拉森鋼板樁圍堰施工有限元數值模擬及優化研究

朱榮浩＊ 章晨昊 劉松濤 董 旭

（1、山東交通學院 交通土建工程學院，山東 濟南 250357 2、日照交通發展集團，山東 日照 276800）

1 概述

拉森鋼板樁圍堰技術廣泛應用于深基坑的開挖支護結構，拉森鋼板樁有著施工速度快、成本較低、安全系數較高的特點[1-2]，經過多年的實踐應用，國內外學者也對鋼板樁圍堰支護的結構優化及力學分析進行了大量的研究。梁國卿[3]等采用ANSYS 10.0 有限元軟件建立鋼套箱圍堰整體和局部的有限元模型，模擬分析5 種施工工況對鋼套箱底板、側壁、封底混凝土等結構內力與變形的影響。張樹清[4]等為驗算結構安全性，采用ANSYS 建立鋼板樁圍堰三維有限元模型，模擬9 種施工工況，分析各工況下鋼圍堰的應力變化，判斷鋼圍堰安全性，提出了開挖較深后基礎承載力偏小的改進意見。賴引明[5]等采用midas civil 對某大橋單支撐淺埋式鋼板樁支護進行整體建模分析，并結合等值梁法簡化分析，得到了鋼板樁在土壓力作用下鋼板樁圍堰應力和變形的發展規律。李瓊林等[6]模擬分析了軟土路基附近深基坑開挖及鋼板樁支護工程的過程。研究了內支撐間距、鋼板樁埋深和深溝開挖位置對路基變形和鋼板樁應力的影響。綜上可知，目前國內外對于鋼板樁圍堰的結構優化進行了大量的研究，但是對于改變內撐的參數而提高鋼圍堰的安全系數研究較少。

本文通過對某特大橋深基坑的鋼圍堰設計優化，分別對設計前與設計后進行有限元模擬分析，對比前后鋼板樁圍堰的數據變化，主要分析橫撐的不均勻分布對于拉森鋼圍堰的影響，經過優化后與現場監測實際值對比分析，驗證通過有限元模擬來優化鋼圍堰設計的可行性，為類似的鋼圍堰設計提供經驗。

2 工程概況及有限元模擬分析

2.1 工程概況

某運河特大橋為鋼混連續梁橋， 跨徑布置為90+180+90=360m，橋梁主墩主橋17#、18# 墩承臺結構尺寸均為：26.35m×13.6m×4m，計劃采用基坑鋼圍堰、型鋼支護開挖法。計劃鋼板樁圍堰頂標高為26m，鋼板樁圍堰內設置兩道圍檁和支撐。鋼板樁距離承臺邊緣1.5m，籠式爬梯側（東側）距離承臺邊緣3.6m。鋼板樁采用400×170×15.5mm 長12m 的sp-IV型拉森鋼板樁，圍檁采用2H400×400mm 雙拼鋼圍檁，橫撐采用直徑609mm，厚度16mm 鋼管，考慮到放置籠式爬梯，橫撐之間留出空間便于長臂挖掘機的作業，初步橫撐布置采用如圖1所示的平面布置，斜撐采用400×400mmH 型工字鋼，支撐結構立面示意圖見圖2。

圖1 鋼圍堰支護結構平面設計圖

圖2 鋼圍堰支護結構立面設計圖

根據地質勘察報告顯示，由于基坑與河岸齊平，基坑地質為沖擊成因的黏土，地質自上而下依次是：（1）粉質黏土、（2）黃褐色硬塑黏土、（3）灰褐色硬塑黏土、（4）棕紅色硬塑黏土，具體參數見表1。

表1 土壤參數

2.2 有限元模型

利用Midas-civil 軟件，通過數值分析模擬開挖過程中鋼板樁及支撐的內力和位移變化，為鋼圍堰支護優化設計提供依據。如圖3，模型共離散37916個節點，32903 個單元，包括梁單元828個，板單元26379 個，實體單元5696個，分別模擬內支撐結構，拉森鋼板樁及混凝土墊層。鋼板樁及混凝土墊層底部邊界條件為一般支撐，內支撐與鋼板樁連接通過彈性連接約束，土彈簧采用節點彈性連接模擬實現。

圖3 有限元計算模型

3 施工工況對結構穩定性的影響

3.1 工況模擬及分析結果

模型模擬了6 個工況，工況一：第一層向下開挖1.3m 至標高24.7m 處。工況二：布置第一道支撐。工況三：第二層向下開挖3.3m 至標高21.7m 處。工況四：布置第二道橫撐。工況五：第三層向下開挖4.9m 至標高16.8m 處。工況六：進行20cm 封底混凝土施工。鋼板樁的最大應力和位移變形如圖4、圖5 所示。

圖4 鋼板樁應力大小分布圖

根據圖4，圖5，鋼板樁的最大應力在工況五時第三階段開挖時，鋼板樁在土壓力下最大承受應力108MPa，低于所設計的最大應力188MPa，鋼板樁的最大變形均發生在兩橫撐之間，樁頂向下5.5m 位置處，向內側變形20mm，由于鋼板樁底部打在強風化灰巖的地基上，鋼板樁的豎向變形較小。

