趙海豐, 永津亮，項 偉 ,桂樹強

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，武漢 430074；2.長江三峽勘測研究院有限公司，武漢 430074；3. 日本新日鐵住金株式會社，日本)

H+Hat 組合型鋼板樁結(jié)構(gòu)性能研究

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，武漢 430074；2.長江三峽勘測研究院有限公司，武漢 430074；3. 日本新日鐵住金株式會社，日本)

H+Hat 組合型鋼板樁構(gòu)造簡單、抗彎剛度大、可反復(fù)使用且經(jīng)濟性好，具有廣泛的應(yīng)用前景，但在國內(nèi)尚未應(yīng)用而缺乏驗證。通過理論計算、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場原位試驗和數(shù)值模擬等手段對H+Hat 組合型鋼板樁的截面抗彎、鎖口抗拉及鎖口止水等結(jié)構(gòu)性能進行了研究。研究結(jié)果顯示： H+Hat 組合型鋼板樁具有比普通鋼板樁更大的抗彎截面模量，且其抗彎工作性能良好；鎖口抗拉容許強度遠大于其實際運行的抗拉強度；鎖口止水性能不差于普通鋼板樁。研究為H+Hat 組合型鋼板樁在基坑、碼頭、船塢、圍堰、庫岸等工程中的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

H+Hat 組合型鋼板樁；結(jié)構(gòu)性能；抗彎剛度；止水性能；原位試驗；數(shù)值模擬

1 研究背景

H+Hat 組合型鋼板樁是近年來出現(xiàn)的一種新型組合鋼板樁型式，其采用大尺寸的熱軋寬幅帽型鋼板樁和具有豐富規(guī)格、尺寸的H型鋼進行焊接組合而成，其中Hat鋼板樁由日本新日鐵鋼鐵公司生產(chǎn)，H型鋼由國內(nèi)鋼鐵公司生產(chǎn)[1]，見圖1。

圖1 H+Hat 組合型鋼板樁照片及構(gòu)造Fig.1 Structure of H+Hat combined steel sheet pile

H+Hat 組合型鋼板樁相比于傳統(tǒng)的組合鋼板樁型式，具有構(gòu)造簡單、抗彎剛度大、受力形式合理、鋼材利用率更高、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點，因而在基坑工程、碼頭工程、船塢工程、圍堰工程等各類工程中有廣泛的應(yīng)用前景[1]。目前，H+Hat 組合型鋼板樁僅在國外有一項應(yīng)用實例，在國內(nèi)尚處于試驗論證階段，無應(yīng)用實例。要將其推廣應(yīng)用，首先必須對H型鋼與Hat鋼板樁組合后的結(jié)構(gòu)性能進行系統(tǒng)的論證。

本文綜合采用理論計算、室內(nèi)及現(xiàn)場試驗、數(shù)值分析等研究方法，從截面力學參數(shù)計算、結(jié)構(gòu)抗彎性能、鎖口抗拉性能、鎖口止水性能等方面對H+Hat 組合型鋼板樁的結(jié)構(gòu)性能進行了系統(tǒng)的研究。

2 截面力學參數(shù)理論計算

確定H+Hat 組合型鋼板樁的截面力學參數(shù)是對其進行力學分析的基礎(chǔ)，以下采用材料力學方法對其截面中性軸、截面慣性矩、截面模量等截面力學參數(shù)進行計算，計算簡圖見圖2。

圖2 H+Hat 組合型鋼板樁截面力學參數(shù)計算簡圖Fig.2 Sectional sketch of the calculation of mechanical parameters of H+Hat combined steel sheet pile

2.1 截面積A

A=AS+AH。

(1)

式中：A為H+Hat 組合型鋼板樁的截面面積；AS為帽型鋼板樁(寬900 mm)的截面面積；AH為H型鋼的截面面積。

2.2 截面中性軸

y=Q/A。

(2)

