无内支撑钢板桩围堰施工数值模拟研究

李清海 邱梅添 李诚 马湛雄 莫家玮

摘  要：钢板桩围堰是水下工程施工经常采用的一种支护结构，其在施工环境中受到较大水压力作用，且检修维护困难，因此其施工安全尤为重要。本文以中国澳门南湾湖1号名胜世界（金银岛酒店）的钢板桩围堰建设工程为例，采用有限元软件ABAQUS建立无支撑钢围堰数值模型，分析了多种型号钢板围堰在不同工况下的受力情况。结果表明，无支撑钢板围堰桩采用FSP-III和FSP-IIIA类型的拉森钢板材料能够满足施工承载力和变形要求。

关键词：无支撑钢板围堰桩;拉森钢板;有限元

中图分类号：U445.556    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）09-0000-00

0 概述

钢板桩围堰是在沿海建筑，跨海、跨河桥梁等工程中常见的一种支护结构，其具有施工速度快、可重复使用、组合形式灵活等特点，同时拉森钢板的套形锁口使其具有较强的防渗透性能，因此其被广泛用于深水基础承台施工的围堰工程中[1，2]。

在钢围堰施工过程中，内侧抽水、挖土等工序会导致其产生较大的弯矩，具有较高危险性，同时在实际工程中和试验中难以准确评估[3]。基于此，本文采用等值梁法分析钢板桩围堰的约束和受力条件[4]，并采用Abaqus有限元软件对中国澳门南湾湖1号名胜世界（金银岛酒店）建设工程的围堰钢板桩的施工过程进行力学模拟分析，为工程实践提供理论基础和指导。

1 有限元计算参数确定

1.1 土的性质

简化计算中假设河床仅存在上下两种不同土层，且土质均匀、土体饱和，土体基本信息见表1。

1.2 主、被动土压力的计算

钢板围堰采用无内支撑的悬臂式支护结构，钢围堰高出水面1.6m。南湾湖沿岸水深约为2.4m，并在钢围堰内侧向下开挖2.6m，挖走淤泥土1.8m，挖走粉土0.8m。由于钢板围堰桩处于沿河地区，因此钢围堰内外侧水位线都将在土层以上。出于安全考虑，主动土压力、被动土压力的计算均采用水土分算法（即土压力为按土的浮重度计算的有效土压力与土体间孔隙水的水压力之和）[5]。计算土压力零点为表土层面以上0.8m，假定其为0。同时由于土压力零点和反弯点位置接近，可以认为土压力零点位置为反弯点位置[6]，即反弯点的位置在土层表面。计算非匀质土的嵌固深度为H=5.304m[7]。本文在有限元计算模型中采用等值梁法，即认为嵌固深度内的钢围堰（即钢围堰下端5.4m范围内）是固接的。

1.3 计算工况的设置

围堰的主要施工工序包括先插打钢板桩并合拢，之后进行抽水与挖土的工作。因此施工计算过程可以分为以下几个工况：

（1）钢板桩插打工作结束后，将围堰内侧的水抽干。（2）设河床的标高为±0.00m，开挖钢围堰内侧全部淤泥土，即下挖至-1.80m。（3）开挖钢围堰内侧部分粉土，下挖增加0.8m，即下挖至-2.6m。

在有限元模型中，通过施加不同阶段的静水压力、主动土压力、被动土压力至围堰中体现不同工况效果。随着抽水及下挖的进行，围堰受压力逐渐增加。通过有限元分析各工况中围堰的受力与位移情况，计算施工过程的可靠性。

2 有限元计算过程

2.1 钢围堰本构模型的选择

围堰施工采用拉森钢板桩，型号为FSP-Ⅲ，级别为S275。钢材的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。钢材的屈服强度为275MPa，拉伸强度为410MPa，取断后钢材的塑性应变为εup=0.2186[8]。钢材的本构关系可采用双线性的弹塑性模型。

2.2 有限元软件计算

有限元模型的建立。鋼板桩长为12m，截面根据标准[9]中多种常见型号拉森钢板（FSP-IA、FSP-II、FSP-III、FSP-IV、FSP-VL、FSP-VIL、FSP-IW）的实际尺寸进行分别建模和讨论。同时，根据工程中钢板桩围堰的布置形式的不同，对比和考察直线型和曲线型两种布置方式下的钢围堰受力状况。钢围堰将采用壳单元进行三维建模。考虑钢围堰变形特点，在钢围堰两侧作平行于钢围堰方向的位移和垂直于拉森钢板长度方向与垂直于钢围堰方向的转角的边界约束条件。

