钢管+Hat钢板桩新型组合支护结构研究

杜 冰,方浩宇,靖守臣,3,张 箭,丰土根*

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,西安710075;2.河海大学 岩土工程科学研究所,南京 210098;3.江苏筑森建筑设计有限公司徐州分公司,徐州 221006)

基坑作为当今建筑工程尤其是地下空间工程不可缺少的一部分,发挥着越来越重要的作用,为地下工程施工开挖创造了条件。随着各类高效环保的新型施工技术与材料的推广使用,拉森钢板桩凭借其施工速度快、防水性能好、施工费用低、环境适应性强等优点[1],广泛应用于基坑支护、围堰工程[2]、地下管线迁改[3]、航道放冲加固等方面,其特点十分契合现代社会发展的理念和趋势[4]。相较而言,传统U型钢板桩因为其截面模量较小,进行支护时抗弯刚度不足引起基坑变形过大,降低施工质量,影响工程安全。

为了解决传统拉森钢板桩支护刚度不足的问题,通常采用组合钢板桩增加截面刚度并提高基坑可挖深度,因此诞生了各种由不同桩型搭配组成的新型组合钢板桩支护形式。孙发明等[5]为拓宽钢板桩应用范围,创新性地提出一种由4块Z型钢板桩和1块条形板焊接成的箱体式钢板桩结构,此箱体式截面组合结构制造方便,截面模量大,承载能力强,打桩不易弯曲扭转,可用于各地质条件的工程,极大地解决了钢板桩刚度不足带来的工程应用问题。李仁民[6]提出了一种H型钢+钢板桩的组合支护结构,钢板桩后方设有扣件固定H型钢,提高了组合桩的截面模量,改善钢板桩的抗弯性能,降低了打桩难度,提高了组合桩的垂直度和整体协调性,既利用了钢板桩止水效果好、成本低、施工方便的优势,又发挥了H型钢截面模量高、抗弯性能好的特点,两者结合在一起共同发挥作用,提高支护效果。

目前,钢管+U型钢板桩以及钢管+Z型钢板桩的组合支护结构已开始逐渐应用于实际工程中,但钢管+Hat型钢板桩的组合结构形式还没有实际工程应用或报道。本文提出一种将钢管与帽型钢板桩沿支护方向交叉排列使用的一种新型组合形式,钢管与Hat型钢板桩通过锁口联结,兼具管桩刚度大、钢板桩成本低的优势,其结构形式如图1所示。

图1 钢管+Hat型钢板桩组合示意图Fig.1 Schematic diagram of steel tube and HAT composite steel sheet pile

与传统单纯钢板桩相比,钢管+Hat组合钢板桩具有更大的刚度来控制基坑变形沉降,减少基坑开挖对周边建筑物的影响。与纯钢管支护相比,由于Hat型钢板桩的交叉使用,可以有效降低钢材用量,节约材料降低成本,提高了支护结构刚度,同时止水挡土效果良好。考虑到目前对于此类组合支护结构形式研究较少,且鲜有实际工程应用的案例,本文以PHC组合钢板桩支护结构为研究对象,对该新型组合支护结构的刚度计算、等效截面计算、桩体选型方法等关键问题进行研究,并以安徽马鞍山某基坑工程为工程案例,对PHC钢板桩进行桩型选择以及强度验算。最后,总结出新型组合支护结构施工工艺和注意事项。

1 PHC组合钢板桩支护结构刚度计算方法

对于钢板桩尤其是此PHC组合结构刚度的变化,相关理论研究与试验较少,本节将针对PHC组合钢板桩的刚度问题,利用平行移轴公式对PHC钢板桩墙的刚度和截面模量进行初步简化分析,由传统钢板桩的刚度计算方法得出钢管+Hat型钢板桩的抗弯刚度计算方法以及整体等效刚度。

组合钢板桩支护结构的受力工作状态分为两种极端情况,一种锁口间无剪力传递的单桩独立承载工作状态和一种锁口间完全剪力传递的理想钢板桩墙工作状态。其截面弯曲的中性轴分别位于单根桩横截面形心处和锁口中心处,而实际的工作状态处于这两种情况之间,即锁口处有剪应力并有相对滑移,实际工作状态的刚度小于理想工作状态的刚度。因此本节对两种工作状态的组合钢板桩刚度分别进行分析[7]。

