H+Hat组合型钢板桩基坑支护结构三维数值模拟研究

樊金平 高秀梅

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

H+Hat组合型钢板桩基坑支护结构三维数值模拟研究

樊金平 高秀梅

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

H+Hat组合型钢板桩作为一种新型基坑支护结构，相对于传统的钢筋混凝土支护结构具有施工速度快、环境影响小、经济性好等诸多优点，在铁路工程、建筑工程、港湾工程等领域中具有广泛的应用前景。采用三维数值模拟技术对H+Hat组合型钢板桩在基坑开挖过程中的土压力分布、钢板桩内力和变形以及基坑周边土体的变形进行研究。

基坑 H+Hat组合型钢板桩 数值模拟

1 概述

基坑支护大多采用钻孔灌注桩、地下连续墙等钢筋混凝土结构，一次使用后即被永久埋植在地下，不具备重复使用性，造成较大的浪费。

H+Hat组合型钢板桩是近年来出现的一种新型临时性支护结构，采用热轧宽幅帽型钢板桩(Hat型钢板桩)和H型钢桩通过焊接组合，形成一个统一受力整体来抵抗水土压力。各钢板桩之间通过锁口进行咬合连接，施工时在锁口涂抹膨润材料可达到良好的止水效果。其中帽型钢板桩采用日本进口，型号有NSP-10H和NSP-25H两种，H型钢采用国产标准，其型号较多，根据工程需要参考国标《热轧H型钢和剖分T型钢》(GBT 11263—2010)进行选用。其照片及结构见图1、图2。

图1 H+Hat组合型钢板桩

图2 H+Hat组合型钢板桩构造

相对于传统钢筋混凝土基坑支护结构，H+Hat组合型钢板桩具有施工速度快、环境影响小、工程结束后可拔出重复使用等优点；相对于HZ/AZ、CAZ等其它组合型钢板桩，H+Hat组合型具有构造简单、抗弯刚度大、止水性能好、受力形式合理、钢材利用率高、经济性好等特点，在基坑工程中具有广泛的应用前景。目前，H+Hat组合型钢板桩在日本和菲律宾已开始应用并逐渐推广，但国内由于缺乏相关技术研究和应用推广，目前尚未在实际工程中应用。拟通过三维数值模拟技术，对H+Hat组合型钢板桩支护结构的土压力分布特征、支护结构强度、稳定性以及其对基坑周边环境的变形控制效果进行研究，为H+Hat组合型钢板桩基坑支结构的推广应用提供理论支撑和技术支持。

2 基坑概况及支护方案设计

2.1 基坑概况及工程地质条件

某工程基坑长87.20 m，宽72.60 m，开挖深度为14.60 m，开挖面积约6 900 m2，周长为340 m。

场地土层由上至下分别为：①人工填土层；②第四系全新统冲积黏土层；③第四系全新统粉土、粉砂、淤泥质黏性土层；④第四系全新统冲积砂土层；⑤白垩—下第三系强风化泥质砂岩。各层土的物理力学参数见图3。场地地下水可分为两类型：上层为赋存于填土层的上层滞水，水量不大且随季节变化，由大气降水及人工排水补给；下层为赋存于砂土层中的孔隙承压水，水量较丰富，年变化幅度为2.0～3.0 m。

图3 支护结构平面布置(单位：mm)

2.2 支护方案设计

根据基坑形式及工程地质条件，确定支护方案为：H+Hat组合型钢板桩+钢筋混凝土内支撑系统。钢板桩采用牌号为SYW295的NSP-10H帽型钢板桩与牌号为Q345的HN800×300H型钢进行组合，组合钢板桩每延米截面模量为8 964 cm3/m。内支撑系统采用钢筋混凝土梁支撑，平面布置见图3；考虑到基坑开外深度较大，并且土质条件一般，故从上到下共布置三道支撑，支护结构剖面布置见图4。由于钢板桩自身具有良好的防水性能，基坑底部距离含水砂层尚有一定厚度。计算表明基坑开挖面以下至含水层顶板地基土自重可以避免坑底涌水，在采用钢板桩进行基坑支护时，不需要再采用竖向隔渗和降水等措施。

图4 支护结构剖面布置

3 三维数值模拟研究

3.1 数值计算模型

以上述工程基坑为例，采用岩土工程通用有限元软件midas GTS建立数值计算模型，对土体采用摩尔-库伦模型，钢板桩采用Von Mises模型，钢筋混凝土采用线弹性模型。计算模型取基坑外侧3倍基坑开挖深度范围，基坑底部取钢板桩底端以下20 m。考虑到基坑形状的对称性并节省计算机时，以基坑中轴线为剖分面取1/4基坑建立计算模型，建立的有限元模型长85.6 m，宽78.3 m，高40 m。有限元模型及网格划分见图5、图6。

