無內支撐鋼板樁圍堰施工數值模擬研究

李清海 邱梅添 李誠 馬湛雄 莫家瑋

摘? 要：鋼板樁圍堰是水下工程施工經常采用的一種支護結構，其在施工環境中受到較大水壓力作用，且檢修維護困難，因此其施工安全尤為重要。本文以中國澳門南灣湖1號名勝世界（金銀島酒店）的鋼板樁圍堰建設工程為例，采用有限元軟件ABAQUS建立無支撐鋼圍堰數值模型，分析了多種型號鋼板圍堰在不同工況下的受力情況。結果表明，無支撐鋼板圍堰樁采用FSP-III和FSP-IIIA類型的拉森鋼板材料能夠滿足施工承載力和變形要求。

關鍵詞：無支撐鋼板圍堰樁;拉森鋼板;有限元

中圖分類號：U445.556? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）09-0000-00

0 概述

鋼板樁圍堰是在沿海建筑，跨海、跨河橋梁等工程中常見的一種支護結構，其具有施工速度快、可重復使用、組合形式靈活等特點，同時拉森鋼板的套形鎖口使其具有較強的防滲透性能，因此其被廣泛用于深水基礎承臺施工的圍堰工程中[1，2]。

在鋼圍堰施工過程中，內側抽水、挖土等工序會導致其產生較大的彎矩，具有較高危險性，同時在實際工程中和試驗中難以準確評估[3]。基于此，本文采用等值梁法分析鋼板樁圍堰的約束和受力條件[4]，并采用Abaqus有限元軟件對中國澳門南灣湖1號名勝世界（金銀島酒店）建設工程的圍堰鋼板樁的施工過程進行力學模擬分析，為工程實踐提供理論基礎和指導。

1 有限元計算參數確定

1.1 土的性質

簡化計算中假設河床僅存在上下兩種不同土層，且土質均勻、土體飽和，土體基本信息見表1。

1.2 主、被動土壓力的計算

鋼板圍堰采用無內支撐的懸臂式支護結構，鋼圍堰高出水面1.6m。南灣湖沿岸水深約為2.4m，并在鋼圍堰內側向下開挖2.6m，挖走淤泥土1.8m，挖走粉土0.8m。由于鋼板圍堰樁處于沿河地區，因此鋼圍堰內外側水位線都將在土層以上。出于安全考慮，主動土壓力、被動土壓力的計算均采用水土分算法（即土壓力為按土的浮重度計算的有效土壓力與土體間孔隙水的水壓力之和）[5]。計算土壓力零點為表土層面以上0.8m，假定其為0。同時由于土壓力零點和反彎點位置接近，可以認為土壓力零點位置為反彎點位置[6]，即反彎點的位置在土層表面。計算非勻質土的嵌固深度為H=5.304m[7]。本文在有限元計算模型中采用等值梁法，即認為嵌固深度內的鋼圍堰（即鋼圍堰下端5.4m范圍內）是固接的。

1.3 計算工況的設置

圍堰的主要施工工序包括先插打鋼板樁并合攏，之后進行抽水與挖土的工作。因此施工計算過程可以分為以下幾個工況：

（1）鋼板樁插打工作結束后，將圍堰內側的水抽干。（2）設河床的標高為±0.00m，開挖鋼圍堰內側全部淤泥土，即下挖至-1.80m。（3）開挖鋼圍堰內側部分粉土，下挖增加0.8m，即下挖至-2.6m。

在有限元模型中，通過施加不同階段的靜水壓力、主動土壓力、被動土壓力至圍堰中體現不同工況效果。隨著抽水及下挖的進行，圍堰受壓力逐漸增加。通過有限元分析各工況中圍堰的受力與位移情況，計算施工過程的可靠性。

2 有限元計算過程

2.1 鋼圍堰本構模型的選擇

圍堰施工采用拉森鋼板樁，型號為FSP-Ⅲ，級別為S275。鋼材的彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。鋼材的屈服強度為275MPa，拉伸強度為410MPa，取斷后鋼材的塑性應變為εup=0.2186[8]。鋼材的本構關系可采用雙線性的彈塑性模型。

2.2 有限元軟件計算

有限元模型的建立。鋼板樁長為12m，截面根據標準[9]中多種常見型號拉森鋼板（FSP-IA、FSP-II、FSP-III、FSP-IV、FSP-VL、FSP-VIL、FSP-IW）的實際尺寸進行分別建模和討論。同時，根據工程中鋼板樁圍堰的布置形式的不同，對比和考察直線型和曲線型兩種布置方式下的鋼圍堰受力狀況。鋼圍堰將采用殼單元進行三維建模。考慮鋼圍堰變形特點，在鋼圍堰兩側作平行于鋼圍堰方向的位移和垂直于拉森鋼板長度方向與垂直于鋼圍堰方向的轉角的邊界約束條件。

