鋼管+Hat鋼板樁新型組合支護結構研究

杜 冰,方浩宇,靖守臣,3,張 箭,豐土根*

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,西安710075;2.河海大學 巖土工程科學研究所,南京 210098;3.江蘇筑森建筑設計有限公司徐州分公司,徐州 221006)

基坑作為當今建筑工程尤其是地下空間工程不可缺少的一部分,發揮著越來越重要的作用,為地下工程施工開挖創造了條件。隨著各類高效環保的新型施工技術與材料的推廣使用,拉森鋼板樁憑借其施工速度快、防水性能好、施工費用低、環境適應性強等優點[1],廣泛應用于基坑支護、圍堰工程[2]、地下管線遷改[3]、航道放沖加固等方面,其特點十分契合現代社會發展的理念和趨勢[4]。相較而言,傳統U型鋼板樁因為其截面模量較小,進行支護時抗彎剛度不足引起基坑變形過大,降低施工質量,影響工程安全。

為了解決傳統拉森鋼板樁支護剛度不足的問題,通常采用組合鋼板樁增加截面剛度并提高基坑可挖深度,因此誕生了各種由不同樁型搭配組成的新型組合鋼板樁支護形式。孫發明等[5]為拓寬鋼板樁應用范圍,創新性地提出一種由4塊Z型鋼板樁和1塊條形板焊接成的箱體式鋼板樁結構,此箱體式截面組合結構制造方便,截面模量大,承載能力強,打樁不易彎曲扭轉,可用于各地質條件的工程,極大地解決了鋼板樁剛度不足帶來的工程應用問題。李仁民[6]提出了一種H型鋼+鋼板樁的組合支護結構,鋼板樁后方設有扣件固定H型鋼,提高了組合樁的截面模量,改善鋼板樁的抗彎性能,降低了打樁難度,提高了組合樁的垂直度和整體協調性,既利用了鋼板樁止水效果好、成本低、施工方便的優勢,又發揮了H型鋼截面模量高、抗彎性能好的特點,兩者結合在一起共同發揮作用,提高支護效果。

目前,鋼管+U型鋼板樁以及鋼管+Z型鋼板樁的組合支護結構已開始逐漸應用于實際工程中,但鋼管+Hat型鋼板樁的組合結構形式還沒有實際工程應用或報道。本文提出一種將鋼管與帽型鋼板樁沿支護方向交叉排列使用的一種新型組合形式,鋼管與Hat型鋼板樁通過鎖口聯結,兼具管樁剛度大、鋼板樁成本低的優勢,其結構形式如圖1所示。

圖1 鋼管+Hat型鋼板樁組合示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel tube and HAT composite steel sheet pile

與傳統單純鋼板樁相比,鋼管+Hat組合鋼板樁具有更大的剛度來控制基坑變形沉降,減少基坑開挖對周邊建筑物的影響。與純鋼管支護相比,由于Hat型鋼板樁的交叉使用,可以有效降低鋼材用量,節約材料降低成本,提高了支護結構剛度,同時止水擋土效果良好?？紤]到目前對于此類組合支護結構形式研究較少,且鮮有實際工程應用的案例,本文以PHC組合鋼板樁支護結構為研究對象,對該新型組合支護結構的剛度計算、等效截面計算、樁體選型方法等關鍵問題進行研究,并以安徽馬鞍山某基坑工程為工程案例,對PHC鋼板樁進行樁型選擇以及強度驗算。最后,總結出新型組合支護結構施工工藝和注意事項。

1 PHC組合鋼板樁支護結構剛度計算方法

對于鋼板樁尤其是此PHC組合結構剛度的變化,相關理論研究與試驗較少,本節將針對PHC組合鋼板樁的剛度問題,利用平行移軸公式對PHC鋼板樁墻的剛度和截面模量進行初步簡化分析,由傳統鋼板樁的剛度計算方法得出鋼管+Hat型鋼板樁的抗彎剛度計算方法以及整體等效剛度。

