板樁懸臂長度對(duì)護(hù)岸變形及穩(wěn)定性的影響研究

王福喜，陳 龍，劉 旭

板樁懸臂長度對(duì)護(hù)岸變形及穩(wěn)定性的影響研究

王福喜1,2，陳 龍1,2，劉 旭1,2

（1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098）

以杭平申線航道平湖段升級(jí)改造工程為依托，基于有限元程序，考慮老護(hù)岸影響，對(duì)不同懸臂長度的板樁護(hù)岸進(jìn)行清淤試驗(yàn)?zāi)M，對(duì)比分析不同懸臂長度的板樁護(hù)岸有限元計(jì)算的水平位移、板樁內(nèi)力、及其護(hù)岸穩(wěn)定性，同時(shí)分析研究不同入土深度條件下懸臂長度對(duì)板樁護(hù)岸的影響規(guī)律。結(jié)果表明：考慮老護(hù)岸作用下，在板樁與老護(hù)岸的重疊區(qū)域，板樁的懸臂長度對(duì)護(hù)岸的變形破壞趨勢(shì)有較大影響，但對(duì)板樁的內(nèi)力影響很小，板樁懸臂長度的減小有助于護(hù)岸的穩(wěn)定性，但當(dāng)板樁頂端低于老護(hù)岸底端時(shí)，隨著懸臂長度的減小，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)FOS開始減小，并且隨著入土深度的增加，懸臂長度對(duì)護(hù)岸穩(wěn)定性的影響越小。

老護(hù)岸；懸臂長度；水平位移等值線；入土深度；穩(wěn)定性

隨著國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，重視低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，內(nèi)河航運(yùn)由于其自身的優(yōu)勢(shì)具有良好的發(fā)展前景。U型板樁作為擋土結(jié)構(gòu)類型之一，板樁護(hù)岸具有結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，較好的承載能力、施工效率高、減少征地等優(yōu)點(diǎn)，使其在內(nèi)河航道護(hù)岸工程中已被逐步推廣應(yīng)用。相應(yīng)地，在很多內(nèi)河航道升級(jí)改造工程中，都會(huì)遇到老護(hù)岸存在的問題，由于缺乏相應(yīng)的研究，給工程優(yōu)化帶來較大的困難。曾有不少學(xué)者對(duì)板樁進(jìn)行過相關(guān)研究[1-7]。但僅限于板樁墻后堆載，且優(yōu)化設(shè)計(jì)研究也只考慮入土深度和板樁截面，對(duì)于老護(hù)岸的擋土作用和板樁懸臂長度優(yōu)化的研究幾乎沒有。本文基于有限元程序，考慮老護(hù)岸作用，分別對(duì)不同懸臂長度的板樁護(hù)岸進(jìn)行清淤試驗(yàn)?zāi)M，為板樁進(jìn)一步在老護(hù)岸存在的航道升級(jí)工程中的優(yōu)化應(yīng)用提供理論支持。

1 工程概況

杭平申線航道由五級(jí)航道改造升級(jí)為三級(jí)航道項(xiàng)目是浙江省實(shí)施港航強(qiáng)省戰(zhàn)略以及實(shí)現(xiàn)內(nèi)河水運(yùn)復(fù)興的重要基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。杭平申線主線平湖境內(nèi)段全長為32.52 km，該地區(qū)屬于沖湖平原區(qū)。護(hù)岸結(jié)構(gòu)采用U型板樁護(hù)岸方案，板樁在老護(hù)岸臨水側(cè)約2 m位置形成板樁連續(xù)墻，斷面見圖 1。

圖 1 新型板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)示意圖 單位：mFig.1 The sketch map of a new type of sheet pile revetment structure Unit：m

根據(jù)平湖段的勘察報(bào)告，同時(shí)為了方便計(jì)算，將土性指標(biāo)相近的土層結(jié)合，地層自上而下簡化為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉土三層，同時(shí)為了數(shù)值模擬的需要，通過經(jīng)驗(yàn)值確定土層的泊松比和材料界面作用系數(shù)Rinter，整理后各土層土體模型參數(shù)見表1，地下水位主要受季節(jié)性影響，設(shè)計(jì)最高通航水位為1.96 m，設(shè)計(jì)最低通航水位0.46 m，試驗(yàn)期間水位為1.06 m。高程系統(tǒng)為黃海高程。