3 有限元參數分析與討論

3.1 不同型號拉森鋼板的影響

不同型號拉森鋼板組成的鋼圍堰在施工過程中其最大應力-位移關系如圖1所示。其中FSP-IA由于板厚過小等原因，其計算結果不收斂。同時發現其在計算終止時的最大應力超過了屈服應力，其頂點最大位移達到了27cm，這不符合工程安全要求，因此表明FSP-IA不適用于該類圍堰工程施工。

而對于其他的拉森鋼板規格，其受力狀態均在彈性范圍內。根據鋼板的允許撓度[f]=L/400=30mm，除了FSP-IA和FSP-IIW型號的鋼板外，可以得到對于FSP-III僅在靜水壓力下的計算結果符合要求，其他規格的鋼板也是符合的。其中在考慮價格和鋼材充分使用的角度上，FSP-III和FSP-IIIA較符合實際工程的應用。

圖2為FSP-II的位移云圖（變形放大3倍以便于觀察）。其中應力主要集中在固接與自由端交界處，即說明鋼圍堰在此的反力是最大的，這與土力學計算中最大彎矩處的位置相吻合。

3.2 不同布置形式的影響

本次計算分別取FSP-II與FSP-III進行直線型和有一定曲率的曲線型布置的鋼圍堰進行對比分析。取兩種拉森鋼板組成曲面鋼圍堰為FSP-II-C、FSP-III-C，均以圓弧凸方向為鋼圍堰內側，即在圓弧凹方向受水壓力和主動土壓力作用;同時取FSP-II-C2、FSP-III-C2的圓弧凸方向為鋼圍堰外側。不同布置形式的FSP-II和FSP-III鋼板組成的鋼圍堰在施工過程中最大應力和最大位移見表2。

由表2可知，曲面的鋼圍堰的應力和最大位移明顯小于直線型布置的鋼圍堰。這是由于曲面布置的鋼圍堰具有一定的拱效應，其可將壓力向兩側傳遞，使得鋼圍堰的應力和位移減小。其中對于FSP-II弧形布置的承載力和變形能力均已滿足各項要求。因此在實際工程中，可以盡量采用鋼圍堰弧線型布置方式，同時間隔加上鋼柱作為側力支撐，以達到減小鋼板厚度，降低成本的目的。

4 結論

對于無內支撐的鋼板圍堰施工過程受力的有限元計算結果與實際工程結果吻合良好，通過對計算結果分析可知：土體對不同鋼板類型受力情況的影響有所差異，其中不建議采用FSP-IA和FSP-III鋼板類型進行圍堰施工，而在考慮經濟安全因素下，適宜選用FSP-III和FSP-IIIA類型鋼板材料。同時，應盡可能采用弧線型布置形式，以達到更好的圍堰施工受力效果。

參考文獻

[1] 李迎九.鋼板樁圍堰施工技術[J].橋梁建設，2011（2）：76-79+84.

[2] 湯勁松，熊保林.鋼板樁圍堰設計的土壓力計算方法探討[J].巖土工程學報，2014（S2）：36-41.

[3] 潘泓，王加利，曹洪，等.鋼板樁圍堰在不同施工工序下的變形及內力特性研究[J].巖石力學與工程學報，2013（11）：2316-2324.

[4] 杜闖，丁紅巖，張浦陽，等.鋼板樁圍堰有限元分析[J].巖土工程學報，2014（S2）：159-164.

[5] 陳愈炯，溫彥鋒.基坑支護結構上的水土壓力[J].巖土工程學報，1999（2）：3-5.

[6] 田仲初，謝彬，蔣田勇，等.基于等值梁法的單層鋼板樁圍堰有限元分析[J].公路交通科技（應用技術版），2017（2）：193-198.

[7] 蘆友明，姜安龍，邱明明.考慮施工過程的等值梁法在基坑設計中的應用[J].江西理工大學學報，2012（5）：39-43.

[8] BS EN 10248-1-1996.非合金鋼熱軋制板樁[S].

[9] GB/T 20933-2007.熱軋U型鋼板樁[S].

收稿日期：2020-08-06

作者簡介：李清海（1989—），男，北京人，本科，工程師，研究方向：基礎工程受力分析及施工技術。