1.1 无剪力传递的单桩承载状态

单独承载工作时,中性轴为各单根桩形心处,分别对钢管和Hat型钢板桩进行计算。此时,采用材料力学中的弯曲刚度计算公式来计算钢管和Hat型钢板桩的刚度。

1.1.1 钢管刚度计算

钢管的横截面形状是对称的,因此中性轴可近似看作位于钢管横截面形心处,采用式(1)～式(3)计算钢管的抗弯刚度。

(1)

d=D-t

(2)

Kg=EgIg

(3)

式中：Ig为钢管对形心轴的截面惯性矩;D为钢管外直径;t为钢管壁厚;d为钢管内直径;Kg为钢管的抗弯刚度;Eg为钢管的弹性模量。

1.1.2 Hat型钢板桩的刚度计算

Hat型钢板桩的横截面中性轴位于截面中心且平行于主板,其截面属性可根据GB/T29654—2013《冷弯钢板桩》查得,一根Hat型钢板桩的截面惯性矩可由每延米惯性矩乘以单根桩体的宽度计算。此时,采用式(4)～式(5)计算其抗弯刚度。

KH0=EHIH0

(4)

IH0=IxBH

(5)

式中：IH0为Hat型钢板桩对形心轴的惯性矩;Ix为Hat型钢板桩每延米惯性矩;BH为Hat型钢板桩的有效宽度。

1.2 完全剪力传递的理想钢板桩墙状态

随着受力的不断持续,钢板桩的变形也在逐渐增大,锁口间咬合得更加紧密,锁口开始传递剪应力,并且产生相互摩擦力使得钢管和Hat型钢板桩协同工作。此时,按中性轴位于锁扣中心计算截面惯性矩与刚度,利用材料力学中平行移轴定理计算Hat型钢板桩的刚度。

1.2.1 钢管桩刚度计算

钢板桩墙横截面的中性轴位于锁口中心连线上,与原中性轴的位置变化可以忽略,因此钢板桩的刚度可认为不变,由材料力学中圆管的惯性矩公式可以计算出钢管的刚度,即采用式(6)进行计算。

K0=EI0

(6)

式中：K0为钢板桩的抗弯刚度;E为材料的弹性模量;I0为横截面对中性轴的惯性矩。

1.2.2 Hat型钢板桩刚度计算

由平行移轴公式计算帽型钢板桩横截面对位于锁口中心处的中性轴的截面惯性矩,单根桩体横截面积可由每延米横截面积乘以有效宽度计算,然后乘以弹性模量得到其抗弯刚度,即采用式(7)～式(8)进行计算。

KH=EHIH

(7)

(8)

式中：KH为Hat型钢板桩对锁扣中心所在直线的刚度;IH为Hat型钢板桩对锁扣中心处中性轴直的惯性矩;A0为每延米横截面积;H为截面有效高度。

1.2.3 一个单元的组合型钢板桩刚度计算

一个组合钢板桩单元由一根钢管和一根Hat型钢板桩组成,在忽略锁扣宽度的条件下,一个PHC组合结构单元的刚度由钢管和钢板桩的刚度叠加而成,如式(9)所示。

K=Kg+KH

(9)

2 PHC组合钢板桩桩体选型

对于新型的组合钢板桩基坑支护结构的内力计算方法还没有统一明确的规范,因此,本文参考已有的普通钢板桩支护结构设计流程及相关规范,进行PHC支护结构关键问题分析,整理出一套适用此钢管+Hat型钢板桩组合支护结构的桩体选型方法,包括土压力计算、内力计算、桩体尺寸参数选择方法,供实际工程借鉴使用。

2.1 PHC支护结构土压力计算

土压力的大小和分布形式与诸多因素有关,如土体的力学特性、支护结构的形式、支撑的刚度、水文地质条件、施工方法等[8]。本文采用计算简便适用范围广的传统极限状态土压力计算方法。

2.2 PHC支护结构内力计算

静力平衡法和等值梁法均为古典计算法,均是将钢板桩看作理想刚体,忽略桩体的变形,因古典法无法计算桩体的变形量,对于钢板桩这种柔性支护结构,刚度不足的问题尤为突出,设计计算时被当作理想刚体会使计算结果产生很大误差。根据JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》,对于支撑式支挡结构,宜用平面杆系弹性支点法计算挡土支护结构的内力与变形以及支点力值[9],计算简图如图2所示。

图2 平面弹性地基梁法计算简图Fig.2 Calculation diagram of plane elastic subgrade beam method

根据土层分布不同,即m值大小不同,综合考虑挖深、内支撑条件等因素,利用式(10)～式(11)挠曲线微分方程进行计算。其中使用的计算刚度为式(9)计算的等效刚度。

(10)

(11)

