H+Hat 組合型鋼板樁應用于基坑工程的適用性研究

                 桂樹強1 趙海豐1 李順強2

             （1、長江勘測規劃設計研究有限責任公司；2、湖北毅力機械有限公司）

摘要：以某城市建筑基坑工程為例，采用極限平衡法和數值模擬對 H+Hat 組合型鋼板樁在基境工程中的應用進行了計算和分析，之后，從技術經濟性、施工速度、施工復雜程度、造用范圍以及環境影響等方面與樁撐支護方案進行對比研究；對組合型鋼板樁靜壓打樁設備進行了研發。研究表明 H+Hat 組合型鋼板性作為基坑結構應用于城市基坑工程是安全、可行的，可供基坑支護方案比選時參考借鑒。

關鍵詞：基坑 H+Hat組合型鋼板樁 樁撐支護

2.3.2 支護結構設計計算

(1)極限平衡法

①計算方法

a.計算作用于墻體上的土壓力強度,并繪出土壓力分布圖。計算土壓力強度時,對墻體前后的被動土壓力乘以修正系數尺和K和 K’。t0 深度以下的土壓力可暫不繪出。

b.計算反彎點位置,利用板樁墻上土壓力強度等于零的點作為反彎點位置，計算其離挖土面的距離y。在y處墻前主動土壓力強度等于被動土壓力強度,即:

其中K為經驗系數,取 1.1~1.2。

②內力計算

選取基坑工程最危險斷面，分層計算在不同開挖深度鋼板樁上的土壓力分布和最大彎矩值。開挖至第一、第二、第三道支撐并設置好支撐結構時鋼板樁上的土壓力分布和鋼板樁應力計算結果見表 1:

挖深 主動土壓力 反彎點位置 最大彎矩 鋼板樁應力

(m)    ea(KN/㎡)     y(m)        Mmax.(KN*m) o(MPa)

2.1     25.18       0.802     5.02       0.46<[185]

8.0     95.922     3.057     183.53    17.08<[185]

14.1    169.06     5.388     639.87    59.55<[185]

表1鋼板樁土壓力及應力計算結果

由計算結果知:鋼板樁應力滿足設計要求。

③變形計算

將鋼板樁維護結構簡化為一懸臂梁,右側受土壓力作用,最小土壓力為 0,最大土壓力 390KN/㎡,左側受三個集中力作用和基坑底部以下的土壓力作用,集中力大小分別為 177kN，324kN 和 234kN,作用點分別位于距離頂點 0.6m、6.6m 和10.6m。左側最小土壓力為0,最大士壓力為 122KN/m²。位移計算采用撓度疊加法,即分別對每個力計算其產生的位移,然后進行位移疊加,計算出最終的位移。鋼板樁最大位移計算結果為 30.1m<[40] mm,滿足設計要求。

由表1及變形計算結果發現,為使組合型鋼板樁變形滿足設計要求,其剛度將產生較大的富裕,說明組合型鋼板樁在滿足內力的情況下,需要為滿足基坑變形要求而增加額外的剛度。

(2) 數值計算

①計算模型

采用 plaxis 有限元軟件對基坑支護結構進行數值分析,數值計算采用二維有限元計算模型,根據基坑巖土體力學性質,采用彈塑性的非線性有限元法,本構關系采用“Hardening Soil Small Model”模型,計算模型見圖3.根據基坑的開挖及支護順序,共分為6個荷載步進行計算,每荷載步工況如下:

荷載步一:開挖基坑至 2.8m;

荷載步二:開挖基坑至 87m,設置第一道支撐;

荷載步三:開挖基坑至 127m,設置第一、二道支撐;

荷載步四:替換第三道支撐;

荷載步五:替換第二道支撐;

荷載步六:替換第一道支撐。

②內力及變形計算結果

各荷載步鋼板樁內力及變形計算結果見表 2;

表2各荷載步內力及變形計算結果 

荷載 最大剪力 最大彎矩 鋼板樁應力 最大水平位移

步        (kN)      (kN·m)   (MPa)       (mm)

一       14.97       47.02       4.38      2.19

二       158.56       270.36       25.16      7.53

三       297.18       509.57       47.42      17.06

四       440.16       845.5       78.69  23.45

五       319.84       852.3       79.32      29.49

六       315.19       450.4    41.92      12.86

由上述計算結果可知，計算模型在荷載步五工況下支護結構的內力和變形值達到最大，最大彎矩為852.3KN·m，鋼板樁應力為 79.32MPa<[185]MPa,最大水平位移為 29.49mm<[40]mm,荷載步五工況下支護結構變形圖、彎矩圖和位移圖見圖 4、圖 5。

數值計算結果與極限平衡法計算結果顯示，組合型鋼板樁能夠較好的抵抗基坑土壓力，支護結構內力和變形均滿足設計要求,將其應用于基坑工程是安全、可行的。