钢板桩支护结构的实测与有限元分析

钢板桩支护结构的实测与有限元分析

0地下工程施工场地钢板桩墙地下防护结构主要包括水泥土墙、桩超载、地下连续墙、钢渣、地板覆盖层保护、喷锚保护等。其中,钢板桩支护结构属于板式支护结构之一,适用于地下工程施工场地条件钢板桩靠锁口或钳口相互连接咬合,形成连续的钢板桩墙,用来挡土和挡水。具有高强,轻型可循环利用等特点,现在已经越来越多的用到基坑工程中。钢板桩的受力分析研究发展较完善,但目前的研究和计算主要集中在钢板桩单独受力的分析而考虑整体紧扣受力以及围檩和支撑结构对钢板桩受力变形的研究尚不完善。本文以实际工程监测数据为依据,通过MIDAS模拟分析得到相应的有限元结果,并与实测数据结果对比分析,为相关基坑工程的开挖安全提供参考。1质量方面220kV厚德电缆隧道明挖段工程南起220kV厚德变电站,沿后窖村内规划道路由东向西与广州大道南相交。线路总长度为557.34m,起止里程K0+000~K0+557.34,开挖深度6.5~12.25m。其中,K0+000~K0+260采用钢板桩加钢支撑的支护型式;明挖隧道段主体结构为宽4000mm×高4950mm的矩形框架结构。厚德电力隧道拟建场地原地貌为三角洲冲积平原。明挖隧道洞身范围内施工场地狭窄,地下管线少,主要为淤泥、砂层、粉质粘土层,基岩为泥岩。地下水中对钢结构具弱腐蚀性,地下水静水位为1~2m,含水层主要为基岩风化裂隙带。根据勘察结果,与基坑围护有关的主要地层及其岩土工程性质如表1所示:2钢板桩顶部相对位移本工程中明挖隧道洞身范围内施工场地狭窄,并且基点无法设置,难以利用全站仪监测钢板桩顶部水平位移,故改用钢尺收敛计监测施工过程中钢板桩顶部相对位移的变化情况进行分析反馈。钢板桩顶部相对位移监测点布置按220KV厚德电缆隧道工程明挖隧道段支护监测设计图进行,沿隧道开挖方向约每隔10m布置一对相对位移监测点,开挖区段测点布置详见图1。利用测量所得的相对位移数据,作出相对位移~时间曲线(图2),监测钢板桩支护变形情况,以确保隧道开挖及主体结构施工过程的安全。3土体开挖变形对钢板桩顶部相对位移的影响由于受施工场地及其周边环境因素影响,把电力隧道明挖段分若干区段分别施工。以下的监测成果分析反馈均以第四开挖区段为例。对第四开挖段钢板桩顶部相对位移进行观测,测得的数据如图2所示(正值为钢板桩顶部相对位移减小),分析结果如下:相对位移测点S35S36、S37在土体开挖应力释放后,钢板桩顶部相对位移随开挖深度变化在几天内陡峭上升,相对位移测点S35、S36、S37分别在相对位移14mm,140mm,146mm之后平缓。相对位移测点S35、S36、S37最大相对位移量分别为155.7mm164.0mm、166.3mm。4钢板桩的简化利用MIDAS/GTS对钢板桩进行数值模拟。将钢板桩简化为均匀厚度的钢板,拉森钢板桩IV的每延米的惯性矩是I=38600cm4/m,因此简化后的钢板桩厚度为:h3=12I/b=16.67cm,即0.1667m。用板单元模拟钢板桩,钢板桩的嵌固深度到达基岩。用梁单元模拟围檩;二节点杆单元模拟支撑;将土层简化为水平状各向同性的实体单元。利用GTS对钢板桩进行三维模拟有限元分析。4.1钢板桩等效厚度与相对位移数值模拟中通过改变钢板桩的等效厚度来模拟钢板桩之间的紧密程度。