基于有限元的鋼板樁圍堰施工穩(wěn)定性研究

周疆輝,林京京

(浙江省建投交通基礎(chǔ)建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012)

目前，管柱基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)及明挖基礎(chǔ)的施工常采用鋼圍堰.鋼圍堰的分類有單壁、雙壁以及單雙壁組合式.管柱基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)及明挖基礎(chǔ)的圍堰多采用單壁封閉式，鋼板樁以其施工速度快、防水性好、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)在基礎(chǔ)施工中得到廣泛應(yīng)用[1-5].通過應(yīng)用實(shí)踐的積累，國內(nèi)外學(xué)者對鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和穩(wěn)定性分析進(jìn)行了大量研究：張駿[6]采用空間有限元、平面有限元及等值梁法對鋼板樁圍堰的受力情況進(jìn)行了對比分析，并與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行比較，系統(tǒng)探討了深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的合理計算方法；張玉成等[7]對軟土地區(qū)雙排鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行分析，綜述了雙排樁的優(yōu)缺點(diǎn)和幾種計算方法，并對簡化后的土壓力用有限元法進(jìn)行了計算分析；周小亮[8]研究了圍堰在達(dá)到歷史最高水位時的結(jié)構(gòu)極限容許荷載，得出的圍堰在極限狀態(tài)下首先達(dá)到屈服的結(jié)構(gòu)位置具有一定的價值.本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，建立有限元分析模型，對鋼板樁圍堰施工階段的穩(wěn)定性展開研究，根據(jù)模擬結(jié)果對結(jié)構(gòu)支撐進(jìn)行優(yōu)化，并驗(yàn)證有限元模擬優(yōu)化鋼圍堰設(shè)計的可行性，以期為解決工程實(shí)際問題提供借鑒.

1 基本理論

鋼板樁的主要荷載由土-水壓力組成，滲透性土層中的土壓力采用水土分算法計算，防水層采用土壤組合法計算.根據(jù)朗肯主被動土壓力公式，

對于水土合算的土層：

(1)

(2)

對于水土分算的土層：

(3)

(4)

式中：Pa(Pa′)為主動土壓力，Pb(Pb′)為被動土壓力，γ為土天然重度，γw為地下水的重度，z為深度，c為土的黏聚力，φ為土的內(nèi)摩擦角，hwa為基坑外側(cè)地下水位深度，hwb為基坑內(nèi)側(cè)地下水位深度.

2 有限元模型構(gòu)建

依據(jù)實(shí)際工程，在施工水中承臺時，需要采用鋼板樁圍堰，梁的橫斷面如圖1所示.鋼板樁采用拉森Ⅳ型，上層布置2道橫向支撐，下層布置1道橫向支撐.鋼板樁圍堰、支撐均采用Q235鋼材，混凝土墊層采用C25混凝土，模型見圖2.模型一共91 143個節(jié)點(diǎn)，86 601個單元，其中梁單元673個、板單元72 000個、實(shí)體單元13 928個.梁單元模擬內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，板單元模擬拉森鋼板樁，混凝土墊層采用實(shí)體單元.板底的邊界條件與混凝土墊層的邊界條件均為一般支撐，內(nèi)部通過彈性連接與鋼板樁連接，土彈簧采用節(jié)點(diǎn)彈性連接模擬實(shí)現(xiàn).施加的自重、土壓力荷載如圖3所示.

圖1 梁的橫斷面

圖2 有限元模型

圖3 荷載的施加

3 鋼板樁圍堰施工狀況穩(wěn)定性分析

模型共模擬了6個施工階段：第一階段，從頂部向下開挖2 m(施加土壓力)；第二階段，布置第一層支撐；第三階段，開挖第二層，向下開挖5.8 m(施加土壓力)；第四階段，布置第二層橫撐；第五階段，第三層向下開挖1.8 m(施加土壓力)；第六階段，進(jìn)行40 m封底混凝土施工.鋼板樁的最大變形和應(yīng)力分別如圖4、圖5所示，鋼板樁圍堰上下支撐的最大變形和應(yīng)力分別如圖6、圖7所示.