組合鋼板樁支護結構的受力工作狀態分為兩種極端情況,一種鎖口間無剪力傳遞的單樁獨立承載工作狀態和一種鎖口間完全剪力傳遞的理想鋼板樁墻工作狀態。其截面彎曲的中性軸分別位于單根樁橫截面形心處和鎖口中心處,而實際的工作狀態處于這兩種情況之間,即鎖口處有剪應力并有相對滑移,實際工作狀態的剛度小于理想工作狀態的剛度。因此本節對兩種工作狀態的組合鋼板樁剛度分別進行分析[7]。

1.1 無剪力傳遞的單樁承載狀態

單獨承載工作時,中性軸為各單根樁形心處,分別對鋼管和Hat型鋼板樁進行計算。此時,采用材料力學中的彎曲剛度計算公式來計算鋼管和Hat型鋼板樁的剛度。

1.1.1 鋼管剛度計算

鋼管的橫截面形狀是對稱的,因此中性軸可近似看作位于鋼管橫截面形心處,采用式(1)～式(3)計算鋼管的抗彎剛度。

(1)

d=D-t

(2)

Kg=EgIg

(3)

式中：Ig為鋼管對形心軸的截面慣性矩;D為鋼管外直徑;t為鋼管壁厚;d為鋼管內直徑;Kg為鋼管的抗彎剛度;Eg為鋼管的彈性模量。

1.1.2 Hat型鋼板樁的剛度計算

Hat型鋼板樁的橫截面中性軸位于截面中心且平行于主板,其截面屬性可根據GB/T29654—2013《冷彎鋼板樁》查得,一根Hat型鋼板樁的截面慣性矩可由每延米慣性矩乘以單根樁體的寬度計算。此時,采用式(4)～式(5)計算其抗彎剛度。

KH0=EHIH0

(4)

IH0=IxBH

(5)

式中：IH0為Hat型鋼板樁對形心軸的慣性矩;Ix為Hat型鋼板樁每延米慣性矩;BH為Hat型鋼板樁的有效寬度。

1.2 完全剪力傳遞的理想鋼板樁墻狀態

隨著受力的不斷持續,鋼板樁的變形也在逐漸增大,鎖口間咬合得更加緊密,鎖口開始傳遞剪應力,并且產生相互摩擦力使得鋼管和Hat型鋼板樁協同工作。此時,按中性軸位于鎖扣中心計算截面慣性矩與剛度,利用材料力學中平行移軸定理計算Hat型鋼板樁的剛度。

1.2.1 鋼管樁剛度計算

鋼板樁墻橫截面的中性軸位于鎖口中心連線上,與原中性軸的位置變化可以忽略,因此鋼板樁的剛度可認為不變,由材料力學中圓管的慣性矩公式可以計算出鋼管的剛度,即采用式(6)進行計算。

K0=EI0

(6)

式中：K0為鋼板樁的抗彎剛度;E為材料的彈性模量;I0為橫截面對中性軸的慣性矩。

1.2.2 Hat型鋼板樁剛度計算

由平行移軸公式計算帽型鋼板樁橫截面對位于鎖口中心處的中性軸的截面慣性矩,單根樁體橫截面積可由每延米橫截面積乘以有效寬度計算,然后乘以彈性模量得到其抗彎剛度,即采用式(7)～式(8)進行計算。

KH=EHIH

(7)

(8)

式中：KH為Hat型鋼板樁對鎖扣中心所在直線的剛度;IH為Hat型鋼板樁對鎖扣中心處中性軸直的慣性矩;A0為每延米橫截面積;H為截面有效高度。

1.2.3 一個單元的組合型鋼板樁剛度計算

一個組合鋼板樁單元由一根鋼管和一根Hat型鋼板樁組成,在忽略鎖扣寬度的條件下,一個PHC組合結構單元的剛度由鋼管和鋼板樁的剛度疊加而成,如式(9)所示。

K=Kg+KH

(9)