式中：y為組合型鋼板樁的中性軸到基準軸的距離；Q為組合型鋼板樁對于中性軸的截面一次矩。Q=QS+QH，QS為帽型鋼板樁對于自身中性軸的截面一次矩，QS=AS·yS，yS為帽型鋼板樁中性軸到組合型鋼板樁中性軸的距離；QH為H型鋼對于自身中性軸的截面一次矩，QH=AH·yH，yH為H型鋼中性軸到組合型鋼板樁中性軸的距離。

表1 H+Hat 組合型鋼板樁的截面力學參數(shù)計算結(jié)果Table 1 Calculation result of mechanical parameters of H+Hat combined steel sheet pile section

注：截面尺寸為長×寬×腹板厚×翼緣厚。

2.3 重量W

W=WS+WH。

(3)

式中：W為H+Hat 組合型鋼板樁的重量；WS為帽型鋼板樁的重量；WH為H型鋼的重量。

2.4 截面慣性矩

(4)

I′=I/w。

(5)

式中：I為單個H+Hat 組合型鋼板樁的截面慣性矩；IS為帽型鋼板樁900單體的截面慣性矩；IH為單片H型鋼的截面慣性矩；I′為每延米壁體的組合型鋼板樁截面慣性矩；w為帽型鋼板樁的有效寬度(900 mm)。

2.5 截面模量

Z=1/y0;

(6)

Z′=Z/w。

(7)

式中：Z為單片H+Hat 組合型鋼板樁的截面模量；y0為組合型鋼板樁中性軸到H型鋼最外緣的距離；Z′為每延1 m壁體的組合型鋼板樁截面模量。

2.6 力學參數(shù)計算結(jié)果

依據(jù)以上計算方法，對不同型式H型鋼組合NSP-10H和NSP-25H(如圖3)2種鋼板樁的截面模量進行了計算，計算結(jié)果如表1所示。

圖3 Hat鋼板樁截面圖Fig.3 Section of Hat steel sheet pile

3 截面抗彎性能研究

3.1 室內(nèi)彎曲試驗

3.1.1 試驗方案

室內(nèi)試驗采用尺寸為H400 mm×200 mm×9 mm×12 mm的H型鋼與NSP-10H型帽型鋼板樁組合，帽型鋼板樁長6 m，焊接H型鋼長4 m。帽型鋼板樁的屈服強度為295 N/mm2，抗拉強度為490 N/mm2；H型鋼的屈服強度為325 N/mm2，抗拉強度為470 N/mm2。試驗?zāi)Ｐ秃驮囼炑b置如圖4所示。

圖4 試驗?zāi)Ｐ团c裝置Fig.4 Test model and test instrument

3.1.2 試驗結(jié)果分析

圖5 彎矩與曲率的關(guān)系Fig.5 Relationship between bending moment and curvature

(1) 彎矩-曲率關(guān)系分析：由圖5可知，組合型鋼板樁的抗彎屈服強度為620 kN·m，極限抗彎強度為1 080 kN·m；采用材料力學中的彎矩-曲率計算公式，計算得到了曲率隨彎矩變化的理論值。對比試驗值與計算值，在達到屈服點之前，試驗實測值與材料力學公式計算值基本一致；同時也驗證了在彈性變形范圍內(nèi)，采用傳統(tǒng)的材料力學方法計算其變形是可行的[2]。

(2) 應(yīng)力應(yīng)變分析：分別選取H型鋼外側(cè)翼緣應(yīng)力140 MPa和307 MPa時進行分析，在組合鋼板樁中央截面上各個高度處的實測應(yīng)變分布如圖6所示。

圖6 應(yīng)變沿組合型鋼板樁截面的分布Fig.6 Distribution of strain along the section of combined steel sheet pile

