蔡維龍

（廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510670）

1 引言

近年來，鋼板樁憑借其成本低、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、施工便利和止水性能好的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于防洪防災(zāi)、基坑支護(hù)、建設(shè)碼頭等工程中。

但通過對大量的工程項(xiàng)目分析發(fā)現(xiàn)，淤泥類土除了自身抗剪強(qiáng)度較低、含水量較高的特點(diǎn)，還具有明顯的流變性，無疑加大了控制基坑變形的難度，因此，基坑支護(hù)是該類基坑施工的難點(diǎn)[1]。由于普通鋼板樁在淤泥類軟土基坑工程中的適用性不強(qiáng)，因此，對拉森IV 新型鋼板樁進(jìn)行改造，形成了適用于淤泥質(zhì)地層中的支護(hù)體系。

2 T 型鋼板樁及其特點(diǎn)

T 型鋼板樁由如圖1 所示的2 種基本形式構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行組合可以形成多種適用于淤泥質(zhì)地層中T 型鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，具體形式如圖2a、圖2b 所示。

T 型鋼板樁是拉森IV 新型鋼板樁的延展和擴(kuò)充，繼承了拉森IV 新型鋼板樁的一切優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了其剛度相對不足的缺陷。由于T 型鋼板樁是使用鋼板作為支護(hù)體系的基礎(chǔ)，因此，可以避免傳統(tǒng)支護(hù)方式容易產(chǎn)生的某些質(zhì)量問題。一方面可以減少對周圍土體的擾動(dòng)，且沒有明顯的擠土效應(yīng)，進(jìn)而減弱對鄰近建筑物的影響；另一方面也可以避免混凝土灌注樁施工過程中的處理泥漿的問題，既可以簡化施工，還可以縮短施工周期，使其擁有更好的經(jīng)濟(jì)效益和安全性能。

圖1 T 型鋼板樁的基本形式

圖2 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)T 型鋼板樁

T 型鋼板樁的特點(diǎn)可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1）承載能力強(qiáng)。T 型鋼板樁截面組合形式使其剛度遠(yuǎn)大于非組合型鋼板樁。（2）止水性好。樁間連接處鎖口緊密咬合，能有效防止水的滲入。（3）適用范圍廣。T 型鋼板樁的設(shè)計(jì)使用是針對淤泥類軟土，因此，可以適用于大部分土質(zhì)的基坑，并且施工可以不受天氣的制約。（4）經(jīng)濟(jì)實(shí)用。鋼板樁可重復(fù)使用，簡化施工工藝的同時(shí)，還能充分實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。（5）安全性能好。T型鋼板樁的規(guī)范施工使其面對突發(fā)情況時(shí)具有更好的安全性能。

3 基于AbAquS 的數(shù)值模擬法

3.1 AbAquS 有限元軟件介紹

土抗力法、極限平衡法和有限元法是國內(nèi)計(jì)算和分析基坑穩(wěn)定性的主要3 種方法。其中的有限元法，既克服了極限平衡法不能分析檢測過程中位移應(yīng)變的缺陷，也避免了土抗力法完全彈性等不符合實(shí)際的假設(shè)條件，在此基礎(chǔ)上還能夠處理分析區(qū)域的復(fù)雜特征。本節(jié)結(jié)合ABAQUS 有限元軟件，簡述土體的本構(gòu)模型、接觸面相互作用模型和單元生死功能，以此為基礎(chǔ)來模擬基坑開挖的全過程，同時(shí)較為全面地計(jì)算和分析不同形式的鋼板樁的支護(hù)效果。

3.1.1 土體的本構(gòu)模型

本文基坑數(shù)值模擬中土體的本構(gòu)模型采用的是Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則中Mohr 認(rèn)為土體的破壞模式是剪切破壞，并且假設(shè)剪應(yīng)力的極限值與該平面上的正應(yīng)力相關(guān)，而不是一個(gè)常數(shù)，見式（1）：

式中，τn為極限抗剪強(qiáng)度，MPa；σn為剪切面上的法向應(yīng)力，以受拉為正，MPa；c 為黏聚力，kPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）。

通常，隨著靜水應(yīng)力的增加，土體的內(nèi)摩擦角會(huì)相應(yīng)減小。但靜水應(yīng)力不大時(shí)，可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，此時(shí)屈服曲線為一條直線，可表示為式（2）：

3.1.2 接觸面相互作用模型

在鋼板樁和土體的接觸面處需要考慮切向力和法向力[2]，本文采用的這種法向行為被稱作硬接觸。當(dāng)接觸面存在空隙時(shí)，接觸面不能傳遞法向壓力p，只有當(dāng)接觸面兩邊的物體壓緊時(shí)才可以傳遞法向壓力，且接觸時(shí)所傳遞壓力的大小沒有限制。

接觸面的切向力學(xué)行為使用的是摩擦模型，即切向應(yīng)力的傳遞需要接觸面上存在法向壓力。當(dāng)摩擦力（即切向應(yīng)力）大于其極限值時(shí)，接觸面呈現(xiàn)滑移狀態(tài)，反之則認(rèn)為接觸面處于黏結(jié)狀態(tài)。其中極限剪應(yīng)力可通過式（3）表示：