2 PHC組合鋼板樁樁體選型

對于新型的組合鋼板樁基坑支護結構的內力計算方法還沒有統一明確的規范,因此,本文參考已有的普通鋼板樁支護結構設計流程及相關規范,進行PHC支護結構關鍵問題分析,整理出一套適用此鋼管+Hat型鋼板樁組合支護結構的樁體選型方法,包括土壓力計算、內力計算、樁體尺寸參數選擇方法,供實際工程借鑒使用。

2.1 PHC支護結構土壓力計算

土壓力的大小和分布形式與諸多因素有關,如土體的力學特性、支護結構的形式、支撐的剛度、水文地質條件、施工方法等[8]。本文采用計算簡便適用范圍廣的傳統極限狀態土壓力計算方法。

2.2 PHC支護結構內力計算

靜力平衡法和等值梁法均為古典計算法,均是將鋼板樁看作理想剛體,忽略樁體的變形,因古典法無法計算樁體的變形量,對于鋼板樁這種柔性支護結構,剛度不足的問題尤為突出,設計計算時被當作理想剛體會使計算結果產生很大誤差。根據JGJ120—2012《建筑基坑支護技術規程》,對于支撐式支擋結構,宜用平面桿系彈性支點法計算擋土支護結構的內力與變形以及支點力值[9],計算簡圖如圖2所示。

圖2 平面彈性地基梁法計算簡圖Fig.2 Calculation diagram of plane elastic subgrade beam method

根據土層分布不同,即m值大小不同,綜合考慮挖深、內支撐條件等因素,利用式(10)～式(11)撓曲線微分方程進行計算。其中使用的計算剛度為式(9)計算的等效剛度。

(10)

(11)

式中：EI為支護結構單位計算寬度的剛度;y為支護結構的側向位移;z為計算點處深度;ea為深度z處的主動土壓力;m為土的水平反力系數的比例系數;b0為抗力計算寬度;hn為第n步開挖深度。

2.3 PHC支護結構樁體參數選擇

由組合鋼板樁支護結構內力計算的樁體最大彎矩Mmax,根據材料強度驗算對鋼管和Hat型鋼板樁進行構件選型,選擇合適的尺寸和截面模量。

2.3.1 鋼管、Hat型鋼板樁的彎矩設計值Mg、MH計算

首先計算PHC組合結構最大彎矩設計值M,根據計算的樁體最大彎矩Mmax,分別乘以基坑重要性系數γ0和作用基本組合的綜合分項系數γF,得到彎矩設計值M,如式(12)所示。

M=γ0γFMmax

(12)

式中：Mmax為計算求得的最大彎矩值;γ0為基坑重要性系數;γF為按承載能力極限狀態荷載基本組合的綜合分項系數,取值應不小于1.25。

然后將計算的最大彎矩設計值M進行修正,因為上文計算的樁體最大彎矩Mmax是每米樁墻寬度的最大彎矩值,而按照彎矩按剛度分配的原則,要計算一個PHC組合鋼板樁結構單元的寬度上的彎矩值,因此要對最大彎矩設計值M進行調整。

一個PHC組合鋼板樁結構單元由一根鋼管和一根Hat型鋼板樁組成,BH為Hat型鋼板樁的有效寬度,m;Bg為鋼管的有效寬度,m,即為鋼管的外徑;M0為調整后的最大彎矩設計值,采用式(13)進行計算。

M0=(BH+Bg)M

(13)

根據組合鋼板樁承受的荷載按剛度分配的原則,分別計算鋼管和Hat型鋼板樁的最大彎矩設計值Mg與MH。鋼管的截面慣性矩Ig和Hat型鋼板樁的截面慣性矩IH可根據材料力學截面慣性矩計算公式以及鋼管、鋼板樁型號規格表計算。

鋼管樁承擔的彎矩Mg采用式(14)進行計算。

(14)

Hat型鋼板樁承擔的彎矩MH采用式(15)進行計算。

(15)

2.3.2 尺寸參數的確定與強度驗算

(16)