由圖6可知，在H型鋼外翼緣應(yīng)力分別為140 MPa及307 MPa時，中性軸的位置分別為262 mm和264 mm，與計算值258 mm基本一致，說明組合型鋼板樁在彈性范圍內(nèi)受彎時中性軸截面滿足保持平面的假定，采用材料力學公式計算組合型鋼板樁的應(yīng)力應(yīng)變是安全可靠的。應(yīng)變在帽型鋼板樁與H型鋼的焊接處的過渡是線性的，并未在腳焊連接處發(fā)生應(yīng)力突變，說明在彈性范圍內(nèi)受彎時，帽型鋼板樁和H型鋼共同抵抗荷載作用，且組合抗彎工作性能良好。

3.2 抗彎性能數(shù)值模擬

3.2.1 計算模型

抗彎性能數(shù)值模擬以力求反映組合型鋼板樁實際應(yīng)用為原則，采用NSP-10H帽型鋼板樁與H700 mm×200 mm×9 mm×16 mm的H型鋼進行組合，帽型鋼板樁鋼材為SYW295，屈服強度為295 N/mm2，抗拉強度為490 N/mm2，H型鋼鋼材為SM490YA，屈服強度為355 N/mm2，抗拉強度為470 N/mm2。帽型鋼板樁與H型鋼組合后的截面參數(shù)采用表1的計算值。

組合型鋼板樁模型總長14 m，兩端支座距樁端1 m，在支座范圍內(nèi)長12 m的區(qū)間施加三角形分布荷載以模擬船塢、基坑等支護結(jié)構(gòu)的受力進行分析計算，計算模型如圖7所示。

圖7 數(shù)值計算模型Fig.7 Model of numerical calculation

圖8 數(shù)值模型有限元網(wǎng)格劃分、荷載分布及支座約束條件Fig.8 Finite element meshes, load distribution and support constraints of numerical model

數(shù)值計算時，采用Midas有限元數(shù)值計算軟件的solid單元建立有限元模型，模型節(jié)點數(shù)約100 000，單元數(shù)約36 000，沿長度方向以10 cm為單位進行網(wǎng)格劃分。邊界條件為：在左側(cè)支座處約束節(jié)點的水平和豎向位移；在右側(cè)支座處約束節(jié)點的豎向位移。荷載施加：在H型鋼一側(cè)的翼緣施加三角形面分布荷載，計算時荷載分10個荷載步施加，左側(cè)支座處荷載為0 kN/m2，右側(cè)支座處初始荷載為100 kN/m2，之后每荷載步增量為100 kN/m2，最大荷載為1 000 kN/m2。有限元網(wǎng)格劃分、荷載分布及支座約束條件如圖8所示。

3.2.2 計算結(jié)果分析

(1) 變形特征分析：圖9為右側(cè)支座處荷載施加至1 000 kN/m2時H+Hat 組合型鋼板樁豎向位移云圖，圖示工況下最大豎向位移為0.107 m，位于距左側(cè)支座6.6 m處。

圖9 組合型鋼板樁豎向位移云圖(荷載P=1 000 kN/m2)Fig.9 Nephogram of vertical displacement of combined steel sheet pile (load P=1 000 kN/m2)

圖10 荷載-撓度關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between load and deflection

圖11 組合型鋼板樁應(yīng)力云圖(P=1 000 kN/m2)Fig.11 Nephogram of stress of combined steel sheet pile (P=1 000 kN/m2)

(2) 荷載-撓度關(guān)系分析：將H+Hat 組合型鋼板樁簡化為簡支梁，采用簡支梁撓度計算公式計算得到各荷載工況下最大撓度的理論大小和位置，然后和數(shù)值計算結(jié)果進行對比[3]。數(shù)值模擬和理論計算的最大擾度位置距離左側(cè)支座分別為6.3 m和6.928 m，各工況荷載作用下的荷載-撓度關(guān)系曲線詳見圖10。由圖10可知，在外荷載作用下，在達到屈服點之前，采用材料力學公式計算得到的撓度計算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，計算誤差在6%以內(nèi)。