2 有限元二維模型建立

考慮邊界效應(yīng)的影響，確定計(jì)算模型的長度為60 m，高度為24.5 m。由于航道兩側(cè)護(hù)岸是對(duì)稱的，故只需對(duì)護(hù)岸一側(cè)進(jìn)行模擬。模型中老護(hù)岸、板樁及帽梁等混凝土結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用線彈性模型；板樁采用板單元模擬，土—結(jié)構(gòu)接觸面采用界面單元模擬，模型中各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表 2所示。

表 2 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 2 The parameters of structure

模型邊界采用底邊固定約束，兩側(cè)為水平約束，老護(hù)岸高度為2.5 m，水位標(biāo)高位于24.0 m處，初始水深1.5 m，模型滲流邊界條件設(shè)置為底端和兩側(cè)為隔水邊界。土層為三層，自上而下依次是粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土和粉土，厚度分別為0.5、6和16.5 m。

以清淤后入土深度為1 m的板樁為例，懸臂長度分別采用為5、4.5、4、3.5、3、2.5 m，其中懸臂長度為3 m時(shí)，板樁頂端剛好與老護(hù)岸底端承臺(tái)相對(duì)應(yīng)，懸臂長度為2.5 m時(shí)，板樁頂端則剛好位于老護(hù)岸底端下方。

樁前共進(jìn)行3次清淤，每次清淤1 m，清淤后板樁最終入土深度均為1 m。如圖 2為懸臂長度為5 m時(shí)的板樁護(hù)岸模型網(wǎng)格劃分圖。

為了能夠充分考慮老護(hù)岸作用，即擋土和堆載作用。在有限元分析過程中，采用分步施工的方法，先讓老護(hù)岸在原始航道中保持穩(wěn)定作為初始狀態(tài)，并計(jì)算初始應(yīng)力，然后在老護(hù)岸的基礎(chǔ)上分步施工，依次進(jìn)行打樁、澆筑帽梁、填土和清淤，如圖 3所示。

表 1土層的模型參數(shù)Tab. 1 Model parameters of soil

圖 2 懸臂長度為5 m的板樁護(hù)岸模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Meshing figure of sheet pile revetment with 5 meters cantilever length

圖 3 模擬分步施工過程Fig.3 Simulating the staged construction

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

以清淤后入土深度為1 m的板樁為例，對(duì)比分析不同懸臂長度的板樁護(hù)岸的水平位移、板樁剪力及整體穩(wěn)定性。此外還進(jìn)行了不同入土深度下板樁懸臂長度對(duì)護(hù)岸的影響規(guī)律研究。

3.1 水平位移分析

通過3次清淤后，不同懸臂長度的板樁入土深度均為1 m，其清淤后的水平位移分布云圖分別如圖4所示，各云圖比例尺相同。

根據(jù)其水平位移云圖，可以看出，隨著板樁懸臂長度的減小，其護(hù)岸水平位移也逐漸減小。且其位移等值線大致可分為三種情況：老護(hù)岸后土體水平位移等值線與水平線呈小于90°、等于90°、大于90°這三種情況見圖5。

3.1.1 水平位移等值線與水平線小于90°

老護(hù)岸后土體水平位移等值線與水平線呈小于90°時(shí)，對(duì)應(yīng)懸臂長度為5 m和4.5 m兩種情況，做其老護(hù)岸后土體剖面，取其水平位移如圖6所示：

如圖6所示，可以明顯看出其土體上部位移大于下部位移，說明上部土體的張拉破壞產(chǎn)生的水平位移大于下部土體剪切破壞產(chǎn)生的水平位移，所以護(hù)岸最終的破壞形式趨于以上部土體張拉破壞為主的傾倒破壞。

圖4 不同懸臂長度板樁消淤后的水平位移分布云圖Fig.4 Horizontal displacement of sheet piles after desilting for different cantilever lengths

圖5 岸后土體三種水平位移等值線示意圖Fig.5 The sketch map of three types of horizontal displacement contour of soil behind revetment

圖 6 懸臂長度5 m板樁護(hù)岸土體剖面水平位移Fig.6 The horizontal displacement of soil profile behind revetment with 5 meters cantilever length

3.1.2 水平位移等值線與水平線大于90°

老護(hù)岸后土體水平位移等值線與水平線呈大于90°時(shí)，對(duì)應(yīng)懸臂長度為3 m和2.5 m兩種情況，做其老護(hù)岸后土體剖面，取其水平位移如圖 7所示：