式中：σ為計算正應力;M為彎矩設計值;W為截面模量;[σ]為材料的強度設計值。

對于鋼管

(17)

對于Hat型鋼板樁

(18)

綜合上式對鋼管截面慣性矩即外徑D和厚度t、Hat型鋼板樁截面模量即有效寬度BH和有效高度hH進行選擇,因涉及參數較多,可通過試算,預估鋼管或Hat型鋼板樁的截面尺寸規格,然后進行強度校核,簡化計算。

3 工程算例分析

3.1 工程概括

以安徽馬鞍山某基坑工程項目為依托,采用理正深基坑設計軟件對PHC組合鋼板樁支護結構等效截面進行單元計算,依照前章所述的結構設計計算方法對樁進行選型與強度驗算?；娱_挖范圍長50 m、寬30 m,開挖深度為6 m?；又車翆佑缮现料驴煞譃椋弘s填土層、素填土層、粉砂/粉土層,根據開挖面位置進行土層分層及簡化,各土層的基本參數信息如表1所示。

表1 簡化后土層基本參數Tab.1 Basic parameters of simplified soil layer

考慮基坑的開挖面積較大,周圍建筑物和地質條件復雜,采用PHC組合支護結構加內單道內支撐為支護方案,支撐處位于鋼板樁頂部以下1 m。

3.2 鋼管+Hat組合鋼板樁選型設計

考慮基坑的開挖面積較大,周圍建筑物和地質條件復雜,采用PHC組合支護結構加內支撐系統為支護方案,單道支撐,支撐處位于基坑深2.5 m處即距樁頂端1 m,安全等級為二級,重要性系數為1.0。另外,考慮到施工堆載與周邊道路行車荷載,用20 kPa的基坑周邊均布荷載進行簡化等效替代。

3.2.1 等效截面計算

初選鋼管選用外直徑為426 mm、厚度為10 mm的鋼管,截面慣性矩為23 298 cm4,截面模量為1 164.9 cm3,Hat型鋼板樁寬度700 mm、高度240 mm、厚度7.5 mm、截面慣性矩11 673 cm4/m、截面模量960 cm3/m。一根Hat型鋼板樁的橫截面積A=127.7×0.7=89.4 cm2,截面慣性矩IH0=11 673×0.7=8 171 cm4,截面模量WH0=960×0.7=672 cm3,在組合鋼板樁結構中以理想鋼板樁墻工作狀態,根據平行移軸原理,IH=IH0+Ad2=8 171+89.4×122=21 044 cm4,截面模量WH=IH/0.5h=877 cm3。每延米參數計算結果見表2。

表2 每延米參數計算結果Tab.2 The result of the parameter calculation

3.2.2 支護結構內力計算與組合樁選型設計

根據組合鋼板樁等效截面參數計算結果以及工程地質參數,采用理正深基坑支護結構設計軟件中彈性支點法計算組合鋼板樁結構內力如圖3所示。

圖3 深基坑計算示意圖(單位：m)Fig.3 Schematic diagram of deep foundation pit calculation

樁體的最大彎矩Mmax=120.5 kN·m,組合鋼板樁結構的彎矩設計值M=1.25Mmax=150.6 kN·m,對所選樁型進行強度驗算。

由于彎矩設計值為M=150.6 kN·m,一個鋼管+Hat型鋼板樁組成的單元總長度為1.126 m,則一個組合樁單元承受的彎矩M0=1.126M=170.1 kN·m。

①對鋼管進行強度驗算。

依按剛度分配彎矩的原則,鋼管承受彎矩

(19)

(20)

鋼管強度滿足要求。

②對Hat型鋼板樁進行強度驗算。

依按剛度分配彎矩的原則,鋼板樁承受彎矩

(21)

(22)

Hat型鋼板樁強度滿足要求。

基坑內支撐方案如圖4所示。

圖4 內支撐示意圖(單位：m)Fig.4 Schematic diagram of internal support

3.3 有限元模型建立

土體采用M-C模型,參數見表1。土體彈性模量可由其壓縮模量Es求得,采用下式進行計算。

E=(2-5)Es

(23)

