帽型与H型钢组合钢板桩悬臂基坑支护力学特性数值模拟①
时间：2023-05-28 20:20:26 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
□□ 张锋春，李 鑫，白子凡，董卓然 (东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)
随着国内工业实力的提升，越来越多的钢铁企业具备了生产钢板桩的能力，因此，作为一种便捷、高效、支撑与阻水兼具的基坑支护形式，钢板桩及其组合桩近些年得到大力推广应用[1-2]。但相关研究及规范相对较少，尤其是组合钢板桩方面。标准与规范方面，国内关于钢板桩的内容散见于国家、地方的基坑工程规范或标准[3-5]当中，关于组合钢板桩的规范则相对较少，仅在部分规范[6-7]中提及，但涉及不够深入、具体。组合钢板桩科研方面相对也较少[8-9]。
拟通过对独立帽型钢板桩基坑支护与帽型及不同型号H型钢组合桩悬臂基坑支护进行数值模拟，根据模拟结果对桩体的正应力、剪应力、米塞思应力等力学特性进行分析。
数值模拟采用大型有限元分析软件ANSYS进行，分析模型为三维模型，模拟均质土体中插入不同类型悬臂钢板桩后的力学形态。桩型为6个类型：独立的NS-SP-10H型帽型钢板桩(下文简称“M桩”)、M与H400×300型钢(下文简称“H400”，其他类推)组合桩、M与H500×300型钢组合桩、M与H600×300型钢组合桩、M与H700×300型钢组合桩、M与H800×300型钢组合桩。钢板桩与型钢连接采用焊接方式。取支护桩桩长为12 m，基坑深为5 m，嵌固段为7 m，坑外土体取坑外10 m为外边界，坑底土体取坑内5 m为内边界，为了着重研究支护桩的力学形态及提高计算效率，并考虑基坑支护的平面应变效应，沿基坑支护边缘方向取单个钢板桩(组合桩)宽度作为模型宽度，由于所用H型钢宽度都小于所选NS-SP-10H帽型钢板桩宽度900 mm，所以模型宽度选900 mm。模型左右、前后以及模型地面分别取垂直模型外表面方向的约束，荷载取土体的重力荷载。基坑支护结构安全等级二级。帽型钢板桩数值模型如图1所示。
图1 数值分析模型(独立帽型桩)
计算参数的选取包括土体与钢板桩的参数选取。土体参数选取沈阳市地表典型的砂砾土，具体力学参数见表1。帽型桩及H型钢钢材牌号均选取Q355，弹性模量取206 GPa，泊松比取0.3，密度取7 850 kg·m-3，其他参数选用T/CECS 720—2020《钢板桩支护技术规程》[6]，详见表2。
表1 土体参数表
表2 钢板桩(组合桩)参数表
分别对上述6个模型进行数值分析计算，现对模拟结果的正应力、剪应力、米塞思应力进行分析。
2.1 各桩正应力对比分析
不管是单独钢板桩还是单独H型钢桩，以及二者结合的组合桩，土压力作用下产生的沿桩体轴向拉、压应力都是基坑支护分析关注的基本力学指标。图2、图3分别为各桩型轴向主应力云图与轴向最大主应力截面云图，其中红色区域为最大拉应力区域(拉为正值)，深蓝区为最大压应力区域(压为负值)，中间色为从拉应力到压应力的过渡数值色。文中其他图色代表含义与此相同，不再赘述。
图3 各桩轴向最大主应力截面云图
从各桩型轴向主应力形态情况来看，不管是独立帽型钢板桩还是组合桩，最大主应力都发生在坑底部位偏靠下位置，且坑外侧翼板(或腹板)对应最大拉应力，坑内腹板对应最大压应力，且最大拉应力与最大压应力基本处于相近的水平面，桩顶和桩底轴向主应力都很小，说明从拉、压正应力的角度，最大荷载位于坑底位置左右，符合传统悬臂桩的受力特点。
从主应力大小来看，独立帽型桩支护主应力最大，且拉、压应力基本相等，在106 MPa左右，考虑1.25倍作用组合综合分项系数、支护结构重要性系数为1.0，拉应力设计值为132.5 MPa，依然小于钢板桩抗拉、抗压强度设计值。对组合桩而言，H型钢的加入，大大提升了组合桩的承载能力。同样条件下，最大拉、压应力都大幅下降，下降最大的为M与H800组合桩的最大拉应力为12.9 MPa，比单独的帽型桩最大拉应力下降87%，下降最小的M与H400最大拉应力也下降72%，意味着相较单独的帽型桩悬臂支护，组合桩的承载能力得到极大幅度的提升。组合桩的轴向主应力的另外一个特点是，最大拉应力与最大压应力数值不等，且最大拉应力普遍大于最大压应力，这与帽型桩及组合后组合桩双侧的截面模量不等有关。
