深基坑钢板桩的受力分析和安全稳定计算

燕　乔　张营营　李晓威　李　亮　莫世远

(三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌　443002)



深基坑钢板桩的受力分析和安全稳定计算

燕乔张营营李晓威李亮莫世远

(三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌443002)

摘要：钢板桩围堰对地下或水下工程起着重要的支撑作用，其安全与否直接关系着工程的安全状况和进度．本文主要针对钢板桩围堰内部各构件的强度和稳定性，结合雅鲁藏布江特大桥工程，应用三维有限元软件对此工程中钢板桩围堰进行三维整体建模并进行结构分析．该方法与传统的等值梁法或平面有限元等简化方法相比更为合理，且验证了此方法的正确性和简便性．计算结果也表明了该工程可以按设计安全施工，并可为其它工程中的深基坑的安全施工提供参考．

关键词：钢板桩围堰；三维建模；结构计算；强度；稳定性

目前，由于地上空间有限或者根据具体工程的要求，地下工程或者水下工程越来越多，而这种特殊工程比地上工程在安全防护上要复杂的多．随着研究的不断深入和具体工程应用的不断增多，钢板桩围堰以其良好的强度、防水性和施工的简便快速等优点使其在工程的应用中日臻成熟．钢板桩围堰主要由四周钢板桩、内部支撑和封底混凝土共同形成[1]．钢板桩围堰是一个空间结构，在理论计算方面比较复杂，传统的理论计算方法主要有等值梁法和平面有限元法[2]．由于这些方法是将钢板桩围堰简化为平面结构，所以其计算结果必然与实际情况有较大偏差，对工程的安全是不利的．因此，本文结合具体的工程实例，对钢板桩围堰的计算模型进行了优化，利用软件建立其真实的空间结构并进行结构分析，计算钢板桩及内支撑在周围土、水等各种荷载作用下的强度和稳定性是否满足要求，也验证了此种方法的简便性和实用性．

1工程概况

加查2号雅鲁藏布江特大桥，起讫点桩号为DK216+9.52～DK216+767.00，全长757.48 m，8号～10号墩跨越雅鲁藏布江，桥墩均采用12根直径1.8 m的群桩基础[3]．根据设计，10号墩的基坑开挖深度达13.63 m，承台基础底部高程为3 186.66 m，承台尺寸为14.8 m×11.1 m×3 m，施工水位为3 194.52 m．本文选取10号墩承台基坑进行钢板桩围堰的受力分析和检算．根据现场实地考察，雅鲁藏布江河床比较窄，水中桩基础钢护筒施工不具备大型定位船及打桩船的施工条件，墩位处开挖至封底混凝土底并整平比较困难，且河床内存在大量的3～5 m大孤石与漂石，桩基护桶下沉困难，且容易偏斜，不易确保桩基垂直度．经过多方案比选及吸取雅鲁藏布江上其它桥梁(拉绥大桥等)水中桩基础施工的成功经验，决定本标段的跨雅鲁藏布江特大桥水中桩基础辅助设施方案采用筑岛+临时钢栈桥方案[4]．

2钢板桩围堰施工

围堰施工时，先对墩位处开挖至封底混凝土底并整平，再施工桥位处临时栈桥，使用桩基钢护筒作为定位桩并形成作业平台，在作业平台上开挖孔桩，然后再下沉钢围堰、封底、抽水、浇筑桩基承台[5]．在钢板桩中，拉森Ⅳ型钢板桩应用最为广泛，且结合工程的实际地质和水文情况，决定采用长15 m、宽0.4 m、厚15.5 cm的拉森Ⅳ型钢板桩[6]．10号墩的基坑开挖深度为13.63 m，承台顶部以上深度为9.13 m，所以在距筑岛顶部5 m处设第一道内支撑，在距第一道内支撑3.5 m处设第二道内支撑(如图1所示)．围囹采用H40(400×400×20×20)型钢，直撑和八字斜撑均采用Φ820×10钢管[7]．

图1　立面图

3三维建模及受力计算

3.1三维建模

根据工程实际，在理正深基坑结构设计软件中依次经过网线、支护、土层参数、内支撑的布置后形成立体的三维模型(如图2所示)．

图2　三维模型图及线条图

3.2软件处理计算结果

因钢板桩围堰的两道内支撑分别设置在距筑岛顶部5 m和8.5 m处，因此共有3个计算工况，即：工况1：开挖至-5 m；工况2：开挖至-8.5 m；工况3：开挖至坑底[8]．对比分析3个工况的计算结果可以看出在工况3时，该结构的变形和内力都达到最大，即为最不利工况．因此，以下只分析工况3的支护计算结果是否满足要求．