式中：EI为支护结构单位计算宽度的刚度;y为支护结构的侧向位移;z为计算点处深度;ea为深度z处的主动土压力;m为土的水平反力系数的比例系数;b0为抗力计算宽度;hn为第n步开挖深度。

2.3 PHC支护结构桩体参数选择

由组合钢板桩支护结构内力计算的桩体最大弯矩Mmax,根据材料强度验算对钢管和Hat型钢板桩进行构件选型,选择合适的尺寸和截面模量。

2.3.1 钢管、Hat型钢板桩的弯矩设计值Mg、MH计算

首先计算PHC组合结构最大弯矩设计值M,根据计算的桩体最大弯矩Mmax,分别乘以基坑重要性系数γ0和作用基本组合的综合分项系数γF,得到弯矩设计值M,如式(12)所示。

M=γ0γFMmax

(12)

式中：Mmax为计算求得的最大弯矩值;γ0为基坑重要性系数;γF为按承载能力极限状态荷载基本组合的综合分项系数,取值应不小于1.25。

然后将计算的最大弯矩设计值M进行修正,因为上文计算的桩体最大弯矩Mmax是每米桩墙宽度的最大弯矩值,而按照弯矩按刚度分配的原则,要计算一个PHC组合钢板桩结构单元的宽度上的弯矩值,因此要对最大弯矩设计值M进行调整。

一个PHC组合钢板桩结构单元由一根钢管和一根Hat型钢板桩组成,BH为Hat型钢板桩的有效宽度,m;Bg为钢管的有效宽度,m,即为钢管的外径;M0为调整后的最大弯矩设计值,采用式(13)进行计算。

M0=(BH+Bg)M

(13)

根据组合钢板桩承受的荷载按刚度分配的原则,分别计算钢管和Hat型钢板桩的最大弯矩设计值Mg与MH。钢管的截面惯性矩Ig和Hat型钢板桩的截面惯性矩IH可根据材料力学截面惯性矩计算公式以及钢管、钢板桩型号规格表计算。

钢管桩承担的弯矩Mg采用式(14)进行计算。

(14)

Hat型钢板桩承担的弯矩MH采用式(15)进行计算。

(15)

2.3.2 尺寸参数的确定与强度验算

(16)

式中：σ为计算正应力;M为弯矩设计值;W为截面模量;[σ]为材料的强度设计值。

对于钢管

(17)

对于Hat型钢板桩

(18)

综合上式对钢管截面惯性矩即外径D和厚度t、Hat型钢板桩截面模量即有效宽度BH和有效高度hH进行选择,因涉及参数较多,可通过试算,预估钢管或Hat型钢板桩的截面尺寸规格,然后进行强度校核,简化计算。

3 工程算例分析

3.1 工程概括

以安徽马鞍山某基坑工程项目为依托,采用理正深基坑设计软件对PHC组合钢板桩支护结构等效截面进行单元计算,依照前章所述的结构设计计算方法对桩进行选型与强度验算。基坑开挖范围长50 m、宽30 m,开挖深度为6 m。基坑周围土层由上至下可分为：杂填土层、素填土层、粉砂/粉土层,根据开挖面位置进行土层分层及简化,各土层的基本参数信息如表1所示。

表1 简化后土层基本参数Tab.1 Basic parameters of simplified soil layer

考虑基坑的开挖面积较大,周围建筑物和地质条件复杂,采用PHC组合支护结构加内单道内支撑为支护方案,支撑处位于钢板桩顶部以下1 m。

3.2 钢管+Hat组合钢板桩选型设计

考虑基坑的开挖面积较大,周围建筑物和地质条件复杂,采用PHC组合支护结构加内支撑系统为支护方案,单道支撑,支撑处位于基坑深2.5 m处即距桩顶端1 m,安全等级为二级,重要性系数为1.0。另外,考虑到施工堆载与周边道路行车荷载,用20 kPa的基坑周边均布荷载进行简化等效替代。

3.2.1 等效截面计算

初选钢管选用外直径为426 mm、厚度为10 mm的钢管,截面惯性矩为23 298 cm4,截面模量为1 164.9 cm3,Hat型钢板桩宽度700 mm、高度240 mm、厚度7.5 mm、截面惯性矩11 673 cm4/m、截面模量960 cm3/m。一根Hat型钢板桩的横截面积A=127.7×0.7=89.4 cm2,截面惯性矩IH0=11 673×0.7=8 171 cm4,截面模量WH0=960×0.7=672 cm3,在组合钢板桩结构中以理想钢板桩墙工作状态,根据平行移轴原理,IH=IH0+Ad2=8 171+89.4×122=21 044 cm4,截面模量WH=IH/0.5h=877 cm3。每延米参数计算结果见表2。

