T 型钢板桩在淤泥类软土基坑工程中的适用性研究

蔡维龙

（广东省重工建筑设计院有限公司，广州 510670）

1 引言

近年来，钢板桩凭借其成本低、质量轻、强度高、施工便利和止水性能好的优点，已广泛运用于防洪防灾、基坑支护、建设码头等工程中。

但通过对大量的工程项目分析发现，淤泥类土除了自身抗剪强度较低、含水量较高的特点，还具有明显的流变性，无疑加大了控制基坑变形的难度，因此，基坑支护是该类基坑施工的难点[1]。由于普通钢板桩在淤泥类软土基坑工程中的适用性不强，因此，对拉森IV 新型钢板桩进行改造，形成了适用于淤泥质地层中的支护体系。

2 T 型钢板桩及其特点

T 型钢板桩由如图1 所示的2 种基本形式构成。在此基础上进行组合可以形成多种适用于淤泥质地层中T 型钢板桩支护结构，具体形式如图2a、图2b 所示。

T 型钢板桩是拉森IV 新型钢板桩的延展和扩充，继承了拉森IV 新型钢板桩的一切优点，同时也克服了其刚度相对不足的缺陷。由于T 型钢板桩是使用钢板作为支护体系的基础，因此，可以避免传统支护方式容易产生的某些质量问题。一方面可以减少对周围土体的扰动，且没有明显的挤土效应，进而减弱对邻近建筑物的影响；另一方面也可以避免混凝土灌注桩施工过程中的处理泥浆的问题，既可以简化施工，还可以缩短施工周期，使其拥有更好的经济效益和安全性能。

图1 T 型钢板桩的基本形式

图2 不同支护结构T 型钢板桩

T 型钢板桩的特点可以总结为以下几点：（1）承载能力强。T 型钢板桩截面组合形式使其刚度远大于非组合型钢板桩。（2）止水性好。桩间连接处锁口紧密咬合，能有效防止水的渗入。（3）适用范围广。T 型钢板桩的设计使用是针对淤泥类软土，因此，可以适用于大部分土质的基坑，并且施工可以不受天气的制约。（4）经济实用。钢板桩可重复使用，简化施工工艺的同时，还能充分实现经济效益。（5）安全性能好。T型钢板桩的规范施工使其面对突发情况时具有更好的安全性能。

3 基于AbAquS 的数值模拟法

3.1 AbAquS 有限元软件介绍

土抗力法、极限平衡法和有限元法是国内计算和分析基坑稳定性的主要3 种方法。其中的有限元法，既克服了极限平衡法不能分析检测过程中位移应变的缺陷，也避免了土抗力法完全弹性等不符合实际的假设条件，在此基础上还能够处理分析区域的复杂特征。本节结合ABAQUS 有限元软件，简述土体的本构模型、接触面相互作用模型和单元生死功能，以此为基础来模拟基坑开挖的全过程，同时较为全面地计算和分析不同形式的钢板桩的支护效果。

3.1.1 土体的本构模型

本文基坑数值模拟中土体的本构模型采用的是Mohr-Coulomb 屈服准则。该准则中Mohr 认为土体的破坏模式是剪切破坏，并且假设剪应力的极限值与该平面上的正应力相关，而不是一个常数，见式（1）：

式中，τn为极限抗剪强度，MPa；σn为剪切面上的法向应力，以受拉为正，MPa；c 为黏聚力，kPa；φ 为内摩擦角，（°）。

通常，随着静水应力的增加，土体的内摩擦角会相应减小。但静水应力不大时，可以认为是一个常数，此时屈服曲线为一条直线，可表示为式（2）：

3.1.2 接触面相互作用模型

在钢板桩和土体的接触面处需要考虑切向力和法向力[2]，本文采用的这种法向行为被称作硬接触。当接触面存在空隙时，接触面不能传递法向压力p，只有当接触面两边的物体压紧时才可以传递法向压力，且接触时所传递压力的大小没有限制。

接触面的切向力学行为使用的是摩擦模型，即切向应力的传递需要接触面上存在法向压力。当摩擦力（即切向应力）大于其极限值时，接触面呈现滑移状态，反之则认为接触面处于黏结状态。其中极限剪应力可通过式（3）表示：