圖 7懸臂長度2.5 m板樁護(hù)岸土體剖面水平位移Fig.7 The horizontal displacement of soil profile behind revetment with 2.5 meters cantilever length

如圖7所示，可以明顯看出其老護(hù)岸后上部土體水平位移小于下部土體，此時(shí)說明下部土體受剪切破壞產(chǎn)生的水平位移大于上部土體受張拉破壞產(chǎn)生的水平位移，故護(hù)岸最終趨于以下部土體剪切破壞為主的滑移破壞。

3.1.3 水平位移等值線與水平線等于90°

老護(hù)岸后土體水平位移等值線與水平線呈等于90°時(shí)，對(duì)應(yīng)懸臂長度為4 m和3.5 m兩種情況，做其老護(hù)岸土體剖面，取其水平位移如圖 8所示：

圖8 懸臂長度4 m板樁護(hù)岸土體剖面水平位移Fig.8 The horizontal displacement of soil profile behind revetment with 4 meters cantilever length

如圖所示，可以明顯看出在一定區(qū)域內(nèi)，其上部土體水平位移和下部水平位移相差微小，說明此時(shí)老護(hù)岸后方上部土體和下部土體受剪切和張拉產(chǎn)生的水平位移相近，護(hù)岸既不表現(xiàn)出傾倒破壞，也不表現(xiàn)出滑移破壞。但當(dāng)護(hù)岸在受到某種外在偶然作用時(shí)，則既可能發(fā)展為傾倒破壞，也可能發(fā)展為滑移破壞。3.2 板樁內(nèi)力分析

3次清淤后，即板樁入土深度為1 m時(shí)，不同懸臂長度情況下對(duì)應(yīng)的板樁剪力和彎矩分布情況如圖9所示。

如圖 9和圖 10所示，在板樁與老護(hù)岸重疊區(qū)域，即板樁上部2.5 m區(qū)域，所受剪力和彎矩很小，而老護(hù)岸底端以下區(qū)域的板樁所受彎矩和剪力較大，由此可見老護(hù)岸的擋土作用明顯。

此外，板樁彎矩基本呈拋物線型分布，隨著懸臂長度在板樁和老護(hù)岸重疊區(qū)域減小，板樁剪力和彎矩變化很小，而當(dāng)懸臂長度減小至2.5 m時(shí)，即板樁頂端開始低于老護(hù)岸底端時(shí)，板樁剪力和彎矩明顯減小，相比之前較穩(wěn)定不變的彎矩和剪力，說明此時(shí)板樁的擋土作用已經(jīng)開始減弱。

圖9 不同懸臂長度板樁剪力分布圖Fig.9 The distribution of shear force of sheet piles with different cantilever lengths

圖10 不同懸臂長度板樁彎矩分布圖Fig.10 The distribution of bending moment of sheet piles with different cantilever lengths

3.3 穩(wěn)定性分析

3.3.1 板樁穩(wěn)定性計(jì)算方法

考慮老護(hù)岸影響，本文所采用的板樁穩(wěn)定性計(jì)算方法主要體現(xiàn)以下四點(diǎn)：考慮到現(xiàn)場(chǎng)填土為河流底淤，開挖過程中，其結(jié)構(gòu)完全破壞，如按照常規(guī)公式計(jì)算，土壓力均為零，這與事實(shí)不符，故本文的板樁墻后填土土壓力值是從有限元軟件中計(jì)算得出；將老護(hù)岸作為樁后條形荷載施加于老護(hù)岸底端，條形荷載向板樁處的擴(kuò)散角取45°[1]；老護(hù)岸底端以下土壓力按庫倫土壓力計(jì)算，上部土體作為豎向荷載；位于水位以下的土體均采用浮重度，且板樁兩側(cè)水壓力相互抵消[8]。

按照如圖 11受力情況，板樁穩(wěn)定性安全系數(shù)k的計(jì)算公式為

圖 11 板樁受力分布圖Fig.11 The distribution of stress of sheet pile

式中：Ep為被動(dòng)土壓力合力；Ea1為樁后填土樁頂土壓力合力；Ea2為老護(hù)岸底端以下主動(dòng)土壓力合力；Eaq為老護(hù)岸作為條形荷載引起的側(cè)向附加壓力；lp、la1、la2、laq分別為對(duì)應(yīng)壓力的合力到樁底端的距離；Ka為庫倫主動(dòng)土壓力系數(shù)；δ為墻背與土體間的摩擦角。

