H+Hat 组合型钢板桩应用于基坑工程的适用性研究（四）
H+Hat 组合型钢板桩应用于基坑工程的适用性研究
桂树强1 赵海丰1 李顺强2
（1、长江勘测规划设计研究有限责任公司；2、湖北毅力机械有限公司）
摘要：以某城市建筑基坑工程为例，采用极限平衡法和数值模拟对 H+Hat 组合型钢板桩在基境工程中的应用进行了计算和分析，之后，从技术经济性、施工速度、施工复杂程度、造用范围以及环境影响等方面与桩撑支护方案进行对比研究；对组合型钢板桩静压打桩设备进行了研发。研究表明 H+Hat 组合型钢板性作为基坑结构应用于城市基坑工程是安全、可行的，可供基坑支护方案比选时参考借鉴。
2.3.2 支护结构设计计算
(1)极限平衡法
①计算方法
a.计算作用于墙体上的土压力强度,并绘出土压力分布图。计算土压力强度时,对墙体前后的被动土压力乘以修正系数尺和K和 K’。t0 深度以下的土压力可暂不绘出。
b.计算反弯点位置,利用板桩墙上土压力强度等于零的点作为反弯点位置，计算其离挖土面的距离y。在y处墙前主动土压力强度等于被动土压力强度,即:
其中K为经验系数,取 1.1~1.2。
②内力计算
选取基坑工程最危险断面，分层计算在不同开挖深度钢板桩上的土压力分布和最大弯矩值。开挖至第一、第二、第三道支撑并设置好支撑结构时钢板桩上的土压力分布和钢板桩应力计算结果见表 1:
挖深 主动土压力 反弯点位置 最大弯矩 钢板桩应力
(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钢板桩土压力及应力计算结果
由计算结果知:钢板桩应力满足设计要求。
③变形计算
将钢板桩维护结构简化为一悬臂梁,右侧受土压力作用,最小土压力为 0,最大土压力 390KN/㎡,左侧受三个集中力作用和基坑底部以下的土压力作用,集中力大小分别为 177kN，324kN 和 234kN,作用点分别位于距离顶点 0.6m、6.6m 和10.6m。左侧最小土压力为0,最大士压力为 122KN/m²。位移计算采用挠度叠加法,即分别对每个力计算其产生的位移,然后进行位移叠加,计算出最终的位移。钢板桩最大位移计算结果为 30.1m<[40] mm,满足设计要求。
由表1及变形计算结果发现,为使组合型钢板桩变形满足设计要求,其刚度将产生较大的富裕,说明组合型钢板桩在满足内力的情况下,需要为满足基坑变形要求而增加额外的刚度。
(2) 数值计算
①计算模型
采用 plaxis 有限元软件对基坑支护结构进行数值分析,数值计算采用二维有限元计算模型,根据基坑岩土体力学性质,采用弹塑性的非线性有限元法,本构关系采用“Hardening Soil Small Model”模型,计算模型见图3.根据基坑的开挖及支护顺序,共分为6个荷载步进行计算,每荷载步工况如下:
荷载步一:开挖基坑至 2.8m;
荷载步二:开挖基坑至 87m,设置第一道支撑;
荷载步三:开挖基坑至 127m,设置第一、二道支撑;
荷载步四:替换第三道支撑;
荷载步五:替换第二道支撑;
荷载步六:替换第一道支撑。
②内力及变形计算结果
各荷载步钢板桩内力及变形计算结果见表 2;
表2各荷载步内力及变形计算结果
荷载 最大剪力 最大弯矩 钢板桩应力 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
由上述计算结果可知，计算模型在荷载步五工况下支护结构的内力和变形值达到最大，最大弯矩为852.3KN·m，钢板桩应力为 79.32MPa<[185]MPa,最大水平位移为 29.49mm<[40]mm,荷载步五工况下支护结构变形图、弯矩图和位移图见图 4、图 5。
数值计算结果与极限平衡法计算结果显示，组合型钢板桩能够较好的抵抗基坑土压力，支护结构内力和变形均满足设计要求,将其应用于基坑工程是安全、可行的。
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