PHC組合支護體系中的鋼管、Hat型鋼板樁、混凝土內支撐均采用彈性材料模擬。鋼管直徑426 mm、厚度10 mm、長17 m,Hat型鋼板樁有效寬度700 mm、高度240 mm、厚度7.5 mm、長17 m,支護結構彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,混凝土內支撐為0.8 m×0.8 m的矩形,采用C30混凝土,其彈性模量為30 GPa,泊松比0.167。

按照基坑的工況條件進行模型建立工作,基坑形狀為矩形,開挖范圍長50 m、寬30 m,采用PHC組合支護結構加單道混凝土內支撐系統為支護方案,支撐處位于鋼板樁頂部以下1 m,開挖深度為6 m,分兩次開挖,先開挖3 m后設置內支撐再開挖至6 m。土模型土體部件長150 m、寬90 m、高33.34 m,采用三維八節點六面體的實體單元(C3D8R)進行模擬?；油馏w模型及其網格劃分如圖5所示。

圖5 基坑土體模型及網格劃分圖Fig.5 Soil modeling and meshing of foundation pits

鋼管與Hat鋼板樁通過鎖口相連,鎖扣間建立摩擦,法向為硬接觸,切向為罰函數,設置摩擦系數。若其使用實體單元(C3D8R)建模進行單元網格劃分,因模型長寬比過大且厚度較薄,相互接觸的土體單元的網格劃分過密,網格數極多,模擬過程計算工作量大,有可能不收斂。因此鋼管與Hat型鋼板樁用殼單元(S4R)模擬。內支撐體系與立柱樁在長度方向上的尺寸遠大于橫截面尺寸,且不是模擬分析的重點,采用梁單元模擬。支護結構與圍檁內支撐相互綁定,支護體系模型及網格劃分如圖6所示。

6-a 鋼管與Hat型鋼板樁網格劃分圖 6-b 支護結構模型及網格劃分圖圖6 支護體系模型及網格劃分圖Fig.6 Support system model and meshing

3.3.1 施工工況設置及模擬

用實際施工步驟對有限元模型進行模擬計算,這樣分析計算更能真實地反映土體和支護結構在施工過程中的內力和變形。其施工工況模擬如下：(1)建立預應力場,進行地應力平衡,消除重力引起的沉降變形;(2)激活PHC組合支護結構,模擬支護結構嵌入土體;(3)通過生死單元法“殺死”土體來模擬開挖至地下3 m;(4)激活深2.5 m處混凝土內支撐與立柱;(5)開挖內支撐以下土體至6 m深。

3.3.2 模型荷載與邊界條件

對土體與支護體系施加重力荷載,在土體頂面施加20 kPa堆載,因為基坑開挖前進行1.5 m的放坡,將放坡土體等效成均布荷載27 kPa施加在土體頂面,組合鋼板樁嵌入土體,在1 m深處與內支撐綁定,限制土體模型底部z方向的位移,并限制基坑四周土體的水平位移。模型的荷載設置與邊界條件如圖7所示。

圖7 模型的荷載設置與邊界條件圖Fig.7 Load settings and boundary conditions for the model

3.3.3 模型驗證

李雪峰[10]同樣以該工程項目為依托進行了鋼管與鋼板樁組合支護結構的研究,本文為驗證上述ABAQUS建模過程正確性與合理性,采用與其基本相同的建模方法以及各種荷載邊界條件,并將計算結果進行分析比對。本文的模擬值與對比值的對比曲線如圖8所示,通過比較開挖完成后樁身水平位移曲線以及基坑周圍地表沉降曲線,樁體水平位移趨勢基本一致,樁頂水平位移較大,樁底水平位移較小,樁頂部水平位移最大值分別為5.66 mm和4.95 mm,存在14 %左右的偏差。在地表沉降方面,沉降趨勢整體一致,最大沉降位置基本位于距基坑邊4～5 m處,最大沉降值分別為1.68 mm和2 mm,存在約15%的偏差。

