基坑開挖過程中鋼板樁支護及優化數值模擬研究

朱 同，李樹凱，張偉林

（1.江西省勘察設計研究院，南昌330095；2. 山東新匯建設集團有限公司，山東 東營257091；3.江西省昌水建設工程有限公司，南昌330095）

由于U型鋼板樁具有結構簡單、施工快捷、可重復使用等優點，已廣泛應用于基坑開挖支護中［1］。 U型截面樁是通過位于其中心線的聯鎖接頭連接在一起從而形成一整體，但是U型截面樁由于樁間滑移而引起的剪力傳遞不完全，以致降低了樁的抗彎剛度，這種現象被稱為抗彎剛度折減效應 （RMA效應）［2］。當剪力在U型截面樁的聯鎖裝置中充分傳遞時，這些樁將作為一個整體承受荷載；然而，在實踐中，U型截面樁聯鎖裝置中的剪力是部分傳遞的， 因此研究折減模量作用對U型截面鋼板樁的影響有一定的實用價值。 對于U型鋼樁，RMA削弱了U型鋼板樁間的相互作用。 Lohmeyer［3］首先討論了U型鋼板樁的RMA效應，在其研究中，采用經典的梁理論，討論了在考慮和不考慮聯鎖裝置間剪力傳遞的情況下使用樁的抗彎剛度， 同時指出鋼板樁失效的主要原因是咬合不完全。Williams和Little［4］進一步證實了RMA現象的存在，監測了全尺寸樁的彎曲應力，進行了U型鋼板樁間剪力傳遞的試驗研究，得出結論，聯鎖裝置之間的摩擦力受鋼板樁插入過程和聯鎖裝置間土壤性質的影響。 駱冠勇等［5］對新光大橋橋墩鋼板樁圍堰進行了優化設計，并獲取了現場監測數據，經處理發現實測位移與設計計算的結果差異很大， 最后建議在變形較小時各樁單獨作用，變形較大的后期，由于鎖口咬合比較緊密，可用理想樁墻的剛度計算其變形。劉震宇［6］通過有限元數值模擬計算，探討了當鎖口摩擦系數和荷載作用模式不同及施加樁頂約束3種情況下U 型組合鋼板樁的彎曲剛度，指出實際工程設計中在計算時鋼板樁彎曲剛度折減系數的取值不宜小于0.5。數值模擬通常用于基坑支護結構的應力分析，在對稱荷載條件下，基坑支護結構可簡化為二維平面應變問題。 在現有研究中，Chowdhury等［7］采用Mohr-Coulomb模型描述土體性狀， 采用梁單元模擬樁體， 得到支護結構設計參數對開挖過程的影響。Azzam和Elwakil［8］采用類似的方法模擬了樁壁受軸向力的作用，計算值與實驗結果吻合良好。

本文以世紀名匯商業中心（KCGD2018-22號地塊）基坑為背景，通過數值模擬分析了非對稱荷載作用下鋼板樁支護結構的承載力。 ①采用三維有限元法，采用增量法模擬基坑開挖過程，考慮了鋼板樁應力和變形的累積效應。 ②提出了表征該效應的敏感性指標，根據實測資料和理論計算，確定了該地區鋼板樁的RMA指標。③基于推導的RMA指標，對類似基坑支護結構的設計方案進行了改進和調整。

1 項目背景及數值模型

1.1 工程概況

擬建場地位于昆明市官渡區金馬街道辦事處方旺片區虹橋路（機場高速）與東三環交叉口，距離市中心6.93km，距地鐵3號線東部汽車站和虹橋路站較近。世紀名匯商業中心（KCGD2018-22號地塊）為二類居住用地。根據建設單位提供的用地紅線圖和設計單位提供的勘察任務書，該地塊擬建8棟高層住宅（21～30層），結構型式為剪力墻結構，整個場地均設兩層地下室，地下室的結構型式為框架結構。 本文考慮兩個基坑：1號和2號，尺寸為17.5m×12.5m。

U型鋼板樁為基坑開挖支護結構， 鋼板樁長18m，嵌入長度7.37m，單樁鋼板樁的寬度、高度和厚度分別為400，170，15.5mm。 由于開挖基坑距幸福家園小區較近， 所以在靠近既有建筑物一側加以鋼管樁支護，以避免基坑開挖對既有建筑物的影響。每個支撐結構中有4個環型梁。各環型梁均采用中撐和角撐支撐，支撐結構的布局如圖1。

圖1 鋼板樁支護布置

1.2 有限元模型

為了更準確地計算結構應力， 建立了整個支撐結構的三維有限元模型， 本文采用梁單元模擬鋼管樁、鋼板樁、環型梁、中支撐和角支撐，共2326個元素和2384個節點； 采用增量法處理開挖過程中結構應力的累積效應，最終支撐結構的有限元模型如圖2。

