拉森钢板桩在市政基坑支护中的运用分析

肖登峰

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着国内城镇化的进一步发展，基坑工程成为市政工程一项重要的内容，但由于市区内建筑物密集，施工器械、建筑材料等都受到空间限制，而基坑工程需兼顾经济效益、施工周期和安全性等诸方面因素，而拉森钢板桩作为一种新型建筑材料，具有高强度大刚度、施工工艺简单、建筑周期短和施工空间小等特点，伴随钢材价格的降低，成本大大降低，在国内市政基坑工程广泛应用。遗憾的是，国内目前缺少针对钢板桩的施工规范和手册。研究钢板桩及其在基坑工程的运用情况，可有力推动相关行业规范的制定，亦对类似工程具有借鉴作用。

基于此，本文选取某市政基坑工程作为研究对象，分析该基坑以钢板桩和钢支撑结合的支护方式安全性能和变形情况。

1 拉森钢板桩支护的特点

拉森钢板桩是一种适用于基坑的新型临时支护形式，经由振动锤或打桩机持续击打进形成嵌入土体的连续板墙[1]。与传统的基坑支护结构相比，拉森钢板桩具有以下几个特点。

(1)钢板桩相互之间具有较好的咬合能力，起到基坑止水的作用；

(2)拉森钢板桩占用空间小，在经常存在狭窄空间的市政工程中能发挥其优势；

(3)拉森钢板桩采用钢板材料和钢管作为施工材料，材料强度高、刚度大，施工过程无需泥浆护壁，达到环保和缩短工期效果。

(4)钢板桩材料可重复使用，重复次数可达30次以上，大大缩减成本，并缓解临时工程的材料浪费问题。

基于以上几个特点，拉森钢板桩在基坑支护、桥梁工程、管沟支护运用广泛，尤其在河道驳岸基坑工程、管道工程和路面塌陷应急抢险较为常见[2]。其实，在市政管线工程中，由于施工条件存在空间限制，大型器械难以调用，拉森钢板桩亦是一种经济可靠的桩型选择。

2 工程概况及其支护设计

本研究案例基坑工程，位于福建省莆田市内，该基坑长度84.14m，宽13.5m，场地标高约为黄海7.0m～7.3m，开挖前场地整平至黄海6.7m以下。基坑开挖至垫层底深度约为5.6m，如图1所示。该基坑安全等级为二级，工程重要性系数取γ=1.0，采用森钢板桩和钢支撑相结合支护形式。

图1 工程平面图

2.1 地层岩性

根据场地岩土工程勘察报告，场地上部土层自上而下依次为：杂填土、粉质粘土、淤泥、卵石、残积砂质粘性土和风化程度不同的花岗岩。卵石层界面以下均可作为桩持力层的地层。

2.2 岩土层物理力学参数

结合前期勘察以及土工试验获取的岩土层物理力学参数，如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数表

2.3 基坑支护设计方案

该基坑采用拉森钢板桩和钢支撑支护方案，选用Ⅳ型拉森钢板桩，拉森钢板桩桩长15m，深入至卵石层1m，设计参数如表2所示。

钢支撑布设于距地面1m处，分14个对撑和4个角撑，对撑之间相距5m。同时，在基坑内设置箱涵，底部采用C25素砼以及砂垫层，如图2所示；雨水箱涵施工在基坑支护完成并开挖至底部，主要起汇集雨水作用，基坑支护过程并非计算重点。钢板桩采用U型口铰接，连接施工图如图3所示。

表2 Ⅳ型拉森钢板桩设计参数

图2 基坑支护剖面图

图3 拉森钢板连接施工图

3 基坑支护设计验算

该基坑支护设计，采用理正深基坑计算程序，对基坑临时支护进行剖面单元分析计算——围护结构整体分析计算——支撑结构强度验算。计算结果如表3和图4所示。

表3 基坑工程验算表

图4 内力和位移包络图

4 基坑支护有限元分析

除了以理正深基坑计算程序对基坑支护工程进行安全验算，本文还通过二维有限元法对该基坑工程进行模拟计算，并分析基坑变形、应力分布和钢板桩变形情况，以及通过强度折减法分析失稳模式。

