T 型鋼板樁在淤泥類軟土基坑工程中的適用性研究

蔡維龍

（廣東省重工建筑設計院有限公司，廣州 510670）

1 引言

近年來，鋼板樁憑借其成本低、質量輕、強度高、施工便利和止水性能好的優點，已廣泛運用于防洪防災、基坑支護、建設碼頭等工程中。

但通過對大量的工程項目分析發現，淤泥類土除了自身抗剪強度較低、含水量較高的特點，還具有明顯的流變性，無疑加大了控制基坑變形的難度，因此，基坑支護是該類基坑施工的難點[1]。由于普通鋼板樁在淤泥類軟土基坑工程中的適用性不強，因此，對拉森IV 新型鋼板樁進行改造，形成了適用于淤泥質地層中的支護體系。

2 T 型鋼板樁及其特點

T 型鋼板樁由如圖1 所示的2 種基本形式構成。在此基礎上進行組合可以形成多種適用于淤泥質地層中T 型鋼板樁支護結構，具體形式如圖2a、圖2b 所示。

T 型鋼板樁是拉森IV 新型鋼板樁的延展和擴充，繼承了拉森IV 新型鋼板樁的一切優點，同時也克服了其剛度相對不足的缺陷。由于T 型鋼板樁是使用鋼板作為支護體系的基礎，因此，可以避免傳統支護方式容易產生的某些質量問題。一方面可以減少對周圍土體的擾動，且沒有明顯的擠土效應，進而減弱對鄰近建筑物的影響；另一方面也可以避免混凝土灌注樁施工過程中的處理泥漿的問題，既可以簡化施工，還可以縮短施工周期，使其擁有更好的經濟效益和安全性能。

圖1 T 型鋼板樁的基本形式

圖2 不同支護結構T 型鋼板樁

T 型鋼板樁的特點可以總結為以下幾點：（1）承載能力強。T 型鋼板樁截面組合形式使其剛度遠大于非組合型鋼板樁。（2）止水性好。樁間連接處鎖口緊密咬合，能有效防止水的滲入。（3）適用范圍廣。T 型鋼板樁的設計使用是針對淤泥類軟土，因此，可以適用于大部分土質的基坑，并且施工可以不受天氣的制約。（4）經濟實用。鋼板樁可重復使用，簡化施工工藝的同時，還能充分實現經濟效益。（5）安全性能好。T型鋼板樁的規范施工使其面對突發情況時具有更好的安全性能。

3 基于AbAquS 的數值模擬法

3.1 AbAquS 有限元軟件介紹

土抗力法、極限平衡法和有限元法是國內計算和分析基坑穩定性的主要3 種方法。其中的有限元法，既克服了極限平衡法不能分析檢測過程中位移應變的缺陷，也避免了土抗力法完全彈性等不符合實際的假設條件，在此基礎上還能夠處理分析區域的復雜特征。本節結合ABAQUS 有限元軟件，簡述土體的本構模型、接觸面相互作用模型和單元生死功能，以此為基礎來模擬基坑開挖的全過程，同時較為全面地計算和分析不同形式的鋼板樁的支護效果。

3.1.1 土體的本構模型

本文基坑數值模擬中土體的本構模型采用的是Mohr-Coulomb 屈服準則。該準則中Mohr 認為土體的破壞模式是剪切破壞，并且假設剪應力的極限值與該平面上的正應力相關，而不是一個常數，見式（1）：

式中，τn為極限抗剪強度，MPa；σn為剪切面上的法向應力，以受拉為正，MPa；c 為黏聚力，kPa；φ 為內摩擦角，（°）。

通常，隨著靜水應力的增加，土體的內摩擦角會相應減小。但靜水應力不大時，可以認為是一個常數，此時屈服曲線為一條直線，可表示為式（2）：

3.1.2 接觸面相互作用模型

在鋼板樁和土體的接觸面處需要考慮切向力和法向力[2]，本文采用的這種法向行為被稱作硬接觸。當接觸面存在空隙時，接觸面不能傳遞法向壓力p，只有當接觸面兩邊的物體壓緊時才可以傳遞法向壓力，且接觸時所傳遞壓力的大小沒有限制。

接觸面的切向力學行為使用的是摩擦模型，即切向應力的傳遞需要接觸面上存在法向壓力。當摩擦力（即切向應力）大于其極限值時，接觸面呈現滑移狀態，反之則認為接觸面處于黏結狀態。其中極限剪應力可通過式（3）表示：