各桩轴向最大拉、压应力如图4所示。从图4可以看出，就组合桩而言，最大拉、压应力基本随着H型钢桩高度的增长而下降，这与组合桩随着型钢高度增加惯性矩增加，进而导致抗弯刚度增加有关。
图4 各桩轴向最大拉、压应力
2.2 各桩剪应力对比分析
常规的板式支挡结构设计验算，除了关注支护结构正应力，另外一项基本受力验算为桩体横向剪应力验算，因而对模拟的桩体横向剪应力进行对比分析，各桩型横向剪应力云图与横向最大剪应力截面云图如图5和图6所示。
图5 各桩横向剪应力云图
图6 各桩横向最大剪应力截面云图
从剪应力分布来看，M桩的最大剪应力位于两侧翼板处，组合桩的最大剪应力位于H型钢腹板处，与常规的单独帽型桩或H型钢剪应力最大部位一致。需要注意的是，从剪应力截面云图可以看出，组合桩中除了H型钢腹板处为最大剪应力部位外，剪应力次高发生在M桩两侧翼板，所以在验算中，如果M桩和H型钢选用相同牌号钢材，剪应力验算则只验算H型钢腹板即可；
如果M桩与H型钢选用不同牌号钢材，则需要分别对H型钢腹板与M桩翼板进行剪应力验算。另一方面，单独M桩支护与组合桩支护的整个桩体均出现两个剪应力极值截面，而且随着由M桩变为组合桩、组合桩H型钢高度增加，两极值间距趋于增大，对应于两个反弯点位置的变化。
剪应力数值如图7所示。由图7可知，单独M桩截面剪应力最大，为18.6 MPa，增加H型钢后截面最大剪应力急速下降，下降最多为M与H800组合桩，最大截面剪应力为2.1 MPa，下降幅度为88%；
下降最少为M与H400组合桩，最大截面剪应力为4.1 MPa，下降幅度78%。说明相较单独M桩支护，组合桩可以极大降低桩体截面剪应力。另外，对组合桩而言，截面最大剪应力随着H型钢高度增加，M桩与H型钢截面最大剪应力相应较小，但随着型钢高度减小的幅度趋缓。
图7 M桩与H型钢横向最大剪应力
2.3 各桩米塞思应力对比分析
大多数工程中的材料往往处于复杂的应力状态，就钢板桩与组合桩而言，土压力作用下桩体不同部位处于不同的应力状态，尤其是应力集中部位应力状况复杂，根据第四强度理论(形状改变比能理论)，从模拟结果中提取米塞思等效应力，比较分析复杂应力状态下桩体的受力状况。
各桩型的米塞思应力云图与最大米塞思应力截面云图如图8和图9所示。图中此处最深蓝数值为0，向红色数值逐渐变大。从图中可以看出，最大米塞思应力基本都处于桩体中部，组合桩最大值均位于H型钢外侧翼板部位，与桩体最大拉应力基本对应，次级米塞思应力位于M桩坑内侧翼板处，对应于桩体最大压应力部位，而最小的米塞思应力除了两端受力很小外，在最大米塞思应力截面，最小米塞思应力值均位于H型钢腹板处，可见从第四强度理论来看，组合桩最危险部位为坑外侧H型钢翼板。
图8 各桩米塞思应力云图
图9 各桩最大米塞思应力截面云图
各桩最大米塞思应力如图10所示。由图10可知，M桩米塞思应力最大，为96.6 MPa，最小为M与H800组合桩，米塞思应力降幅88%，与最大主应力降幅、最大剪应力降幅基本相同；
降幅最小为M与H400组合桩，最大米塞思应力降幅为69%。另外，组合桩最大米塞思应力随着H型钢高度增加近似线性下降。
图10 各桩桩体最大米塞思应力
3.1 帽型钢板桩在与H型钢组合形成组合钢板桩后，其抗拉压、抗剪切能力得到大幅提高，本文工况下，M与H400～H800组合桩较单独M桩最大拉应力值下降范围为72%～87%，最大剪应力值下降范围为78%～88%。
3.2 从传统的正应力、剪应力受力形态来看，相较单独的M型桩，组合桩最大拉压应力分别集中于H型钢坑外侧翼板与M桩坑内侧腹板，且最大拉应力普遍大于压应力；
组合桩的最大剪应力主要集中于H型钢腹板与M桩翼板处，且H型钢腹板处较M桩翼板处大。如果组合桩的M桩与H型钢桩采用相同的钢材牌号，则正应力验算H型钢坑外侧最大拉应力、剪应力验算H型钢腹板最大剪应力即可，如果采用不同钢材牌号，则要增加M桩坑内侧腹板最大压应力与翼板最大剪应力验算。
3.3 考虑复杂应力情况，运用第四强度理论，可以看出组合桩最危险位置为桩体中部的H型钢坑外侧翼板部位与M桩坑内侧腹板部位，组合桩两端及界面中部为最安全区域。
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