4.1 数值模型构建

构建基坑数值模型宽53m，深20m，基坑开挖区域宽度13m，开挖深度5.6m，模型两侧边界距基坑开挖各有20m距离，超过开挖深度造成的影响区域；钢板桩长15m，地下水初始水位距离地面2.2m，基坑超载为10kPa。采用三角形网格将模型划分为4037个单元，对基坑两侧施加水平向约束，对底部边界施加完全固定约束。本构模型选用Mohr-Coulomb，数值模型图如图5所示，模型中各土层采用表1的物理力学参数，根据刚度等效原则，选用等效厚度板模拟拉森钢板桩，并基于相似工程数值模拟结果[3]，各支护构件选取的模拟参数如表4所示。

表4 支护结构的物理参数

图5 基坑支护数值模型

4.2 工况设计

该基坑工程开挖前，预先将拉森钢板桩打入土体深部15m，随后进行第一次工程开挖至地面以下1m；然后，架设钢支撑和围檩，地下水初始水位位于第一次开挖界面以下，地下水位未变化。第二次开挖至地面以下5.6m，开挖过程通过降水措施，将地下水位降至地面以下6.5m。该基坑模拟工况分为如表5所示5种工况，初始工况主要为平衡地应力。

表5 模拟工况 m

4.3 基坑变形结果分析

基坑变形是本研究重点内容。在第2步布设拉森钢板桩工况中，基坑并未发生变形，故不展示该工况下基坑变形情况。图6为第一次开挖至1m时基坑总位移云图。由于本次数值模拟选用的是Mohr-Coulomb本构模型，受本构模型自身限制，该处理基坑受开挖影响导致坑底土体隆起时易产生较大变形。图7是架设钢支撑后的总位移云图，由图7可见，坑底变形量值减少，形成以基坑中心为主的变形区域。在基坑开挖至5.6m时，数值模拟结果如图8所示，图8显示，此时两侧土体形成以开挖中心区为出口的转动体，基坑内土体向基坑中部挤压隆起，变形较为明显，位于开挖中心区长度约8m、深度约1.8m区域；数值模拟显示，开挖至基坑底部是基坑支护最危险的阶段。

图6 开挖至1m时基坑总位移云图

图7 架设钢支撑后的基坑总位移云图

图8 开挖至5.6m时基坑总位移云图

4.4 钢板桩变形分析

由于该模型是轴对称模型，本研究选取其中一个钢板桩进行分析。图9是钢板桩剪力分布图，其最大剪力位置在距桩顶1.3m处，该处剪力250kN；距桩顶约8m位置剪力0，整个剪力图呈现以该位置为对称点的S型，如图10所示；图11是钢板桩弯矩图，弯矩最大位置在距桩顶7.67m处，该处弯矩-556.33kN·m，距桩顶2.4m范围内形成向基坑开挖区内的弯矩，该范围内最大弯矩260.67kN·m，钢板桩弯矩图在数值模型图如图12所示，钢板位移如图13所示，距桩顶1m处由于有架设钢支撑，变形很小，变形区域最大为距桩顶8m位置。

图9 钢板桩剪力分布图

图10 钢板桩剪力在数值模型的分布图

图11 钢板桩弯矩图

图12 钢板桩弯矩在数值模型的分布图

图13 钢板桩位移图

4.5 钢板桩失稳模式

通过强度折减法计算该基坑安全系数，计算结果显示，在基坑挖至5.6m时，该基坑安全系数为3.17，图14是该基坑在临界状态下的最大剪应变分布云图。由图14可见，钢板桩以两侧桩底为轴点形成圆弧形滑动，但滑动面未完全贯通；图15是该基坑在临界破坏状态时的总位移云图的效果呈现图，由图15可以清楚看到基坑受钢板桩的约束，基坑周围土体和钢板桩桩顶处只发生微小的变形，而基坑内部土体呈隆起状态，两侧桩底端均受到土体挤压向基坑内变形。

图14 临界状态时基坑最大剪应变分布云图

图15 临界状态时基坑总位移分布云图

5 结论

本文以某市政基坑工程采用钢板桩和钢支撑相结合的支护设计方案为研究案例，通过单元计算和有限元法分析了基坑和钢板桩的变形情况，得到以下两个结论：

(1)该基坑在开挖至坑底时变形最大，呈现以开挖中心位置为出口的转动变形，基坑内土体向基坑中部挤压隆起。

(2)采用以拉森钢板桩和钢支撑组合的支护方式满足基坑安全要求，施工区域较为狭窄的区域，拉森钢板桩具有明显优势。