式中，μ 為摩擦系數。

特殊情況下，接觸壓力過大會導致極限剪切應力超過土體真實的極限剪應力值，這時就需要自定義一個恰當的最大剪應力τmax。

3.1.3 單元生死功能

本文基坑中土體的開挖采用單元生死功能來模擬。模型開始計算時，系統會自動儲存計算移除面上的節點力，隨后在相應的開挖分析步中逐漸減少到零，以此來模擬單元的移除。

3.2 工程概況

建設場地位于廣東佛山市樂從鎮，原場地為魚塘、農田。根據場地附近地質勘察相關資料，選取主要的標準土層作為地質模型。具體參數見表1。

表1 地層相關參數取值

3.3 模型建立

本文的建模分析基于有限元軟件ABAQUS。基坑模型寬10m，深6m，基坑四周均進行支護，為簡化模型，僅取一側開挖土體和鋼板樁支護作為研究對象，土體單元采用莫爾-庫侖屈服準則。同時，鋼板樁到土層邊界寬度取20m，以此來減弱邊界效應對鋼板樁支護的影響，基坑開挖幾何模型如圖3 所示。

圖3 基坑開挖幾何模型

在本幾何模型中，默認鋼板樁間連接情況良好，在模擬中考慮土體和鋼板樁之間的接觸，土體的相關參數見表1。為研究T 型鋼板樁支護在淤泥質土體基坑中的支護效果，現分別考慮普通單排和單、雙排T 型用于該基坑模型時的支護效果。

3.4 基坑支護模擬結果分析

開挖完成后，普通單排鋼板樁、單排和雙排T 型鋼板樁的支護側向水平位移曲線如圖4 所示。

圖4 支護側向水平位移曲線

由圖4 可知，樁身的最大側移變形均發生在樁頂，普通的單排鋼板樁的樁身側移量顯著大于單、雙排T 型鋼板樁。根據組合鋼板樁截面形狀的特點可知，相較于單排鋼板樁，單排T 型鋼板樁通過對不同形式鋼板樁進行組合，形成了一個截面模量更大，剛度也更大的截面形式，所以單排T 型比普通單排鋼板樁能更好地控制支護結構的側移，而雙排T 型鋼板樁在這方面的效果則又更為明顯。

坑底土體會隨著基坑開挖的逐步進行而隆起，同時可能會導致整個支護結構朝上移動，嚴重時還會導致工程樁的斷裂，圖5 給出了基坑坑底隆起圖。土體隆起的最大值均出現在距鋼板樁支護約3m 處，且圖像大致呈凸線型。隨著基坑開挖，坑底土體因為卸載回彈和基坑下部支護不穩定而隆起。對比圖5 中3 條曲線可知，相比于普通的單排鋼板樁，2 種T型鋼板樁都能一定程度上控制支護結構的變形，進而減少坑底的隆起量。

圖5 基坑坑底隆起圖

除此之外，基坑附近地表沉降也是基坑開挖引起的顯著現象，具體情況如圖6 所示。隨著基坑的逐步開挖，周圍土體的應力狀態會發生變化，進而導致鋼板樁發生位移變形的同時坑外地表發生沉降[3]，特別是對于淤泥質地層，地表沉降則更為顯著。T 型鋼板樁不僅對樁后土體提供了支護力，還有類似復合地基的加固作用。由圖6 可知，剛度更大的雙排T 型鋼板樁能更加有效地減小坑邊地表沉降，保障周圍施工環境的安全。

圖6 基坑邊沉降位移曲線

4 結語

通過上述有限元模型分析可知，在淤泥類軟土基坑工程中，由于其截面特性，3 類鋼板樁剛度由大到小依次為雙排T型鋼板樁、單排T 型鋼板樁、普通單排鋼板樁。因此，在對比了樁身側移、坑底土體隆起和坑邊地表沉降3 個方面的變形后可知，雙排T 型鋼板樁的支護效果最好，單排T 型鋼板樁效果次之，普通單排鋼板樁效果最差。

由于淤泥類軟土的特點，對于支護的剛度要求更大，同時因為淤泥壓縮性大，會導致基坑的變形格外明顯，對工程的危害也更大。在軟土地層中，T 型鋼板樁及其不同組合結構，既解決了淤泥質土中圍護結構剛度不足的問題，還滿足了控制坑邊地表沉降和坑底土體隆起量的要求。

綜上所述，T 型鋼板樁比普通鋼板樁更適用于淤泥類軟土基坑工程。同時，T型鋼板樁具備止水性能好、承載能力強、經濟效益好、安全性能高及應用范圍廣的特點，因此，該研究成果的應用前景十分廣闊。