(3) 應(yīng)力分析：圖11為右側(cè)施加最大荷載1 000 kN/m2條件下H+Hat 組合型鋼板樁的軸向應(yīng)力云圖。由圖11可知，在外荷載作用下，組合鋼板樁的應(yīng)力集中在中部稍偏向右側(cè)支座的位置，最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別位于H型鋼外側(cè)翼緣和帽型鋼板樁外側(cè)翼緣。

對各工況下組合型鋼板樁H型鋼外側(cè)翼緣和帽型鋼板樁外側(cè)翼緣應(yīng)力的數(shù)值計算結(jié)果和采用材料力學中梁截面的正應(yīng)力計算公式計算得到的結(jié)果進行對比，如圖12所示。在達到屈服荷載之前，采用材料力學公式計算得到的H型鋼翼緣應(yīng)力和帽型鋼板樁翼緣應(yīng)力和數(shù)值計算結(jié)果基本一致，計算誤差在2%以內(nèi)。

圖12 組合型鋼板樁應(yīng)力計算結(jié)果Fig.12 Calculated results of the stress of combined steel sheet pile

4 鎖口抗拉性能研究

H+Hat 組合型鋼板樁承受水、土壓力后，在鎖口處會產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，當橫向拉應(yīng)力大于鎖口抗拉強度時，就會導(dǎo)致鎖口破壞，進而引起整個支護結(jié)構(gòu)的失效。因此需對鎖口的抗拉能力加以校核，以驗證組合鋼板樁鎖口的強度是否滿足工程要求。

圖13 鎖口抗拉強度試驗裝置及試驗試件Fig.13 Device and specimen for lock tensile strength test

4.1 鎖口抗拉強度試驗

試驗試件取軸向長度為10 cm的NSP-10H和NSP-25H鋼板樁的鎖口試件各3組，在試件垂直拉伸方向上焊接了2塊平行鋼板，通過與焊接鋼板相接觸的位移傳感器記錄試件在拉伸荷載作用下的位移，試驗裝置及試件見圖13，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 鎖口抗拉強度試驗結(jié)果Table 2 Test results of lock tensile strength

由試驗結(jié)果可知，NSP-25H鎖口的抗拉能力高于NSP-10H。每延米組合型鋼板樁鎖口的極限抗拉能力NSP-10H為626 kN/m，NSP-25H為726 kN/m，破壞時相應(yīng)的平均位移量NSP-10H為32.6 mm，NSP-25H為23.7 mm。

4.2 鎖口抗拉強度數(shù)值模擬

組合型鋼板樁在水、土壓力作用下的鎖口拉力很難通過實測獲得，采用傳統(tǒng)的力學計算方法也很難準確計算。為此，本文將組合型鋼板樁的實際受力狀態(tài)進行簡化，建立數(shù)值計算模型，對鎖口處的橫向拉力進行分析，并將數(shù)值模擬結(jié)果與鎖口抗拉試驗結(jié)果進行對比，以此來校核鎖口處的抗拉承載能力是否滿足強度和使用要求。

圖14 鎖口抗拉強度數(shù)值模型Fig.14 Numerical model of lock tensile strength

4.2.1 計算模型

采用Midas有限元數(shù)值計算軟件的soild單元建立計算模型，采用的組合鋼板樁型式為NSP-10H和NSP-25H帽型鋼板樁分別和型號為H700 mm×200 mm×9 mm×16 mm的H型鋼進行組合，模型鋼板樁長1 m。

考慮到組合型鋼板樁應(yīng)用的基坑等工程開挖深度不超過20 m，在此工況下的水、土壓力量值不超過400 kN/m2，故在擋土側(cè)垂直施加400 kN/m2的面壓力荷載。為了便于分析鎖口拉力和水、土壓力荷載的關(guān)系，數(shù)值計算時面壓力荷載分10個步驟進行施加。約束條件設(shè)置為在鎖口處施加x方向約束，在H型鋼與帽型鋼板樁的焊接處施加y向約束。數(shù)值計算模型網(wǎng)格劃分、約束條件及荷載分布見圖14。