3 有限元参数分析与讨论

3.1 不同型号拉森钢板的影响

不同型号拉森钢板组成的钢围堰在施工过程中其最大应力-位移关系如图1所示。其中FSP-IA由于板厚过小等原因，其计算结果不收敛。同时发现其在计算终止时的最大应力超过了屈服应力，其顶点最大位移达到了27cm，这不符合工程安全要求，因此表明FSP-IA不适用于该类围堰工程施工。

而对于其他的拉森钢板规格，其受力状态均在弹性范围内。根据钢板的允许挠度[f]=L/400=30mm，除了FSP-IA和FSP-IIW型号的钢板外，可以得到对于FSP-III仅在静水压力下的计算结果符合要求，其他规格的钢板也是符合的。其中在考虑价格和钢材充分使用的角度上，FSP-III和FSP-IIIA较符合实际工程的应用。

图2为FSP-II的位移云图（变形放大3倍以便于观察）。其中应力主要集中在固接与自由端交界处，即说明钢围堰在此的反力是最大的，这与土力学计算中最大弯矩处的位置相吻合。

3.2 不同布置形式的影响

本次计算分别取FSP-II与FSP-III进行直线型和有一定曲率的曲线型布置的钢围堰进行对比分析。取两种拉森钢板组成曲面钢围堰为FSP-II-C、FSP-III-C，均以圆弧凸方向为钢围堰内侧，即在圆弧凹方向受水压力和主动土压力作用;同时取FSP-II-C2、FSP-III-C2的圆弧凸方向为钢围堰外侧。不同布置形式的FSP-II和FSP-III钢板组成的钢围堰在施工过程中最大应力和最大位移见表2。

由表2可知，曲面的钢围堰的应力和最大位移明显小于直线型布置的钢围堰。这是由于曲面布置的钢围堰具有一定的拱效应，其可将压力向两侧传递，使得钢围堰的应力和位移减小。其中对于FSP-II弧形布置的承载力和变形能力均已满足各项要求。因此在实际工程中，可以尽量采用钢围堰弧线型布置方式，同时间隔加上钢柱作为侧力支撑，以达到减小钢板厚度，降低成本的目的。

4 结论

对于无内支撑的钢板围堰施工过程受力的有限元计算结果与实际工程结果吻合良好，通过对计算结果分析可知：土体对不同钢板类型受力情况的影响有所差异，其中不建议采用FSP-IA和FSP-III钢板类型进行围堰施工，而在考虑经济安全因素下，适宜选用FSP-III和FSP-IIIA类型钢板材料。同时，应尽可能采用弧线型布置形式，以达到更好的围堰施工受力效果。

参考文献

[1] 李迎九.钢板桩围堰施工技术[J].桥梁建设，2011（2）：76-79+84.

[2] 汤劲松，熊保林.钢板桩围堰设计的土压力计算方法探讨[J].岩土工程学报，2014（S2）：36-41.

[3] 潘泓，王加利，曹洪，等.钢板桩围堰在不同施工工序下的变形及内力特性研究[J].岩石力学与工程学报，2013（11）：2316-2324.

[4] 杜闯，丁红岩，张浦阳，等.钢板桩围堰有限元分析[J].岩土工程学报，2014（S2）：159-164.

[5] 陈愈炯，温彦锋.基坑支护结构上的水土压力[J].岩土工程学报，1999（2）：3-5.

[6] 田仲初，谢彬，蒋田勇，等.基于等值梁法的单层钢板桩围堰有限元分析[J].公路交通科技（应用技术版），2017（2）：193-198.

[7] 芦友明，姜安龙，邱明明.考虑施工过程的等值梁法在基坑设计中的应用[J].江西理工大学学报，2012（5）：39-43.

[8] BS EN 10248-1-1996.非合金鋼热轧制板桩[S].

[9] GB/T 20933-2007.热轧U型钢板桩[S].

收稿日期：2020-08-06

作者简介：李清海（1989—），男，北京人，本科，工程师，研究方向：基础工程受力分析及施工技术。