取两极限:在整个基坑开挖过程中,钢板桩始终处于单独受力状态(桩间联系不紧密);在整个基坑开挖过程中,钢板桩始终处于整体状态(桩间联系紧密)。在无围檩和支撑的条件,钢板桩单独受力与整体紧扣受力的模拟主要通过改变钢板桩的等效厚度来实现。钢板桩结构的起始受力状况基本上为各钢板桩单独受力,刚度远小于钢板桩墙的整体刚度(约为25%),因此拉森钢板桩IV的每延米的惯性矩是I=9650cm4/m,因此简化后的钢板桩厚度为:h3=12I/b=10.50cm,即0.1050m;钢板桩在基坑开挖后,锁扣紧扣,形成刚性墙,简化钢板桩等效厚度为0.1667m。图3和图4分别是Midas/GTS的数据模拟结果。比较图3和图4可知,钢板桩顶部相对位移的变形基本一致。图3中的最大相对位移发生在桩的上部,图4中桩的最大相对位移发生在桩的顶部。由于图4假设钢板桩的抗弯刚度大,不容易挠曲发生变形,而当基坑开挖到一定深度,侧向土压力增大,引起桩的中下部发生变形,从图4相对位移曲线可以看出桩的中上部为一稍微倾斜的直线,使得中上部发生了刚体位移。实际上,钢板桩的受力变形应该处于图3和图4所示的变形之间,虽然钢板桩弯曲变形达到一定程度,抗弯刚度提高不少,但是发生的相对位移还是很大,因此做围檩和支撑是必须的。4.2围和支撑对钢板桩相对位移的影响围檩和支撑结构对基坑结构的相对位移影响较大,分析在该工程地质条件下的最大相对位移,工况为不考虑围檩与支撑和考虑围檩与支撑结构两种情况。此分析阶段取从桩顶到桩低等效厚度为0.1050m、0.1323m、0.15145m、0.1667m数值模拟结果如图5和图6所示。由图5和图6可知,在不考虑围檩和支撑的工况下,钢板桩相对位移最大值为约540mm,发生在钢板桩的顶部位置;在考虑围檩和支撑的工况下,其相对位移最大值为约16mm,发生在钢板桩的中部位置。由监测数据(图2)可知,相对位移测点S35、S36、S37最终最大相对位移量分别为155.7mm、164.0mm、166.3mm,相对位移处于有围檩支撑和无围檩的相对位移之间。钢板桩相对位移产生不仅仅与钢板桩之间交合紧密程度有关(即抗弯刚度),而且围檩和支撑接触紧密与否有关。现取值桩几个网格点的相对位移值进行比较(如表2),在一定程度上能定量地说明钢板桩设置围檩支撑对相对位移的影响。从表2可以看出,围檩和支撑对控制钢板的水平相对位移贡献很大,比提高钢板桩的抗弯刚度的作用大好几倍(比较表2可知)。围檩和支撑对控制钢板的水平相对位移贡献从桩上部到桩下部呈递减趋势。这对钢板桩支护工程布置支撑有指导意义,若基坑深度较浅,可只在桩上部位置设置一道支撑,若基坑深度较深,则宜在桩中部加设一道支撑。5围和支撑结构控制钢板桩水平相对位移通过实测数据和MIDAS数值模拟分析,可以得出以下结论:(1)当钢板桩挤密后,形成刚性墙,整体刚度增大,相对位移变形比单独钢板桩受力变形的位移要小,钢板桩刚度提高75%,相对位移减少约20%。(2)围檩和支撑对控制钢板的水平相对位移贡献很大,其对控制钢板桩的水平相对位移贡献从桩顶到桩底呈递减趋势。同时,围檩和支撑结构控制钢板桩水平相对位移比提高钢板桩的抗弯刚度的作用高很多。合理布置支撑能更有效保证支护结构的安全,并对实际钢板桩支护工程布置支撑有指导意义。(3