H+Hat 組合型鋼板樁應(yīng)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(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)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(shù)值模擬對 H+Hat 組合型鋼板樁在基境工程中的應(yīng)用進(jìn)行了計算和分析，之后，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、施工速度、施工復(fù)雜程度、造用范圍以及環(huán)境影響等方面與樁撐支護(hù)方案進(jìn)行對比研究；對組合型鋼板樁靜壓打樁設(shè)備進(jìn)行了研發(fā)。研究表明 H+Hat 組合型鋼板性作為基坑結(jié)構(gòu)應(yīng)用于城市基坑工程是安全、可行的，可供基坑支護(hù)方案比選時參考借鑒。

關(guān)鍵詞：基坑 H+Hat組合型鋼板樁 樁撐支護(hù)

2.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)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(jīng)驗系數(shù),取 1.1~1.2。

②內(nèi)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(shè)置好支撐結(jié)構(gòu)時鋼板樁上的土壓力分布和鋼板樁應(yīng)力計算結(jié)果見表 1:

挖深 主動土壓力 反彎點位置 最大彎矩 鋼板樁應(yīng)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(yīng)力計算結(jié)果

由計算結(jié)果知:鋼板樁應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

③變形計算

將鋼板樁維護(hù)結(jié)構(gòu)簡化為一懸臂梁,右側(cè)受土壓力作用,最小土壓力為 0,最大土壓力 390KN/㎡,左側(cè)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(cè)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(chǎn)生的位移,然后進(jìn)行位移疊加,計算出最終的位移。鋼板樁最大位移計算結(jié)果為 30.1m<[40] mm,滿足設(shè)計要求。

由表1及變形計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),為使組合型鋼板樁變形滿足設(shè)計要求,其剛度將產(chǎn)生較大的富裕,說明組合型鋼板樁在滿足內(nèi)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(shù)值計算

①計算模型

采用 plaxis 有限元軟件對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析,數(shù)值計算采用二維有限元計算模型,根據(jù)基坑巖土體力學(xué)性質(zhì),采用彈塑性的非線性有限元法,本構(gòu)關(guān)系采用“Hardening Soil Small Model”模型,計算模型見圖3.根據(jù)基坑的開挖及支護(hù)順序,共分為6個荷載步進(jìn)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(shè)置第一道支撐;

荷載步三:開挖基坑至 127m,設(shè)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(nèi)力及變形計算結(jié)果

各荷載步鋼板樁內(nèi)力及變形計算結(jié)果見表 2;

表2各荷載步內(nèi)力及變形計算結(jié)果 

荷載 最大剪力 最大彎矩 鋼板樁應(yīng)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(jié)果可知，計算模型在荷載步五工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形值達(dá)到最大，最大彎矩為852.3KN·m，鋼板樁應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)變形圖、彎矩圖和位移圖見圖 4、圖 5。

數(shù)值計算結(jié)果與極限平衡法計算結(jié)果顯示，組合型鋼板樁能夠較好的抵抗基坑土壓力，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形均滿足設(shè)計要求,將其應(yīng)用于基坑工程是安全、可行的。