上層支撐最不利的工況在工況三第二層開挖時，此時橫撐變形是達到最大8.5mm，圍檁的最大變形出現在橫撐之間位移為3mm，此時最大的應力出現在圍檁上，最大應力為向內43.5MPa，橫撐的最大應力為向下31.7MPa。均小于規范值，滿足設計要求。上層支撐具體變化見圖6、圖7。

圖6 上層支撐位移變化分布圖

圖7 上層支撐應力變化分布圖

下層支撐最不利的工況出現在在進行混凝土封底施工時，此時圍檁的最大位移為9.7mm，位置在兩道橫撐之間，橫撐向下變形11.3mm，滿足設計要求。圍檁最大應力達到190.8MPa，略高于設計的最大規范應力188MPa，橫撐最大應力為77MPa。下層支撐的具體變化見圖8、圖9。

圖8 下層支撐位移變化分布圖

圖9 下層支撐應力變化分布圖

在不同的工況下，鋼圍堰的計算結果統計表見表2。

表2 不同工況下鋼圍堰計算結果統計表

根據有限元模型對鋼板樁、支撐的強度和位移的分析結果，在工況五和工況六，下層支撐鋼管應力略大于規范應力，原因分析：在開挖第三層土時，主動土壓力達到109.2MPa，土體沿坑的橫向位移呈現明顯的波浪形分布，其寬厚比大，薄壁結構抗彎能力弱，橫向支撐剛度變化大，尤其是相鄰橫向支撐中間的鋼圍檁變形明顯，橫撐不均勻分布導致受力不均，使應力都集中在一根鋼管上，應力較為集中，鋼板樁在工況六，進行封底混凝土施工時，受到土壓力的影響，變形較為明顯。針對以上問題，對鋼圍堰支撐進行優化設計。

3.2 支撐結構優化及分析

為了使支撐受力均勻，減少鋼板樁變形，優化橫撐均勻布置。安全爬梯設置在斜撐內，斜撐設置在短邊中心處，減少短邊中心圍檁的應力和變形位移，優化后的支撐設計，詳見圖10。

圖10 鋼圍堰支撐優化圖

經過有限元模擬分析，結果表明：優化后鋼板樁最大位移16.8mm，相比優化前位移減少3.2mm，詳見圖11，位置出現在鋼板樁短邊交界處，鋼板樁的最大應力為96.7MPa，相對于前者減少11.3MPa，上層支撐圍檁變形最大為2mm，橫撐最大變形為8.5mm，支撐變形變化不大。上層支撐圍檁最大應力為36.2MPa，減少7.3Mpa，橫撐的最大應力為31.9Mpa，相比于優化前差別不大。下稱支撐圍檁變形最大8mm，橫撐最大變形為-8.1mm，分別減少1.7mm，3.2mm，最大應力圍檁為161.2MPa，減少29.6Mpa，橫撐最大應力為76.6MPa，圍檁應力減少較為明顯。

圖11 優化鋼板樁位移分布圖

在鋼圍堰支撐設計控制指標中，在優化橫撐設計之后，鋼板樁應力和位移對于橫撐的位置參數較為敏感，能夠有效的減小鋼板樁和內支撐的位移和應力的大小，提高了鋼圍堰的穩定性，保證了施工的安全性。

4 位移監測結果

將優化后的支撐結構應用到現場施工中，對現場進行監測的布置，重點在每個基坑設置8 個圍護樁頂水平和豎向位移觀測點，監測基坑土體和圍護樁的水平和豎向位移、道路豎向位移，具體布置位置如圖12，支撐現場施工應用見圖13。

圖12 監控布置圖

圖13 現場施工圖

監控測量結果表明：鋼板樁在開挖初期，隨著開挖深度的增加，鋼板樁的水平位移逐漸增大，當三層開挖時鋼板樁水平位移變化較大，之后位移逐漸穩定，水平位移的變化規律與有限元模擬相似，考慮到現場的施工因素及測量誤差的影響，鋼板樁頂部最大的水平位移為27mm，鋼圍堰在開挖過程中鋼板樁頂部位移變化趨勢見圖14，經過優化后的鋼圍堰支撐，有效增加了基坑的安全系數，提高了施工效率，驗證了通過有限元模擬鋼圍堰施工過程，而優化鋼圍堰設計的可行性。

圖14 基坑鋼板樁水平位移折線圖

5 結論

5.1 拉森鋼板樁結構屬于薄壁結構，抗彎能力弱，寬厚比大，橫向支撐剛度變化大，會使相鄰橫向支撐中間鋼板樁變形明顯。

5.2 拉森鋼板樁的設計控制指標對于支撐位置較為敏感，平均布置的橫撐有效減小鋼板樁的位移，減少在土壓力的作用下鋼板樁所受到的應力的大小，因此在優化設計時應考慮橫撐因素。

5.3 拉森鋼板樁的橫向支撐均勻的水平間距對施工的效率和安全性有很大影響，較為合適的橫撐間距不僅能減少鋼板樁的水平位移，提高施工的安全性，還能有效提高施工效率，因此，應將其作為支護方案優化設計的關鍵因素。

5.4 對有限元施工工況模擬分析的結果和現場測量的數據進行比對，結果發現水平位移的變化規律相似，隨著開挖深度增加，鋼板樁水平位移最大出現在開挖第三層時，在以后為類似的鋼圍堰進行優化時，可通過有限元仿真分析來進行模擬驗證。