表2 每延米参数计算结果Tab.2 The result of the parameter calculation

3.2.2 支护结构内力计算与组合桩选型设计

根据组合钢板桩等效截面参数计算结果以及工程地质参数,采用理正深基坑支护结构设计软件中弹性支点法计算组合钢板桩结构内力如图3所示。

图3 深基坑计算示意图(单位：m)Fig.3 Schematic diagram of deep foundation pit calculation

桩体的最大弯矩Mmax=120.5 kN·m,组合钢板桩结构的弯矩设计值M=1.25Mmax=150.6 kN·m,对所选桩型进行强度验算。

由于弯矩设计值为M=150.6 kN·m,一个钢管+Hat型钢板桩组成的单元总长度为1.126 m,则一个组合桩单元承受的弯矩M0=1.126M=170.1 kN·m。

①对钢管进行强度验算。

依按刚度分配弯矩的原则,钢管承受弯矩

(19)

(20)

钢管强度满足要求。

②对Hat型钢板桩进行强度验算。

依按刚度分配弯矩的原则,钢板桩承受弯矩

(21)

(22)

Hat型钢板桩强度满足要求。

基坑内支撑方案如图4所示。

图4 内支撑示意图(单位：m)Fig.4 Schematic diagram of internal support

3.3 有限元模型建立

土体采用M-C模型,参数见表1。土体弹性模量可由其压缩模量Es求得,采用下式进行计算。

E=(2-5)Es

(23)

PHC组合支护体系中的钢管、Hat型钢板桩、混凝土内支撑均采用弹性材料模拟。钢管直径426 mm、厚度10 mm、长17 m,Hat型钢板桩有效宽度700 mm、高度240 mm、厚度7.5 mm、长17 m,支护结构弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,混凝土内支撑为0.8 m×0.8 m的矩形,采用C30混凝土,其弹性模量为30 GPa,泊松比0.167。

按照基坑的工况条件进行模型建立工作,基坑形状为矩形,开挖范围长50 m、宽30 m,采用PHC组合支护结构加单道混凝土内支撑系统为支护方案,支撑处位于钢板桩顶部以下1 m,开挖深度为6 m,分两次开挖,先开挖3 m后设置内支撑再开挖至6 m。土模型土体部件长150 m、宽90 m、高33.34 m,采用三维八节点六面体的实体单元(C3D8R)进行模拟。基坑土体模型及其网格划分如图5所示。

图5 基坑土体模型及网格划分图Fig.5 Soil modeling and meshing of foundation pits

钢管与Hat钢板桩通过锁口相连,锁扣间建立摩擦,法向为硬接触,切向为罚函数,设置摩擦系数。若其使用实体单元(C3D8R)建模进行单元网格划分,因模型长宽比过大且厚度较薄,相互接触的土体单元的网格划分过密,网格数极多,模拟过程计算工作量大,有可能不收敛。因此钢管与Hat型钢板桩用壳单元(S4R)模拟。内支撑体系与立柱桩在长度方向上的尺寸远大于横截面尺寸,且不是模拟分析的重点,采用梁单元模拟。支护结构与围檩内支撑相互绑定,支护体系模型及网格划分如图6所示。

6-a 钢管与Hat型钢板桩网格划分图 6-b 支护结构模型及网格划分图图6 支护体系模型及网格划分图Fig.6 Support system model and meshing

3.3.1 施工工况设置及模拟

用实际施工步骤对有限元模型进行模拟计算,这样分析计算更能真实地反映土体和支护结构在施工过程中的内力和变形。其施工工况模拟如下：(1)建立预应力场,进行地应力平衡,消除重力引起的沉降变形;(2)激活PHC组合支护结构,模拟支护结构嵌入土体;(3)通过生死单元法“杀死”土体来模拟开挖至地下3 m;(4)激活深2.5 m处混凝土内支撑与立柱;(5)开挖内支撑以下土体至6 m深。

3.3.2 模型荷载与边界条件

对土体与支护体系施加重力荷载,在土体顶面施加20 kPa堆载,因为基坑开挖前进行1.5 m的放坡,将放坡土体等效成均布荷载27 kPa施加在土体顶面,组合钢板桩嵌入土体,在1 m深处与内支撑绑定,限制土体模型底部z方向的位移,并限制基坑四周土体的水平位移。模型的荷载设置与边界条件如图7所示。

