广东建材2017年第11期工程试验与研究拉森钢板桩的适用性及其受力性能分析陈艺宁1伍广豪2(1广州大学土木工程学院；2广州大学)大量高层建筑及地下空间不断涌现，基坑工程也【摘要】近年来，珠三角地区城市建设发展迅速，随之增多，而基坑工程施工需要在支护下进行。支护的形式和方法很多，而从国外引进的比较新型的支护———拉森钢板桩，因其施工工期短、施工方便、可循环利用等优点适用现在对建筑工程追求环境以实际工程为背经济并进的要求与发展的方向。本文主要探讨拉森钢板桩支护在珠三角地区适用性，景，通过有限元数值模拟，针对钢板桩支护结构静、动受力变形特性，分别对钢板桩在逆作法与明挖法对围护结构产生的变形规律进行分析。变形【关键词】拉森钢板桩；施工设计；数值模拟；1引言利用地下空随着城市的发展，建筑用地越来越少，间已经成趋势，各种类型的地下工程已经在全球广泛地高效、绿色等开发应用。拉森钢板桩是具有节能、环保、高强、防特点的支护形式，主要表现在拉森钢板桩轻质、环保效果好，在施工过程中可以水性能好；可重复使用、减少取土量与混凝土使用量，从而有效地保护土地资具有良好的经济效益与社会效益。源，图1工程平面图500mm，顶板和底板厚度为600mm，中板厚度为400mm。2工程概况本文选用的工程实例为广东省某市大型地下空间无上部结构，长为约911m，人防工程。上部为城市道路，宽为21m，结构长宽比约为43.4。工程为地下二层设计，设计覆土厚度1.6m，桩墙埋深18.0m，负一层高度为4.2m，负二层高4.8m，开挖深度12.2m。与一般地下空间结构相比，此工程兼顾战时人防功能，抗力等级为核6（常6）级。此地下空间结构不仅要满足平时正常使用的需要，而且要满足战时人防功能的需要。本工程施工采顶板与地板厚度为600mm，用盖挖逆作法，中板厚度为400mm，边墙厚度为500mm。工程围护结构采用18mFSP-Ⅳ钢板桩支护，施工工法分别采用逆作法和明挖法，本变形进行分析研究。图1为截取本文对钢板桩的受力、工程某一段平面图。3.1逆作法工况划分广东省某市人防工程拉森钢板桩支护采用MI-DAS-GTS有限元软件建立三维模型进行计算及分析[1]。本模型运用MIDAS-GTS中的施工步骤进行设置施工阶段，实现在基坑分步开挖直至到坑底的过程中对拉在有限元的分森钢板桩的内力及其变形进行计算分析。施工开挖模型析时，拉森钢板桩分8个施工工况进行，如下：第一施工工况，初始应力分析，清除历史位移，施打拉森钢板桩；第二施工工况，开挖顶板以上1.6m覆土；第三施工工况，土模设置，顶板施工；第四施工工况，回填覆土，道路交通恢复；第五施工工况，负一层边墙、柱子浇筑，负一层土体开挖；第六施工工况，负一层中板负二层土浇筑；第七施工工况，负二层边墙、柱子浇筑，体开挖；第八施工工况，负二层底板浇筑。⑴图2显示钢板桩两侧均有向坑内移动，工况二、最大水平位三、五和六在桩顶位置出现最大水平位移，移分别为1.66mm、2.88mm、3.04mm以及3.20mm；工况七最大水平位移在深度为12.2m处出现，最大位移为最3.50mm；工况八最大水平位移在深度为12.2m出现，大位移为3.45mm。3钢板桩计算参数的确定本模型采用逆作法进行建模，围护结构采用18米FSP-Ⅳ钢板桩，一级基坑。基坑侧壁重要性系数γ0为1.10。开挖深度12.2m，桩体嵌入深度约5.8m。覆土深度1.6m，负一层为4.2m，负二层为4.8m。边墙厚度为-65-工程试验与研究图2工况对比图⑵总体上基坑周围土体的水平位移表现为随着工况进行向基坑内方向运动的趋势。