根據(jù)圖4(a)可知，鋼板樁的最大位移發(fā)生在第五階段(第三層向下開挖)，其最大位移為28.2 mm，發(fā)生在兩橫撐之間，并由頂部向里凹陷.由圖4(b)可知，鋼板樁圍堰的豎向位移為7.1 mm，豎向變形較小，這是由于鋼板樁圍堰向下打入強(qiáng)風(fēng)化泥巖，鋼板樁的豎向位移較小.根據(jù)圖5可知，鋼板樁的最大應(yīng)力發(fā)生在第五階段，為159 MPa，發(fā)生在底部，滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[9]的要求；最小應(yīng)力為0.043 MPa，發(fā)生在鋼板樁圍堰頂部.

圖4 鋼板樁位移計算云圖

圖5 鋼板樁應(yīng)力計算云圖

由圖6(a)可知，上層支撐最不利的階段發(fā)生在第三階段(第二層開挖)，鋼板樁圍堰支撐的最大變形為20.67 mm，最小變形為1.13 mm.由圖6(b)可知，最大應(yīng)力發(fā)生在2個橫撐之間的圍檁上，為191.3 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖6 上層支撐計算云圖

由圖7(a)可知，下層支撐最不利的階段發(fā)生在第五階段(第三層開挖)，鋼板樁圍檁的最大位移為15.03 mm.由圖7(b)可知，最大應(yīng)力發(fā)生在2個橫撐之間的圍檁上，為向內(nèi)351.3 MPa，需要對鋼板樁圍堰支撐進(jìn)行優(yōu)化.

圖7 下層支撐計算云圖

4 鋼板樁圍堰支撐優(yōu)化分析

為了減少開挖時鋼板樁圍堰的應(yīng)力和變形，需對支撐布置進(jìn)行優(yōu)化.由上述分析可知，在第五階段(第三層開挖)時，下支撐的最大應(yīng)力不滿足要求，因此在下層的已有橫撐中再布置2道.對優(yōu)化后的模型的有限元分析結(jié)果如圖8、圖9所示.由圖8可知，優(yōu)化后的鋼板樁最大位移為23.6 mm，與原始模型相比位移減小了4.6 mm，約降低了16.3%；最大應(yīng)力為114.6 MPa，與原始模型相比應(yīng)力減小了44.4 MPa，約降低了30%；圍檁的最大應(yīng)力為182 MPa，減少169 MPa，有非常明顯的降低.通過優(yōu)化圍堰支護(hù)，鋼板樁圍堰和支撐的應(yīng)力、變形均有明顯降低，鋼板樁的應(yīng)力和變形對支撐的位置參數(shù)更加敏感.因此，有效使用支撐可以提高鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性，保證施工安全.

圖8 優(yōu)化后鋼板樁計算云圖

圖9 優(yōu)化后下層支撐計算云圖

5 結(jié)論

以有限元法為基礎(chǔ)，以工程項(xiàng)目為參照，建立鋼板樁圍堰的有限元模型，對鋼板樁圍堰施工階段進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，并對橫撐進(jìn)行優(yōu)化.通過原始模型分析及優(yōu)化后的模型分析得到以下結(jié)果：

1)隨著挖掘深度的增加，在第三層施工時，鋼板樁圍堰將出現(xiàn)最大位移和應(yīng)力，因此下層支撐尤為重要.

2)鋼板樁應(yīng)力和變形對于橫撐的位置參數(shù)較為敏感，通過對橫撐的有效布置及利用，可以提高鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性，保證施工安全.

3)采用數(shù)值模擬的方法對鋼板樁圍堰進(jìn)行分析，推進(jìn)了相關(guān)施工安全性研究，為類似設(shè)施的施工計算提供了依據(jù).