图5 基坑三维有限元计算模型

3.2 计算工况

在进行数值计算时，采用不同施工步骤，计算结果也会有明显的差异。为了真实地反映基坑及支护结构在施工过程中的应力及变形特征，计算时按实际施工步骤分以下9个工况。

工况1：初始地应力生成；

工况2：施工钢板桩及立柱；

工况3：开挖基坑至2.1 m；

工况4：在1.3 m处设置好第一道支撑；

工况5：开挖基坑至8.0 m；

工况6：在7.2 m处设置好第二道支撑；

工况7：开挖基坑至12.0 m；

工况8：在11.2 m处设置好第三道支撑；

工况9：开挖基坑至14.1 m。

3.3 计算结果分析

(1)土压力分析

各工况下的主、被动土压力计算结果见图7。

图7 各工况下的主、被动土压力

主动土压力：

由图7右侧曲线可知，在初始工况下，钢板桩上的主动土压力分布类似于三角形加矩形分布。随着基坑的开挖，基坑开挖面上部和开挖面以下的土压力量值都有所减小，但开挖面以上分布形式基本不变，保持原有的三角形分布，开挖面以下逐渐由矩形分布变为中间向内凹陷的弧形分布。

建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—2012)中，对主动土压力计算规定在基坑开挖面以上采用三角形分布，开挖面以下采用矩形分布，并不随基坑开挖过程变化。对比数值计算结果发现，规范采用的土压力分布形式将会使计算结果偏大，设计偏安全，可以在钢板桩支护结构设计中采用。

被动土压力：

由图7左侧曲线可知，在初始工况下，钢板桩上的被动土压力接近于三角形分布，随着基坑的开挖，土压力分布逐渐由三角形分布变为为向外凸起的弧形分布。这主要是由于较深部位的土体对钢板桩的嵌固作用较大，钢板桩的变形较小，被动土压力增长较小，而靠近中部的钢板桩变形较大，被土压力增长也较大，在开挖至基坑设计深度时，被动土压力变成了倒三角形分布。

建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—2012)中，对被动土压力计算采用三角形分布，这种分布形式在初始开挖阶段桩体主要发生绕桩底的刚性转动时适用。随着开挖的进行，钢板桩发生挠曲变形，这时仍采用三角形分布计算被动土压力将导致计结果偏大，使支护结构设计偏于不安全。因此，在设计时对于变形近似于刚性转动悬臂式支护结构，可以采用三角形分布。对于撑、锚式支护结构，采用三角形分布计算时，需要对被动土压力进行一定折减，根据本文计算结果，折减系数范围为0.5～0.9。

(2)钢板桩内力及变形分析

弯矩：

各工况下桩身弯矩变化曲线见图8。由图8可知，钢板桩的最大弯矩位于钢板桩中部偏上的位置，基坑开挖过程中的弯矩分布形式基本不变。随开挖深度的增加，最大弯矩值逐渐增大，最大弯矩值为540 kN·m，此时桩身应力为60.24 MPa<[345 MPa]，桩身应力远小于屈服强度，桩身强度满足要求。

图8 各工况下的弯矩计算结果

轴力：

各工况下桩身轴力变化曲线见图9。由图9可知：基坑开挖过程中，钢板桩的轴力分布形式变化较大，初始开挖阶段以压应力为主，随基坑开挖的进行，土体变形带动钢板桩变形，使桩身上部逐渐受拉，最大拉应力出现在开挖面以上一定距离处，并随基坑开挖的进行逐渐增大。

图9 各工况下的轴力计算结果

水平位移：

各工况下桩身水平位移变化曲线见图10。由图10可知，钢板桩的最大水平位移位于中部偏上的位置。在初始开挖阶段(工况2～4)，钢板桩的水平位移在桩顶最大，钢板桩变形方式接近于绕桩底的刚性转动；从第2次基坑开挖开始(工况5)，钢板桩变形以中部挠曲变形为主，变形量随开挖深度的增加而逐渐增长，而桩顶水平位移基本保持不变。这主要是因为在初始阶段钢板桩所受荷载较小，钢板桩变形以刚体运动为主，且桩顶支撑力没有充分发挥。随着基坑的开挖，钢板桩所受荷载逐渐增大，变形也逐渐增大，桩顶支撑力也逐渐发挥限制了桩顶位移，中部水平位移逐步超过桩顶位移。

