大軸力為2 013 kN(如圖6所示)．

圖6　支撐的彎矩、軸力圖

內(nèi)支撐均采用Φ820×10鋼管，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，Φ820×10鋼管抗彎截面模量W為5 092.24 cm3，截面積為254.469 cm2，其容許抗彎應(yīng)

力[σ]=250 MPa．所以由公式：σ=M/W+F/m，有σ=127×106/(5 092.24×103)+2 013×103/(254.469×102)=104.05 MPa<250 MPa．所以由計(jì)算可知內(nèi)支撐采用Φ820×10鋼管也能滿足受力要求．

4結(jié)語

本文針對加查2號雅魯藏布江特大橋10號墩基礎(chǔ)建立了鋼板樁圍堰空間三維模型并對鋼板樁圍堰的強(qiáng)度和變形進(jìn)行了分析．從計(jì)算過程可以看出，該方法對鋼板樁圍堰的受力計(jì)算簡便快捷，也合理可行．從計(jì)算的結(jié)果云圖可以直觀地看到各構(gòu)件的受力、變形情況，也可以清楚地看到最危險(xiǎn)的部位，從而有針對性地進(jìn)行支護(hù)，不僅能保證工程的安全，而且省時(shí)省力．因此方法對類似工程具有實(shí)際的借鑒意義，也具有一定的推廣價(jià)值．

參考文獻(xiàn)：

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[9]范崇仁．水工鋼結(jié)構(gòu)[M]．4版．北京：中國水利水電出版社，2008：32．

[10] GB50017-2003．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[責(zé)任編輯張莉]

收稿日期：2015-11-18

通信作者：燕喬(1975-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)樗こ淌┕ぜ夹g(shù)．E-mail： 372979121@qq.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.004

中圖分類號：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)02-0016-03

Stress Analysis and Safety/Stability Calculation of Steel Sheet Pile in Deep Foundation Pit

Yan QiaoZhang YingyingLi XiaoweiLi LiangMo Shiyuan

(College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe steel sheet pile cofferdam is a very important supporting role in the underground or underwater engineering. The safety and progress of the project is directly related to the safety of the steel sheet pile cofferdam. This paper mainly aiming at the strength and stability of the members of the steel sheet pile cofferdam, combined with the Yarlung Zangbo River Bridge project, the steel sheet pile cofferdam of 3D integral modeling and structural analyses are carried out using 3D finite element software. The method is more reasonable than the traditional method of equivalent beam method or plane finite element method; the correctness and simplicity of the method are verified. The calculation results also show that the project can be designed according to the design safety and provide a reference for the safety of deep foundation pit in other projects.

Keywordssteel sheet pile cofferdam;3 D modeling;structural calculation;strength;stability