式中，μ 為摩擦系數(shù)。

特殊情況下，接觸壓力過大會(huì)導(dǎo)致極限剪切應(yīng)力超過土體真實(shí)的極限剪應(yīng)力值，這時(shí)就需要自定義一個(gè)恰當(dāng)?shù)淖畲蠹魬?yīng)力τmax。

3.1.3 單元生死功能

本文基坑中土體的開挖采用單元生死功能來模擬。模型開始計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)儲(chǔ)存計(jì)算移除面上的節(jié)點(diǎn)力，隨后在相應(yīng)的開挖分析步中逐漸減少到零，以此來模擬單元的移除。

3.2 工程概況

建設(shè)場地位于廣東佛山市樂從鎮(zhèn)，原場地為魚塘、農(nóng)田。根據(jù)場地附近地質(zhì)勘察相關(guān)資料，選取主要的標(biāo)準(zhǔn)土層作為地質(zhì)模型。具體參數(shù)見表1。

表1 地層相關(guān)參數(shù)取值

3.3 模型建立

本文的建模分析基于有限元軟件ABAQUS?；幽Ｐ蛯?0m，深6m，基坑四周均進(jìn)行支護(hù)，為簡化模型，僅取一側(cè)開挖土體和鋼板樁支護(hù)作為研究對象，土體單元采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。同時(shí)，鋼板樁到土層邊界寬度取20m，以此來減弱邊界效應(yīng)對鋼板樁支護(hù)的影響，基坑開挖幾何模型如圖3 所示。

圖3 基坑開挖幾何模型

在本幾何模型中，默認(rèn)鋼板樁間連接情況良好，在模擬中考慮土體和鋼板樁之間的接觸，土體的相關(guān)參數(shù)見表1。為研究T 型鋼板樁支護(hù)在淤泥質(zhì)土體基坑中的支護(hù)效果，現(xiàn)分別考慮普通單排和單、雙排T 型用于該基坑模型時(shí)的支護(hù)效果。

3.4 基坑支護(hù)模擬結(jié)果分析

開挖完成后，普通單排鋼板樁、單排和雙排T 型鋼板樁的支護(hù)側(cè)向水平位移曲線如圖4 所示。

圖4 支護(hù)側(cè)向水平位移曲線

由圖4 可知，樁身的最大側(cè)移變形均發(fā)生在樁頂，普通的單排鋼板樁的樁身側(cè)移量顯著大于單、雙排T 型鋼板樁。根據(jù)組合鋼板樁截面形狀的特點(diǎn)可知，相較于單排鋼板樁，單排T 型鋼板樁通過對不同形式鋼板樁進(jìn)行組合，形成了一個(gè)截面模量更大，剛度也更大的截面形式，所以單排T 型比普通單排鋼板樁能更好地控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移，而雙排T 型鋼板樁在這方面的效果則又更為明顯。

坑底土體會(huì)隨著基坑開挖的逐步進(jìn)行而隆起，同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)朝上移動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致工程樁的斷裂，圖5 給出了基坑坑底隆起圖。土體隆起的最大值均出現(xiàn)在距鋼板樁支護(hù)約3m 處，且圖像大致呈凸線型。隨著基坑開挖，坑底土體因?yàn)樾遁d回彈和基坑下部支護(hù)不穩(wěn)定而隆起。對比圖5 中3 條曲線可知，相比于普通的單排鋼板樁，2 種T型鋼板樁都能一定程度上控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，進(jìn)而減少坑底的隆起量。

圖5 基坑坑底隆起圖

除此之外，基坑附近地表沉降也是基坑開挖引起的顯著現(xiàn)象，具體情況如圖6 所示。隨著基坑的逐步開挖，周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致鋼板樁發(fā)生位移變形的同時(shí)坑外地表發(fā)生沉降[3]，特別是對于淤泥質(zhì)地層，地表沉降則更為顯著。T 型鋼板樁不僅對樁后土體提供了支護(hù)力，還有類似復(fù)合地基的加固作用。由圖6 可知，剛度更大的雙排T 型鋼板樁能更加有效地減小坑邊地表沉降，保障周圍施工環(huán)境的安全。

圖6 基坑邊沉降位移曲線

4 結(jié)語

通過上述有限元模型分析可知，在淤泥類軟土基坑工程中，由于其截面特性，3 類鋼板樁剛度由大到小依次為雙排T型鋼板樁、單排T 型鋼板樁、普通單排鋼板樁。因此，在對比了樁身側(cè)移、坑底土體隆起和坑邊地表沉降3 個(gè)方面的變形后可知，雙排T 型鋼板樁的支護(hù)效果最好，單排T 型鋼板樁效果次之，普通單排鋼板樁效果最差。

由于淤泥類軟土的特點(diǎn)，對于支護(hù)的剛度要求更大，同時(shí)因?yàn)橛倌鄩嚎s性大，會(huì)導(dǎo)致基坑的變形格外明顯，對工程的危害也更大。在軟土地層中，T 型鋼板樁及其不同組合結(jié)構(gòu)，既解決了淤泥質(zhì)土中圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度不足的問題，還滿足了控制坑邊地表沉降和坑底土體隆起量的要求。

綜上所述，T 型鋼板樁比普通鋼板樁更適用于淤泥類軟土基坑工程。同時(shí)，T型鋼板樁具備止水性能好、承載能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好、安全性能高及應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，因此，該研究成果的應(yīng)用前景十分廣闊。