3.2.1结构变形计算

由计算的结果云图可看出模型四周在荷载作用下均向内变形，最大变形为18.76 mm(如图3所示)．

图3　结构变形模拟

3.2.2钢板桩结构的内力计算

深基坑支护包括钢板桩、围囹、内支撑3种结构类型，而深基坑结构的安全与否主要取决于这3种支护结构所受的弯矩和轴力的大小．

1)基坑竖直钢板桩的内力计算及检验

根据计算，钢板桩桩身所受的最大弯矩为415 kN·m(如图4所示)．

图4　竖直钢板桩弯矩图

查文献[9]可知：拉森Ⅳ型钢板桩抗弯截面模量W为2 037 cm3，钢板桩容许抗弯应力[σ]=210 MPa．由公式：σ=M/W求得钢板桩所受的最大应力，即σ=415×106/(2 037×103)=203.7 MPa<210 MPa，由计算结果可知钢板桩能满足受力要求．

2)围囹的内力计算及检验

根据计算，围囹所受的最大弯矩为484.5 kN·m，最大轴力为1 181 kN(如图5所示)．

图5　围囹的弯矩、轴力图

围囹采用H40型钢，查文献[10]可知，H40型钢抗弯截面模量W为3 279.46 cm3，截面积为232 cm2，其容许抗弯应力[σ]=295 MPa．由公式：σ=M/W+F/m(M、W同上，F为围囹承受的最大轴力，m为围囹截面积)求得围囹所受最大应力，即σ=484.5×106/(3 279.46×103)+1 181×103/(232×102)=198.65 MPa<295 MPa．所以由计算结果可知围囹也能满足受力要求．

3)内支撑的内力计算及检验

根据计算，内支撑所受最大弯矩为127 kN·m，最大轴力为2 013 kN(如图6所示)．

图6　支撑的弯矩、轴力图

内支撑均采用Φ820×10钢管，查《钢结构设计规范》可知，Φ820×10钢管抗弯截面模量W为5 092.24 cm3，截面积为254.469 cm2，其容许抗弯应

力[σ]=250 MPa．所以由公式：σ=M/W+F/m，有σ=127×106/(5 092.24×103)+2 013×103/(254.469×102)=104.05 MPa<250 MPa．所以由计算可知内支撑采用Φ820×10钢管也能满足受力要求．

4结语

本文针对加查2号雅鲁藏布江特大桥10号墩基础建立了钢板桩围堰空间三维模型并对钢板桩围堰的强度和变形进行了分析．从计算过程可以看出，该方法对钢板桩围堰的受力计算简便快捷，也合理可行．从计算的结果云图可以直观地看到各构件的受力、变形情况，也可以清楚地看到最危险的部位，从而有针对性地进行支护，不仅能保证工程的安全，而且省时省力．因此方法对类似工程具有实际的借鉴意义，也具有一定的推广价值．

参考文献：

[1]张凯．钢板桩围堰应用与受力分析[J]．山西建筑，2015,41(4)：180-181．

[2]杜闯，丁红岩，张浦阳，等．钢板桩围堰有限元分析[J]．岩土工程学报，2014,36：159-164．

[3]JGJ 94-2008．建筑桩基础规范[S]．

[4]JGJ 120-99．简明深基坑工程设计施工手册[S]．

[5]臧孟军，郜文英，牛清波，等．深基坑钢板桩支护受力分析和安全稳定计算[J]．南水北调与水利科技，2009,7(6)：317-319．

[6]周跃华．筑岛式钢板桩围堰施工及受力分析[J]．安徽建筑，2009,16(2)：90-9．

[7]张骏．桥梁深水基础钢板桩围堰受力分析与应用[J]．桥梁建设，2012，42(5)：74-81．

[8]苗俊杰．浅谈钢板桩围堰在跨河桥梁深基坑支护中受力分析[J]．铁道建筑技术，2014(12)：22-26．

[9]范崇仁．水工钢结构[M]．4版．北京：中国水利水电出版社，2008：32．

[10] GB50017-2003．钢结构设计规范[S]．

[责任编辑张莉]

收稿日期：2015-11-18

通信作者：燕乔(1975-)，男，副教授，博士，研究方向为水利工程施工技术．E-mail： 372979121@qq.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.004

中图分类号：TU473

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)02-0016-03

Stress Analysis and Safety/Stability Calculation of Steel Sheet Pile in Deep Foundation Pit

Yan QiaoZhang YingyingLi XiaoweiLi LiangMo Shiyuan

(College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe steel sheet pile cofferdam is a very important supporting role in the underground or underwater engineering. The safety and progress of the project is directly related to the safety of the steel sheet pile cofferdam. This paper mainly aiming at the strength and stability of the members of the steel sheet pile cofferdam, combined with the Yarlung Zangbo River Bridge project, the steel sheet pile cofferdam of 3D integral modeling and structural analyses are carried out using 3D finite element software. The method is more reasonable than the traditional method of equivalent beam method or plane finite element method; the correctness and simplicity of the method are verified. The calculation results also show that the project can be designed according to the design safety and provide a reference for the safety of deep foundation pit in other projects.

Keywordssteel sheet pile cofferdam;3 D modeling;structural calculation;strength;stability