▍钢板桩围护设计
利用有限元软件进行极限平衡设计和土-结构相互作用计算，与其对应，本文采用极限平衡设计进行计算。
计算模型有限元网格划分（单位：m）
钢板桩围护结构的一般设计流程为：①确定土质参数、地下水压力、荷载组合及几何条件等；②用极限平衡法进行极限状态失稳计算，确定钢板桩入土深度；③同②的方法计算钢板桩的弯矩、剪力及支撑力；④计算截面模量时，有必要对计算弯矩进行修正，按照英国标准《建筑用钢结构规范》BS5950，取修正系数为1.2。
工况1：施打钢板桩，开挖至第1道支撑（-1m处）。开挖至1m深度，安装首道支撑前钢板桩为悬臂结构。很明显后续工况中钢板桩所需长度和抗弯强度比此时大很多，因此工况1不需计算。
工况2：降水，开挖至第2道支撑（-4m处）。为提供足够的作业空间，假设第2道支撑安装时开挖至-4.5m处。在本工况中，开挖深度相对于钢板桩入土深度较小，认为桩端为固定约束。分别计算主动土压力及被动土压力，土压力分布如图1a所示。按此工况计算所需最短桩长为6.97m。由于最终开挖深度为7m，钢板桩长度≥7m，不用考虑将桩端视为自由支承的状况。
工况2与工况3土压力分布（单位：m）
工况3：开挖至基坑底面。考虑0.2m的超挖，被动区的计算开挖深度为7.2m。同样计算主动土压力与被动土压力，得到本工况土压力分布如图1b所示。按此工况计算所需桩长11.20m。工况2及工况3计算结果如表。
工况2及工况3计算结果
| 项目 | 工况2 | 工况3 |
| 所需桩长/m | 6.97 | 11.20 |
| 桩端最大弯矩/(kN·m)·m-1 | 154.26 | 297.24 |
| 第1道支撑受力/kN·m-1 | 94.61 | 47.70 |
| 第2道支撑受力/kN·m-1 | — | 256.80 |
采用S390GP钢，设计截面模量为（1.2×297.24×103/390）914.58cm3/m。建议增加85%的计算支撑荷载及极限设计荷载的1.2分项系数，则第1道支撑设计荷载为210.03kN/m，第2道支撑设计荷载为570.10kN/m。
▍钢板桩围护结构有限元计算模型
采用PLAXIS8.5建立有限元模型，模拟宽度为20m、经人工降水顺作法施工的基坑。根据实际工程经验，钢板桩一般适用范围为7m以内，模型中开挖深度He选取5，7，9，11m共4个值，对应每个开挖深度，围护结构均选取钢板桩、SMW工法和钻孔灌注桩3种，共12个模拟状况。计算模型边界距离基坑围护结构60m，整体二维尺寸为140m×60m。模型顶面为地表，视为自由边界，底部为固定边界。采用小应变硬化土模型（HSS模型）以更准确模拟黏土的变形性状，土层分布及物理参数与前文设计计算一致，按表1选取。降水对基坑的稳定有利，本文12个模型都模拟了降水开挖的过程以得到与实际更接近的结果。以开挖7m模型为例。
对于开挖7m的基坑，参考前文计算结果所需最短桩长为11.20m，此时插入比（（Hw－He）/He）仅为0.6，不符合实际工程统计数据（3种围护结构的平均插入比均＞1）。当插入比取1时桩端处于淤泥质黏土层，为非持力层。考虑到实际意义，将桩穿过淤泥质黏土层到达粉质黏土层并延长3m，取18m桩长。
相关变形量的数值模拟结果与实测统计数据比较
| 项目 | 模型开挖深度/m | ||||
| 5 | 7 | 9 | 11 | ||
| 围护形式 | 桩长/m | 10 | 18 | 19 | 24 |
| 插入比 | 1 | 1.57 | 1.11 | 1.18 | |
| 钢板桩 | 新日铁NSP-Ⅱw(截面系数:1000cm3/m) | ||||