4.2.2 計算結(jié)果

水、土壓力施加至400 kPa時，組合型鋼板樁的鎖口拉力計算結(jié)果見圖15，水、土壓力從0 kPa加載至400 kPa過程中，組合型鋼板樁鎖口拉力的變化見圖16。

圖15 鎖口拉力計算結(jié)果(P=400 kPa)Fig.15 Calculation results of lock tension (P=400 kPa)

圖16 加載過程中的鎖口拉力變化Fig.16 Variation of lock tension in the process of loading

由圖16可知，鎖口拉力值隨水、土壓力荷載增加而呈線性增長，NSP-10H鎖口拉力的增長速度大于NSP-25H，在400 kPa的水、土壓力作用下，NSP-10H與NSP-25H組合型鋼板樁的鎖口拉力值分別為137.9 kN/m和86.1 kN/m，而試驗得到的NSP-10H、NSP-25H組合型鋼板樁的鎖口極限抗拉能力為分別為626 kN/m和726 kN/m。由此可知，鎖口抗拉強度遠大于組合型鋼板樁實際工作狀態(tài)時的鎖口拉力值，鎖口是安全的。

5 鎖口止水性能研究

將H+Hat 組合型鋼板樁應(yīng)用地下水較豐富地區(qū)工程時，其鎖口的止水性能對于保證整個支護結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要，本文通過現(xiàn)場鎖口止水試驗對組合型鋼板樁的止水性能進行了研究。

5.1 試驗方案

為了與傳統(tǒng)的U型鋼板樁鎖口止水性能進行比較，在試驗設(shè)計中加入了和NSP-10H帽型鋼板樁材質(zhì)相同、斷面性能相近的SP-Ⅱw型U型鋼板樁。鎖口止水試驗將帽型鋼板樁和U型鋼板樁呈矩形壓入土體，形成試驗圍護結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)構(gòu)長5.4 m，寬2.4 m，寬度方向上布置4枚SP-Ⅱw型U型鋼板樁，長度方向上兩側(cè)分別布置6枚NSP-10H帽型鋼板樁和9枚SP-Ⅱw型U型鋼板樁，并分別對長度方向上兩側(cè)的鎖口進行編號。試驗場地內(nèi)地下水位較高，接近地表，試驗深度范圍內(nèi)的土層主要由2層構(gòu)成，0～1.1 m為砂土層，混雜少量黏性土，1.1～7.0 m為粉土層。試驗鋼板樁總長為7 m，試驗時將鋼板樁壓入土體6.5 m，然后開挖2.5 m形成試坑，試驗結(jié)構(gòu)和試驗現(xiàn)場照片見圖17。

圖17 試驗結(jié)構(gòu)和試驗現(xiàn)場Fig.17 Test structure and test site

5.2 試驗結(jié)果分析

試坑開挖完成后，對比觀察NSP-10H型帽型鋼板樁和SP-Ⅱw型U型鋼板樁鎖口處的浸潤和漏水情況，以及試坑內(nèi)、外側(cè)水頭差隨時間的變化情況。試驗中，2種鋼板樁鎖口處的滲漏量都非常小，試驗終了時，鎖口處的浸出漏水情況如圖18所示。

圖18 鎖口處的浸出漏水狀況Fig.18 Water leaching at the lock

帽型鋼板樁鎖口處的最大浸潤高度為0.94 m，平均浸潤高度為0.62 m，U型鋼板樁鎖口處的最大浸潤高度為1.25 m，平均浸潤高度為0.84 m。由此可見，帽型鋼板樁鎖口的止水性能至少不差于傳統(tǒng)的U型鋼板樁鎖口。試驗過程中試坑內(nèi)外側(cè)水頭差基本不變，試驗結(jié)束時在試坑底部僅有約5 cm深的積水，考慮到坑內(nèi)積水還有一部分是從坑底滲出的，因此，由鋼板樁鎖口處滲出的水量是非常小的。