桩身最大水平位移量值为27.6 mm，对变形要求严格的基坑，规范一般要求水平位移小于0.002倍基坑开挖深度，对本基坑为28.2 mm，满足要求。但对比弯矩和水平位移计算结果可以发现，支护结构在变形量接近极限值时，其强度还有较大的富裕，在进行组合钢板桩结构设计时，在满足内力的情况下，需要为满足变形要求而增加额外的刚度。

图10 各工况下的水平位移计算结果

(3)基坑及周边土体变形分析

地表沉降：

开挖至基坑设计深度时，基坑长边侧中轴线方向的地表沉降最大，最大地表沉降量为6.5 mm，位于距基坑开挖边界10.5 m处。相关规范中一般要求地表最大沉降量不超过基坑开挖深度的0.15%，对本基坑为21 mm，地表沉降满足要求。

不同工况下发生地表沉降的范围以及地表沉降的变化见图11。由图11可知，在0.25倍基坑开挖深度范围内，地表变形为向上隆起，最大隆起变形量为3 mm；最大地表沉降位于0.75倍基坑开挖深度处，随着基坑开挖，地表最大沉降量也逐渐增大；地表沉降的影响范围主要集中在1.5倍基坑开挖深度范围内，超过这一范围后沉降趋于稳定，量值也很小，对周边环境基本无影响。

图11 不同工况下的地表沉降变化曲线

地表水平位移：

开挖至基坑设计深度时，基坑最大地表水平位移量值为29.8 mm，相关规范中一般要求地表最大沉降量不超过基坑开挖深度的0.4%，对本基坑为56.4 mm，地表水平位移量满足要求。

不同工况下发生地表水平位移的范围以及位移量的变化见图12。由图12可知，地表水平位移最大值位于基坑开挖边界处，向外逐渐减小，其减小规律近似于抛物线分布，地表水平位移的影响范围主要集中在2倍基坑开挖深度范围内，超过这一范围后沉降趋于稳定，量值也很小，对周边环境基本无影响。

图12 不同工况下的地表水平位移分布及变化曲线

坑底隆起：

开挖至基坑设计深度时，基坑底部主要发生隆起变形，在坑底中点处隆起变形最大，最大量值为21 mm，相关规范中一般要求地表最大沉降量不超过基坑开挖深度的0.2%，对本基坑为28.4 mm，坑底隆起满足要求。

4 结论

(1)H+Hat组合型钢板桩作为一种临时性支护结构应用于基坑工程，对于解决目前钢筋混凝土基坑支护结构造价高、工期长、施工场地占用大、施工泥浆污染环境等方面的问题具有重要意义，其应用前景十分广阔。

(2)在进行H+Hat组合型钢板桩设计时，对主动土压力可采用基坑开挖面以上三角形分布，开挖面以下矩形分布进行计算；对被动土压力，可采用三角形分布进行计算，但需根据支护结构形式决定是否对被动土压力进行折减，对悬臂式支护结构可不进行折减，对撑、锚式结构需对三角形分布计算结果进行折减后使用，建议折减系数为0.5～0.9。

(3)数值计算表明，H+Hat组合型钢板桩在基坑施工过程中的桩身内力和变形值均满足相关规范要求，支护结构安全、稳定；此外，H+Hat组合钢板桩在变形量接近极限值时，其强度还有较大富裕。因此，在进行其结构设计时，除满足内力的要求外，还需要为满足变形要求而增加额外的刚度。

(4)数值计算表明，H+Hat组合型钢板桩基坑支护结构在基坑施工过程中能良好地控制基坑周边地表沉降、地表水平位移以及坑底隆起变形，变形控制效果良好。

[1] 赵海丰，桂树强，樊金平，等. H+Hat组合型钢板桩在基坑工程中的适用性研究[J]. 人民长江，2012(10):27-31

[2] JGJ120—2012 建筑基坑支护技术规程[S]

[3] 吴剑锋.不同开挖深度下基坑桩—撑式支护结构研究[J].铁道工程学报，2013(10):26-30

[4] 陆新征，宋二祥，吉林，等.某特深基坑考虑支护结构与土体共同作用的三维有限元分析[J].岩土工程学报，2003(4):488-491

[5] 常林越，沈健，徐中华. 敏感环境下深基坑的设计与三维数值分析[J].铁道工程学报，2011(11):52-57,121

[6] 曾律弦，潘泓.ANSYS在环梁支护结构体系中的应用[J].四川建筑科学研究，2006(4):88-90

TheThreeDimensionalNumericalSimulationResearchofH+HatCombinedSteelSheetPile

FAN Jin-ping GAO Xiu-mei

2014-08-20

樊金平(1987—)，男，2013年毕业于中国地质大学(武汉)地质工程专业，工学硕士，助理工程师。

1672-7479(2014)06-0064-05

TV551.4

： A