深基坑鋼板樁支護結構變形分析及方案優化

盧清碧LU Qing-bi

（中建三局基礎設施建設投資有限公司，武漢430000）

0 引言

鋼板樁作為優良的圍護材料，在基坑支護工程中得到了較為廣泛的使用。鋼板樁具有易施工，可循環使用等特性，近年來在基坑支護工程中廣泛推廣使用[1]。襄陽東西軸線項目作為典型的市政工程，施工過程中周邊環境復雜，空間限制較大，拉森型鋼板樁具有質量輕、施工快、環保效果好且對空間要求不高等優勢，在市政工程基坑支護工程中深受歡迎。近年來，鋼板樁在應用過程中也逐步發現一些缺陷，其中較為明顯的是抗彎能力較差、頂部水平位移量較大等情況[2]。因此，為了保證鋼板樁支護結構的穩定性及安全性，繼而使得基坑施工過程順利進行，支護過程中鋼板樁受力及變形不應達到其極限狀態且不應超過規定限制。同時，由于施工過程中形成的深基坑深度不一，不同的嵌固深度使得鋼板樁具有不同的受力及變形特征[3]，如何確定鋼板樁的嵌固深度，在保證安全的情況下盡可能選擇經濟的方案是亟待解決的問題。

支護結構選型：

支護結構選型時，一般需綜合考慮多種因素，以選取最優的解決方案。在選擇基坑及溝槽的支護形式時，首先必須了解清楚土體的性狀及地下水的情況，結合基坑的平面尺寸、開挖深度以及周邊環境的影響，選用可行的支護方式，再考慮施工場地條件，支護結構的施工工藝和經濟指標，確定最終的支護結構施工方案。

目前，隨著我國建筑行業的不斷發展，各種不同形式的支護結構逐步被應用。基坑支護結構作為基坑工程中的圍護結構，其主要功能體現在兩個方面：擋土作用和擋水作用。深基坑支護類型有：灌注樁排樁圍護墻、板樁圍護墻、咬合樁圍護墻、型鋼水泥土攪拌墻、地下連續墻、水泥土重力式圍護墻、土釘墻等。

土釘墻支護技術應用于深基坑工程中主要是采用原位加筋技術措施，主要形式類似于加筋擋土墻。土釘墻支護形式的優點是施工效率高、工期短、設備輕便、用料少、成本低。應用土釘墻支護技術時需要現場土體有一定要求：通常需一定自穩能力。這樣才能提供一定時間、空間條件為土釘墻施工。

錨桿支護是一種主動式的巖土加固穩定技術，一端錨入穩定的土、巖體當中的錨桿作為技術主體，另一端要與各種類型支護結構進行連接，通常還需施加一定預應力。通過錨桿桿體受拉作用，才能有效調動深部地層力量，以便更好維護基坑穩定。錨桿支護方式，適用性較強，基本不會受到基坑深度限制。

水泥土重力式擋墻類型主要有兩類：攪拌樁、高壓旋噴樁，這兩種類型的支護同時可以擋土、擋水，并具有良好防滲效果，能夠依靠自身重量抵抗側向力保持穩定。并且水泥土重力式擋墻支護的基坑內部一般是不存在支撐的，可以方便地進行機械開挖和地下結構施工，整體系統施工簡單、成本較低。

鋼板樁是一種帶鎖口的熱軋（或冷彎）型鋼，靠鎖口相互連接咬合，形成連續鋼板樁墻，用來擋土和擋水，具有高強、輕型、施工便捷、環保、可循環利用等優點。

采用柱列式間隔布置鋼筋混凝土鉆孔灌注樁是一種排樁支護形式。現場施工較為簡便，能夠采用機械或人工方式進行鉆孔，施工過程中不涉及大型機械使用，避免噪音污染，對基坑周邊土體危害較低，現場施工經濟性較好。排樁還具有良好整體剛度和抗側移能力，整體工作性能較為可靠。

在泥漿護壁基礎上構筑鋼筋混凝土墻體的支護形式為地下連續墻，整體剛度大、止水防滲效果好。在模擬計算的基礎上，做好現場協調配合,對軟土地層變形能起到很好的控制作用。

襄陽東西軸線項目是連接襄陽各個城區的城市樞紐，全線高架橋橫穿市區，主要施工區域位于城市中心區，施工外部環境復雜。工程施工過程中，周邊道路仍需具有交通通行能力，因此，基坑及溝槽支護除必須保證基坑安全外，還需保證周邊土體及道路穩定。同時考慮施工工期、分段施工材料周轉及前期地質勘查資料，初步擬定采用鋼板樁支護形式，施設置內部支撐體系保持穩定。施工過程中定期監測支護結構及周邊構筑物的沉降及位移。

1 鋼板樁內力及變形規律

1.1 等值梁法

利用等值梁法計算支護結構內力，需計算出作用與支護結構上的土壓力[4]，土壓力分布規律如圖1所示。

圖1 土壓力分布規律

首先計算反彎點深度，實際上開挖面以下土壓力為零的點和反彎點很接近，計算時以土壓力為零的點代替反彎點。該點離基坑開挖面距離為y，在y處主動土壓力和被動土壓力相等，即有：

式（1）、式（2）中，γ為土的重度，Ka為主動土壓力系數，Kp為被動土壓力系數，c為土的粘聚力。

按照簡支梁計算等值梁[5]的最大彎矩Mmax和支點反力TA和Pd，并且根據Pd和支護結構前被動土壓力對結構底端的彎矩相等可得：

計算支護結構入土的最小深度t0：

上式中，為檢驗系數，一般取1.1～1.2。根據受力分析結果，可計算支護結構頂端位移。

根據襄陽市地方規定，市政工程施工過程中大于3m基坑即為深基坑工程，需采取相應的基坑支護措施。襄陽東西軸線項目施工過程中形成的基坑深度大多位于3m～8m之間，局部有較深基坑，進行專項施工。