圖2 數值模型

1.3 地質概況

為了模擬鋼板樁周圍土體，采用彈簧單元模擬鋼板樁的土支護，并用m法計算彈簧的剛度。土壓力按朗肯土壓力理論計算，開挖過程中鋼板樁的邊界和荷載如圖3，開挖現場的土壤地層參數如表1。

圖3 邊界和荷載變化

表1 開挖現場的地質參數

2 鋼板樁開挖應力分析及監測結果對比

2.1 開挖應力分析

為分析不同RMA值對鋼板樁應力和變形的影響，選擇100%，80%，60%，40%，20%，0%的RMA。 當考慮100%RMA時， 聯鎖裝置中傳遞的剪力為零，鋼板樁的抗彎剛度達到最小值（EI=11675cm4/m）。 相應地，0%RMA意味著聯鎖裝置中的剪力完全傳遞，鋼板樁的抗彎剛度將達到最大值（EI=36800cm4/m）。

在不同的RMA情況下，鋼板樁的變形趨勢相似。鋼板樁的最大變形發生在樁頂，100%RMA情況下的最大變形值為137mm，0%RMA情況下為55mm，如圖4（a）。 對于不同RMA值的鋼板樁的應力分析，100%RMA時的拉應力為298MPa，0%RMA時為85.5MPa，100%RMA 時 的 壓 應 力 為-102MPa，0%RMA 時 為-47.6MPa。 與其他RMA值相對應的鋼板樁應力介于兩個極限情況之間，如圖4（b），從計算結果可看出，不同的RMA對鋼板樁的位移和應力影響是顯著的。結果還表明，同時采用鋼管樁和鋼板樁時，鋼板樁的應力即使在100%RMA時仍能滿足要求。

圖4 基坑開挖后不同RMA值下鋼板樁的變形與應力

2.2 監測結果分析

在本工程中，選擇鋼板樁頂部邊緣的位置作為測量點，如圖5。 對1號基坑開挖過程中的變形進行了監測。1號基坑監測結果表明，基坑開挖接近基坑底部時，樁頭變形趨于穩定，圖6表明，各測點的變形趨勢相似，最大變形量86.6mm，與60%RMA的預測值非常接近。

圖5 鋼板樁變形測點布置圖

圖6 1號基坑樁頭側向位移觀測

RMA值下鋼板樁的計算變形與實測變形進行比較，以確定RMA值，如圖7（a），當RMA為60%時，測量值與計算值基本一致， 相對誤差分別為3.7%和-1.5%，滿足小于5%的精度要求。 此外，所有測量點的平均值也接近預測值，如圖7（b）。 由此初步推斷，在當地地質條件下，鋼板樁的RMA值為60%。

圖7 1號基坑樁頭實測與預測變形

3 支護結構優化

3.1 結構優化

通過對1號基坑的開挖，確定了該區地質條件下鋼板樁的RMA為60%。 在此基礎上，建立了2號基坑支護結構的優化方案，優化結果表明，在沒有鋼管樁的情況下，鋼板樁的應力仍能滿足強度要求，在施工過程中鋼板樁的最大應力為181MPa，在設計允許值范圍內，如圖8。 為此，在原方案基礎上取消了鋼管樁，以節省施工時間和投資。計算了無管樁的鋼板樁的變形，鋼板樁最大變形為115mm，最大應力出現位置是離基坑底部7.5m附近。

圖8 2號基坑開挖過程中鋼板樁的應力和變形計算值

2號基坑變形監測點布置與1號基坑一致，從圖9（a） 可看出2號樁頭的變形趨勢與69號樁頭相似，從圖9（b）看出所有測點的平均值均接近預測值，樁頭最大變形實測值120.0mm， 相應預測值115.0mm，實測值與預測值的相對誤差為4.3%， 基坑開挖至第二環型梁時，實測值與預測值均小于1mm，說明相對誤差對工程無意義。 因此，推斷60%RMA值是合適的。

圖9 2號基坑樁頭實測與預測變形分析

3.2 效益分析

因為考慮RMA的確切影響， 取消了原設計方案中的鋼管樁，因此，施工時間至少縮短了15d，施工費用減少了約350萬元，對于總的工程成本節約將是巨大的。 因此，對于U型鋼板樁，獲得一個合理的RMA值勢在必行。 眾所周知，在開挖過程中，臨界應力狀態是在開挖的最后階段達到的，因此，可以根據開挖初期的實測數據推算出RMA值， 利用推導出的RMA值對支護結構設計進行重新評價和優化， 使支護結構設計既經濟又安全。

4 結語

通過對世紀名匯商業中心U型鋼板樁支護基坑進行了實例研究， 對基坑建立了支護結構的三維有限元模型，并進行了RMA參數分析，得出結論：

（1）對于鋼板樁支護結構的應力分析，在三維數值模型中， 基坑開挖和未開挖區域中的土體可分別模擬為土壓力和支護彈簧。在此基礎上，實測值與理論值吻合較好，并對基坑支護結構的安全性進行了評價。

（2）通過比較理論數據和實測數據，對該情況的RMA值進行標定，建議U型鋼板樁的RMA 值初步取60%。