6 結(jié) 論

通過對H+Hat 組合型鋼板樁結(jié)構(gòu)性能的研究，得出以下結(jié)論：

(1) H+Hat 組合型鋼板樁的截面抗彎性能、鎖口抗彎性能、鎖口止水性能均能較好的滿足工程需要，其應(yīng)用是安全、可行的。

(2) H+Hat 組合型鋼板樁具有比普通鋼板樁更大的抗彎截面模量且其抗彎工作性能良好。截面模量、應(yīng)力應(yīng)變及撓度的計算值、試驗值和數(shù)值模擬結(jié)果高度一致，驗證了采用材料力學方法進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的合理性，為工程設(shè)計提供了計算方法。

(3) 鎖口抗拉試驗和數(shù)值計算結(jié)果顯示，鎖口抗拉破壞的極限荷載遠大于其實際工作狀態(tài)所承受的荷載，組合型鋼板樁在應(yīng)用過程中鎖口是安全可靠的。

(4) 對NSP-10H帽型鋼板樁和斷面性能相近的SP-Ⅱw型U型鋼板樁止水性能對比試驗顯示，NSP-10H帽型鋼板樁的止水性能至少不差于SP-Ⅱw型U型鋼板樁，且滲漏水量非常小。

致謝：在此對在H+Hat 組合型鋼板樁研發(fā)工作中給予大力支持、指導(dǎo)及為解決相關(guān)問題與我們共同進行試驗，分析的中船第九設(shè)計院的顧倩燕主任及其他相關(guān)技術(shù)專家表示衷心的感謝。

[1] 趙海豐,桂樹強,樊金平,等. H+Hat 組合型鋼板樁在基坑工程中的適用性研究[J]. 人民長江,2012,10:27-31.(ZHAO Hai-feng, GUI Shu-qiang, FAN Jin-ping,etal. Applicability Research on H+Hat Combined Steel Sheet Pile in Foundation Pit Engineering[J]. Yangtze River, 2012,10:27-31.(in Chinese))

[2] JGJ120—99，國家行業(yè)標準, 建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，1999. (JGJ120—99, Technical Specification for Retaining and Protection of Building Foundation Excavations[S]. Beijing: China Architecture and Building Press, 1999. (in Chinese))

[3] 劉建航,侯學淵主編.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1997. (LIU Jian-hang, HOU Xue-yuan. Handbook of Excavation Engineering[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 1997. (in Chinese))

(編輯：姜小蘭)

Structural Behavior of H+Hat Combined Steel Sheet Pile

ZHAO Hai-feng1,2, Ryosuke Nagatsu3, XIANG Wei1, GUI Shu-qiang2

(1.Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;2. Survey Research Institute of the Three Gorges Co. Ltd., Wuhan 430074,China; 3. Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation,Japan)

H+Hat combined steel sheet pile has a broad prospect of application due to its simple structure, big bending stiffness, repeated usage and cost effectiveness. However, it has not been applied in China yet and lack of verification. In view of this we carried out theoretical calculation, indoor experiment, in situ test and numerical simulation to research the sectional flexural performance, lock tensile performance and lock waterproof performance of H+Hat combined steel sheet pile. Results reveal that the sectional flexural modulus of H+Hat combined steel sheet pile is larger than that of ordinary steel sheet pile with good flexural performance; the allowable lock tensile strength is far greater than that in actual operation; and the lock waterproof performance is not worse than that of ordinary steel sheet pile. The research could be a basis for the popularization and application of H+Hat combined steel sheet pile in foundation pit, piers, docks, cofferdam, and bank supporting structures.

H+Hat combined steel sheet pile; structural behavior; flexural strength; waterproof performance; in-situ test; numerical simulation

2014-01-22；

2014-02-13

趙海豐(1983-)，男，湖北潛江人，博士研究生，主要從事地熱研究及巖土工程設(shè)計工作，(電話)13163239121(電子信箱) zhaohaifeng83@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.021

TV551.4

A

1001-5485(2015)08-0114-07

2015,32(08):114-120