根據等值梁法計算基坑支護鋼板樁最小嵌固深度如表1所示。

表1 等值梁法計算基坑最小嵌固深度

1.2 FLAC3D模擬分析

FLAC3D是三維的有限差分計算程序，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際的結構。單元材料可采用線性或非線性本構模型，在外力作用下，當材料發生屈服流動后，網格能夠相應發生變形和移動（大變形模式）。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。

FLAC3D為樁與土之間界面建立提供了解決方案，由于樁土，地連墻與土之間的剛度相差太大，位移不連續，有限元中尤其如此，因此，接觸面間必須設置接觸面單元。FLAC3D采用無質量但具有形變能力的單元模擬界面屬性，可以反映接觸面之間的剪切滑移或侵入行為，減少誤差或錯誤。

利用FLAC3D有限差分軟件，建立承臺基坑開挖及支護的有限元模擬過程，分析基坑支護過程中內力及變形規律。土體力學參數如表2所示。

表2 土體物理力學參數

模型網格劃分如圖2所示。

圖2 基坑開挖及支護模型

項目中所用鋼板樁截面積為96.99cm2，壁厚為15.5cm，截面模量每片362cm3，單根鋼板樁界截面所能承受的極限彎矩為1866.547N·m。

根據圖3所示，鋼板樁在支護過程中產生的最大彎矩均未超過鋼板樁的極限彎矩，鋼板樁未達到承載能力極限狀態，保持穩定。

圖3 基坑支護鋼板樁應力分布圖

鋼板樁位移限值為64cm，據圖4所示，鋼板樁嵌固1m深度時鋼板樁頂點最大位移接近極限值，處于能安全使用的臨界狀態。當嵌固深度大于1m時，鋼板樁頂點最大位移均低于規定限值，能夠安全使用。

圖4 支護結構頂點位移

FLAC3D計算過程中，為接近現場實際情況，認為鋼板樁之間有較強的連接作用，因此，有限元分析結果略低于理論計算結果。但總體吻合較好。

2 支護方案優化

2.1 工程概況

襄陽東西軸線項目分為土建工程和附屬工程兩部分，其中土建工程包括橋梁工程、道路工程、排水和管線工程。道路主線高架橋全長8.1km，道路全長8.78km，全線高架橋下部結構承臺施工共350多個，排水工程約十多公里，項目在施工過程中會產生大量深基坑工程，保證工程施工過程中基坑安全是首要任務，在此前提下，通過經濟技術分析，比選出經濟更加合理的方案。

2.2 方案優化

拉森鋼板樁用打樁機打（壓）入地基，使其互相連結成鋼板樁墻，用來擋土和擋水。U形、Z形及直腹板式三種是比較常見的形式。鋼板樁對于柔軟地基及地下水位較高的深基坑支護有很好的適用性，且其施工簡便，止水性能好，可重復使用。拉森鋼板樁使用長度一般為6m、9m、12m、15m，也可根據用戶的要求，定制加工，最大長度為24m。在施工過程中，根據工程的具體情況，改變拉森鋼板樁的斷面形狀和長度，使結構設計更加經濟合理。此外，經過對于拉森鋼板樁產品斷面的優化設計，使其產品的質量系數得到了明顯的提高，減少每米樁墻寬度的重量，降低工程成本費用。根據工程實際情況，對截面進行經濟合理的選用，實現設計優化和深化設計，一般與同性能熱軋鋼板樁相比，拉森型鋼板樁可節省材料10-15%，顯著的降低了施工成本。

考慮到鋼板樁規格及型號，支護結構選型需重新規劃，提供以下幾種典型方案比選：方案一：小于3m采用4m鋼板樁，3m～4m采用6m鋼板樁，4m～6m采用7m鋼板樁，6m～7m采用9m鋼板樁，7m～8m采用12m鋼板樁，鋼板樁費用主要包括定制鋼板樁加工費及租賃費用，本方案鋼板樁定制加工費耗損多。方案二：小于5m深度基坑采用9m長鋼板樁支護，5m～8m深度基坑采用12m長鋼板樁支護；此方案加工費及租賃使用費居中。方案三：統一采用12m鋼板樁支護，此方案加工費用少，但租賃費較多。

表3 支護方案經濟比選

工程施工過程中，除了考慮安全因素，同時也要考慮經濟因素。工程施工支護方案采用不同深度的基坑采用不同長度鋼板樁支護。工程全線承臺施工基坑深度大多介于3m到5m之間，排水施工基坑深度大多介于5m到7m之間。根據基坑施工支護的最小嵌固深度計算結果及表2.3結果所示，小于5m深度基坑采用9m長鋼板樁支護，5m~8m深度基坑采用12m長鋼板樁支護，在保證安全的情況下，做到經濟最優化。

3 結論

①基坑鋼板樁支護結構最大位移發生點位移樁頂，且為保證基坑支護安全，不同基坑深度應滿足最小嵌固深度。本文在計算鋼板樁支護變形規律時，未考慮排樁相互鎖扣的空間效應，計算結果偏安全。且在施工過程中，通過施加連梁及對撐的方式提高支護穩定性。②在滿足基坑最小嵌固深度的前提下，進行經濟方案必選，優化基坑支護方案，為工程施工做指導。通過措施優化，為項目創造效益，節約成本。