8-a 樁體水平位移對比圖 8-b 基坑地表沉降對比圖圖8 模型驗證對比曲線圖Fig.8 Model validation comparison

由此可見,本文所述的建模方法正確合理,可以對鋼管+Hat型鋼板樁進行有限元模擬并得到符合實際情況的模擬結果。

4 施工工藝技術

4.1 施工流程

參考傳統鋼板樁施工工藝以及其他組合鋼板樁的施工流程,總結凝練出新型組合鋼板樁支護形式的施工流程分別為地基勘察、平整場地、打設鋼板樁、土體開挖、設置圍檁內支撐。

4.2 鎖扣止水措施

鋼板樁鎖扣連接形式可以阻擋地下水進入基坑內,通過鎖扣之間的緊密貼合,延長地下水的滲透路徑,從而起到了一定的止水作用[11]。實際工程中基坑的滲水問題主要出現在鎖扣連接處,減少鎖扣數量,提高鎖扣連接緊密度是提高止水性能的關鍵措施。因此,可以選擇使用更寬的Hat型鋼板樁,減少樁使用的根數,從而減少了鎖扣的連接,或將鎖扣縫隙焊接,從根本上減少滲漏的發生。

4.3 施工注意事項與質量控制

(1)打樁方式。振動打樁法是高效且成本較低的打樁方法,在松散砂土或無粘性土中施工可以發揮出優良的打樁效果[12],但在城市中心居住區,需控制打樁產生一定的振動和噪聲。

(2)導向架的使用。在陸上進行沉樁作業時,在平行于PHC組合鋼板樁定位軸線兩側打入導樁,導樁上附導梁使樁體被緊夾在導向架之間,提高打樁的精度。

(3)樁體沉樁過程控制。在PHC組合鋼板樁的施工過程中,要根據導向架的位置來控制樁身的垂直度。由于鋼管剛度較大,打樁時不易扭轉變形,垂直度與精度好控制,可以先進行鋼管的打設,再對中間進行Hat型鋼板樁的打設。

(4)提高支護剛度。適當提高鋼管的直徑與厚度,選擇有效高度較高、厚度更厚的Hat型鋼板樁,或者使用較小寬度的Hat鋼板樁來增加鋼管的使用數量來提高組合鋼板樁的支護剛度,能減小土體開挖對周圍環境的影響,避免工程事故的發生[13]。

5 結論

本文主要采用理論計算和工程類比方法,總結了鋼管+Hat型鋼板樁的剛度計算、等效截面計算和樁體選型方法,并凝練出組合支護結構施工工藝和注意事項,主要結論如下：(1)利用平行移軸公式對PHC鋼板樁墻的剛度和截面模量進行初步簡化分析,由傳統鋼板樁的剛度計算方法得出鋼管+Hat型鋼板樁的抗彎剛度計算方法以及整體等效剛度;(2)通過對組合鋼板樁支護結構進行土壓力計算和內力計算,再根據材料強度驗算對鋼管和Hat型鋼板樁進行構件選型,選擇合適的尺寸和截面模量。以安徽馬鞍山某基坑工程為算例,總結出了針對于PHC組合支護結構的等效截面計算方法與樁體選型方法。同時,本文采用與國內其他學者基本相同的建模方法以及各種荷載邊界條件,并將計算結果進行分析比對,得出樁頂水平位移與地表最大沉降值的偏差在15%左右,表明設計合理;(3)提煉出了PHC組合鋼板樁支護結構的施工流程,總結出了減少鎖扣數量、使用密封劑等提高止水性能的方法。同時,在打樁方式的選擇、導向架的使用、樁體沉樁過程控制、提高支護剛度等方面提出了施工質量控制措施。

由于本文主要基于一根鋼管與一根Hat型鋼板樁組合使用的情況,后續還可以進一步考慮對其他組合形式的鋼管+Hat型鋼板樁進行研究。