图7 模型的荷载设置与边界条件图Fig.7 Load settings and boundary conditions for the model

3.3.3 模型验证

李雪峰[10]同样以该工程项目为依托进行了钢管与钢板桩组合支护结构的研究,本文为验证上述ABAQUS建模过程正确性与合理性,采用与其基本相同的建模方法以及各种荷载边界条件,并将计算结果进行分析比对。本文的模拟值与对比值的对比曲线如图8所示,通过比较开挖完成后桩身水平位移曲线以及基坑周围地表沉降曲线,桩体水平位移趋势基本一致,桩顶水平位移较大,桩底水平位移较小,桩顶部水平位移最大值分别为5.66 mm和4.95 mm,存在14 %左右的偏差。在地表沉降方面,沉降趋势整体一致,最大沉降位置基本位于距基坑边4～5 m处,最大沉降值分别为1.68 mm和2 mm,存在约15%的偏差。

8-a 桩体水平位移对比图 8-b 基坑地表沉降对比图图8 模型验证对比曲线图Fig.8 Model validation comparison

由此可见,本文所述的建模方法正确合理,可以对钢管+Hat型钢板桩进行有限元模拟并得到符合实际情况的模拟结果。

4 施工工艺技术

4.1 施工流程

参考传统钢板桩施工工艺以及其他组合钢板桩的施工流程,总结凝练出新型组合钢板桩支护形式的施工流程分别为地基勘察、平整场地、打设钢板桩、土体开挖、设置围檩内支撑。

4.2 锁扣止水措施

钢板桩锁扣连接形式可以阻挡地下水进入基坑内,通过锁扣之间的紧密贴合,延长地下水的渗透路径,从而起到了一定的止水作用[11]。实际工程中基坑的渗水问题主要出现在锁扣连接处,减少锁扣数量,提高锁扣连接紧密度是提高止水性能的关键措施。因此,可以选择使用更宽的Hat型钢板桩,减少桩使用的根数,从而减少了锁扣的连接,或将锁扣缝隙焊接,从根本上减少渗漏的发生。

4.3 施工注意事项与质量控制

(1)打桩方式。振动打桩法是高效且成本较低的打桩方法,在松散砂土或无粘性土中施工可以发挥出优良的打桩效果[12],但在城市中心居住区,需控制打桩产生一定的振动和噪声。

(2)导向架的使用。在陆上进行沉桩作业时,在平行于PHC组合钢板桩定位轴线两侧打入导桩,导桩上附导梁使桩体被紧夹在导向架之间,提高打桩的精度。

(3)桩体沉桩过程控制。在PHC组合钢板桩的施工过程中,要根据导向架的位置来控制桩身的垂直度。由于钢管刚度较大,打桩时不易扭转变形,垂直度与精度好控制,可以先进行钢管的打设,再对中间进行Hat型钢板桩的打设。

(4)提高支护刚度。适当提高钢管的直径与厚度,选择有效高度较高、厚度更厚的Hat型钢板桩,或者使用较小宽度的Hat钢板桩来增加钢管的使用数量来提高组合钢板桩的支护刚度,能减小土体开挖对周围环境的影响,避免工程事故的发生[13]。

5 结论

本文主要采用理论计算和工程类比方法,总结了钢管+Hat型钢板桩的刚度计算、等效截面计算和桩体选型方法,并凝练出组合支护结构施工工艺和注意事项,主要结论如下：(1)利用平行移轴公式对PHC钢板桩墙的刚度和截面模量进行初步简化分析,由传统钢板桩的刚度计算方法得出钢管+Hat型钢板桩的抗弯刚度计算方法以及整体等效刚度;(2)通过对组合钢板桩支护结构进行土压力计算和内力计算,再根据材料强度验算对钢管和Hat型钢板桩进行构件选型,选择合适的尺寸和截面模量。以安徽马鞍山某基坑工程为算例,总结出了针对于PHC组合支护结构的等效截面计算方法与桩体选型方法。同时,本文采用与国内其他学者基本相同的建模方法以及各种荷载边界条件,并将计算结果进行分析比对,得出桩顶水平位移与地表最大沉降值的偏差在15%左右,表明设计合理;(3)提炼出了PHC组合钢板桩支护结构的施工流程,总结出了减少锁扣数量、使用密封剂等提高止水性能的方法。同时,在打桩方式的选择、导向架的使用、桩体沉桩过程控制、提高支护刚度等方面提出了施工质量控制措施。

由于本文主要基于一根钢管与一根Hat型钢板桩组合使用的情况,后续还可以进一步考虑对其他组合形式的钢管+Hat型钢板桩进行研究。