从位移曲线图可以看出工况二覆土开挖到工况三顶板浇筑桩身水平位移变化平缓；工况五负一层开挖到工况六中板浇筑桩身水平位移有所增加，但增加幅度不大。原因为：覆土开挖后浇筑顶板和边墙，由于逆作法施工，顶板和边墙形成后对围护结构形成一定的支撑效应，负一层土体的开挖卸载，引起了基坑周围土体向基坑内位移量也不大。⑶采用逆作法[2]施工的基坑开挖工程，在开挖初期整个基坑的支护依靠拉森钢板桩自身的刚度来维持，钢板桩的变形较大，随着地下室结构和水平梁板的施工，为围护结构提供水平方向上的支撑作用，可以有效地抑制钢板桩进一步的侧向变形。3.2明挖法钢板桩计算参数的确定本模型采用明挖顺作法进行建模，本模型建立在土层信息参数，钢板桩参数等数据参考上面逆作法，围护结构采用18米FSP-Ⅳ钢板桩，一级基坑，基坑侧壁重要性系数γ0为1.10，开挖深度12.2m，桩体嵌入深度约5.8m。本基坑沿着基坑深度方向共设置三道内支撑，三道支撑都是钢支撑，竖向间距为3.0m、3.50m。3.3明挖法深基坑边界条件和工况划分模型尺寸为147（长）×52（宽）×49.6（高）米，尺寸大于基坑开挖尺寸的三倍，认为其边界效应可以忽略，土层采用六面体网格进行划分，总体单元数量为69000左右，支护单元分别为梁单元板单元，其中钢板桩入约土6m。为保证更为真实地反映明挖法施工过程中周边土体和围护结构的位移，需要按照明挖法施工工序进行适当的工况划分。这里将施工过程划分为8个工况：第一施工工况，初始应力分析，清除历史位移，施打拉森钢板桩；第二施工工况，开挖至1.0m；第三施工工况，在0.5m处进行第一道钢筋混凝土内支撑、围檩施工；第四施工工况，开挖至4.0m；第五施工工况，在3.5m处进行第二-66-广东建材2017年第11期道钢筋混凝土内支撑、围檩施工；第六施工工况，开挖至7.5m；第七施工工况，在7.0m处进行第三道钢筋混凝土内支撑、围檩施工；第八施工工况，开挖至底部12.2m。4钢板桩逆作法与明挖法施工水平位移对比分析通过选取逆作法与明挖法[3]开挖到坑底就是工况八来对比分析，研究其中的差异。两者同样选取左侧断面钢板桩中间位置的数据，整理后如图3钢板桩在基坑开挖到坑底面时水平位移曲线图。图3钢板桩在基坑开挖到坑底面时水平位移曲线图如图3所示，明挖法总体趋势从0m～-12.2m呈增长状态，-12.2m～-18m逐渐减少；然而逆作法呈先减少再增长，到坑底面附近后减少趋于零。两者都几乎在相同位置出现最大水平位移，明挖法最大水平位移为9.19mm，而逆作法的最大位移为3.45mm，逆作法钢板桩最大水平位移比明挖法减小接近63.5%，从而看出逆作法施工更加稳定。原因为：逆作法梁板相当于明挖法的支撑，当受到土压力时会充分发挥作用，其移动；同样边墙也对钢板桩产生侧向位移有一定作用。5小结⑴介绍有限元基本理论和分析问题的基本思想。⑵阐述有限元软件MIDASGTS进行模型的分析过程以及进行实例模型。⑶详细阐述建立模型的思路、模型的选取方法、边界条件的设定以及施工工况设定来进行模拟施工过程。⑷通过数值模拟对比分析深基坑逆作法与明挖法施工对拉森钢板桩的变形规律，明挖法与暗挖法相比，其土体水平位移较大。●参考文献】[1]任安超,周桂峰,吉玉,朱敏.热轧钢板桩的发展和应用前景[J].特殊钢,2009,01:22-24.[2]元木卓也.鋼矢板を用いた河川堤防補強技術[J]．钢管杭协会，2005(2)：20-24．[3]Blum.EinspannungsvcrhadtnissebeiBohlwerken[M].Berlin:WilhelmErnst&Sohn,1931.【