| SMW工法 | H型钢450×150，桩径600mm | ||||
| 钻孔灌注桩 | Ф600mm@750mm | ||||
| 内支撑 | 钢管支撑:609mm，厚16mm | ||||
▍围护结构侧向变形量
钢板桩、SMW工法和钻孔灌注桩沿深度的侧向变形量δh如图所示。整体上看，3种围护结构的侧向变形规律一致，呈现出顶部和底部位移很小、中间位移大的形态，最大侧移量均出现在开挖面附近，水平支撑处由于支撑作用出现侧移反弯点，与徐中华收集的工程案例实测变形规律相一致。从侧向变形的控制能力上分析，钻孔灌注桩最好，钢板桩最弱，这与围护结构的刚度大小相关。
不同开挖深度围护结构侧移量
▍坑底土体隆起变形
当开挖到一定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和各种超载作用会使围护墙外侧土体向基坑内移动，使得基坑坑底产生向上的塑性隆起。而且围护结构为钢板桩时与SMW工法和钻孔灌注桩时坑底土体隆起变形规律相似，如图所示。整体上看，坑底回弹量随着开挖深度的增大而增大，均呈现围护结构附近回弹较大、基坑中间回弹较小的塑性隆起状态，以及因空间效应而使回弹量最大处与基坑脚部存在一定的水平距离，均与实际情况相似。开挖5m和7m时，围护结构的侧移量较小，坑底隆起量曲线呈现较为平稳的形态；开挖9m和11m时，围护结构侧移量较大，围护结构附近与基坑中部的隆起量差别较大，呈现明显的凹形。
不同开挖深度下的坑底隆起量
▍墙后地表变形量
模拟结果中墙后地表侧移量δu和地表沉降量δv如图所示，地表侧向位移和地表沉降是基坑开挖卸荷引起的围护结构侧向变形与坑底土体隆起共同作用产生的墙后土体变形在地表上的表现，因而其数据与围护结构侧移量和坑底土体隆起量有着类似特点。
围护结构后地表侧移量δu和地表沉降量δv
整体上比较，3种围护结构的墙后地表变形规律一致，侧向位移曲线与沉降曲线形态相似。侧向位移量小于沉降量，侧移量最大值所在水平位置比沉降量最大值所在水平位置均略为滞后，侧移的影响范围也略大于沉降的影响范围。地表最大侧移量与最大沉降量的比值δum/δvm，钢板桩最小，钻孔灌注桩最大，且都随着开挖深度的增加而减小。可认为钢板桩围护在基坑开挖中对环境的影响是三者中最小的，随着开挖加深，三者的影响有接近趋势，因此对于10m以内的基坑钢板桩围护在环境影响上有明显优势。
▍小 结
采用极限平衡法进行钢板桩围护结构设计计算后，参考计算结果选取围护结构材料参数，建立了4个不同开挖深度下围护结构分别为钢板桩、SMW工法和钻孔灌注桩共12个模型，得到的基坑变形形态与实际工程监测形态相似，并且在基坑变形的控制上，钻孔灌注桩的能力最强，钢板桩相对较弱。通过3种围护结构之间的比较，以及数值模拟计算结果与已统计实测数据均值的比较，分析得出以下结论。
（1）现生产出的新型高质量钢板桩在力学特性和变形上能满足要求应用到＞7m甚至10m的基坑工程中，得到更加广泛的应用；
（2）在钢板桩围护体系中多1道内支撑可将基坑变形降低到30%左右，此作用大约是在SMW围护体系中的3倍，在钻孔灌注桩围护体系中的5倍；
（3）钢板桩围护在基坑开挖中对环境的影响比SMW工法和钻孔灌注桩均小，但随着开挖加深，三者的影响有接近趋势，因此对于10m以内的基坑钢板桩围护在环境影响上更有明显优势；
（4）对于钢板桩围护结构设计，采用极限平衡法较为保守；二维有限元软件的局限性无法考虑实际钢板桩的锁扣情况，可在数值模拟取材料参数时以强度折减的方式替代。
来源：《施工技术》
作者：王理
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