式中，μ 为摩擦系数。

特殊情况下，接触压力过大会导致极限剪切应力超过土体真实的极限剪应力值，这时就需要自定义一个恰当的最大剪应力τmax。

3.1.3 单元生死功能

本文基坑中土体的开挖采用单元生死功能来模拟。模型开始计算时，系统会自动储存计算移除面上的节点力，随后在相应的开挖分析步中逐渐减少到零，以此来模拟单元的移除。

3.2 工程概况

建设场地位于广东佛山市乐从镇，原场地为鱼塘、农田。根据场地附近地质勘察相关资料，选取主要的标准土层作为地质模型。具体参数见表1。

表1 地层相关参数取值

3.3 模型建立

本文的建模分析基于有限元软件ABAQUS。基坑模型宽10m，深6m，基坑四周均进行支护，为简化模型，仅取一侧开挖土体和钢板桩支护作为研究对象，土体单元采用莫尔-库仑屈服准则。同时，钢板桩到土层边界宽度取20m，以此来减弱边界效应对钢板桩支护的影响，基坑开挖几何模型如图3 所示。

图3 基坑开挖几何模型

在本几何模型中，默认钢板桩间连接情况良好，在模拟中考虑土体和钢板桩之间的接触，土体的相关参数见表1。为研究T 型钢板桩支护在淤泥质土体基坑中的支护效果，现分别考虑普通单排和单、双排T 型用于该基坑模型时的支护效果。

3.4 基坑支护模拟结果分析

开挖完成后，普通单排钢板桩、单排和双排T 型钢板桩的支护侧向水平位移曲线如图4 所示。

图4 支护侧向水平位移曲线

由图4 可知，桩身的最大侧移变形均发生在桩顶，普通的单排钢板桩的桩身侧移量显著大于单、双排T 型钢板桩。根据组合钢板桩截面形状的特点可知，相较于单排钢板桩，单排T 型钢板桩通过对不同形式钢板桩进行组合，形成了一个截面模量更大，刚度也更大的截面形式，所以单排T 型比普通单排钢板桩能更好地控制支护结构的侧移，而双排T 型钢板桩在这方面的效果则又更为明显。

坑底土体会随着基坑开挖的逐步进行而隆起，同时可能会导致整个支护结构朝上移动，严重时还会导致工程桩的断裂，图5 给出了基坑坑底隆起图。土体隆起的最大值均出现在距钢板桩支护约3m 处，且图像大致呈凸线型。随着基坑开挖，坑底土体因为卸载回弹和基坑下部支护不稳定而隆起。对比图5 中3 条曲线可知，相比于普通的单排钢板桩，2 种T型钢板桩都能一定程度上控制支护结构的变形，进而减少坑底的隆起量。

图5 基坑坑底隆起图

除此之外，基坑附近地表沉降也是基坑开挖引起的显著现象，具体情况如图6 所示。随着基坑的逐步开挖，周围土体的应力状态会发生变化，进而导致钢板桩发生位移变形的同时坑外地表发生沉降[3]，特别是对于淤泥质地层，地表沉降则更为显著。T 型钢板桩不仅对桩后土体提供了支护力，还有类似复合地基的加固作用。由图6 可知，刚度更大的双排T 型钢板桩能更加有效地减小坑边地表沉降，保障周围施工环境的安全。

图6 基坑边沉降位移曲线

4 结语

通过上述有限元模型分析可知，在淤泥类软土基坑工程中，由于其截面特性，3 类钢板桩刚度由大到小依次为双排T型钢板桩、单排T 型钢板桩、普通单排钢板桩。因此，在对比了桩身侧移、坑底土体隆起和坑边地表沉降3 个方面的变形后可知，双排T 型钢板桩的支护效果最好，单排T 型钢板桩效果次之，普通单排钢板桩效果最差。

由于淤泥类软土的特点，对于支护的刚度要求更大，同时因为淤泥压缩性大，会导致基坑的变形格外明显，对工程的危害也更大。在软土地层中，T 型钢板桩及其不同组合结构，既解决了淤泥质土中围护结构刚度不足的问题，还满足了控制坑边地表沉降和坑底土体隆起量的要求。

综上所述，T 型钢板桩比普通钢板桩更适用于淤泥类软土基坑工程。同时，T型钢板桩具备止水性能好、承载能力强、经济效益好、安全性能高及应用范围广的特点，因此，该研究成果的应用前景十分广阔。