3.3.2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

利用上述計(jì)算方法，計(jì)算板樁穩(wěn)定性安全系數(shù)K，同時(shí)根據(jù)有限元程序進(jìn)行強(qiáng)度折減法計(jì)算出護(hù)岸整體穩(wěn)定性。下面為了深入研究不同懸臂長度對(duì)板樁護(hù)岸的影響規(guī)律，分別針對(duì)不同入土深度的板樁護(hù)岸，在相同清淤條件下，即同樣清淤3 m，對(duì)比分析不同入土深度下板樁懸臂長度對(duì)護(hù)岸的穩(wěn)定性影響規(guī)律研究。

如表 3所示，計(jì)算出的板樁穩(wěn)定性安全系數(shù)K，對(duì)于同一入土深度的板樁，隨著懸臂長度的減小，其呈微幅增大，但隨著入土深度的增加，K值的增幅明顯較大。可見入土深度對(duì)板樁穩(wěn)定性安全系數(shù)K的影響更明顯，而懸臂長度對(duì)其影響微小。

如圖 12所示，板樁護(hù)岸的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)FOS，對(duì)于不同入土深度的板樁護(hù)岸，其變化的趨勢(shì)基本一致，即隨著懸臂長度的增加，F(xiàn)OS值均先增大后減小，其變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)都位于懸臂長度3 m的位置，3 m懸臂長度的板樁頂端所對(duì)應(yīng)的位置恰好是老護(hù)岸底端前趾位置。由此可見，當(dāng)懸臂長度超過老護(hù)岸底端，板樁懸臂部分與老護(hù)岸重疊的長度越多，則整體穩(wěn)定性安全系數(shù)FOS就會(huì)越小，而當(dāng)懸臂長度低于老護(hù)岸底端時(shí)，其FOS值也會(huì)變小。此外，隨著入土深度的增加，在板樁和老護(hù)岸重疊區(qū)域，板樁懸臂長度對(duì)護(hù)岸整體穩(wěn)定性的影響越小。

圖 12 整體穩(wěn)定性安全系數(shù)FOSFig.12 Safety factor FOS of global stability of revetment

表3 板樁穩(wěn)定性安全系數(shù)KTab.3 Safety factor K of stability of sheet pile

綜上分析，在板樁和老護(hù)岸重疊區(qū)域，隨著懸臂長度的減小，板樁穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性都是增強(qiáng)的。當(dāng)板樁頂端低于老護(hù)岸底端時(shí)，F(xiàn)OS值開始減小，而K值依舊在微幅增大，可以看出此時(shí)板樁穩(wěn)定性在穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的作用漸漸失去效益，而整體穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)效益得到增強(qiáng)。這也與上述水平位移等值線分析得出的破壞趨勢(shì)相吻合。

4 結(jié)論

1）隨著板樁懸臂長度的減小，其護(hù)岸水平位移也逐漸減小。且其位移等值線大致可分為三種情況：老護(hù)岸后土體水平位移等值線與水平線呈小于90°、等于90°、大于90°這三種情況，對(duì)應(yīng)的樁后土體的變形破壞形式逐漸從傾倒破壞向滑移破壞轉(zhuǎn)變。

2）在板樁與老護(hù)岸重疊區(qū)域，即板樁上部2.5 m區(qū)域，所受剪力和彎矩很小，而老護(hù)岸底端以下區(qū)域的板樁所受彎矩和剪力突然增大，由此可見老護(hù)岸的擋土作用明顯。

3）在板樁和老護(hù)岸重疊區(qū)域，懸臂長度的減小對(duì)板樁內(nèi)力影響很小，而當(dāng)懸臂長度減小至老護(hù)岸底端以下時(shí)，板樁剪力和彎矩則明顯減小，相比之前較穩(wěn)定不變的彎矩和剪力，說明此時(shí)板樁的擋土效果已經(jīng)開始減弱。

4）在板樁和老護(hù)岸重疊區(qū)域，隨著懸臂長度的減小，板樁穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性都是增強(qiáng)的。當(dāng)板樁頂端低于老護(hù)岸底端時(shí)，F(xiàn)OS值開始減小，而K值依舊在微幅增大，說明此時(shí)板樁穩(wěn)定性安全系數(shù)K在穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的作用漸漸失去效益，而整體穩(wěn)定性安全系數(shù)FOS的評(píng)價(jià)效益得到增強(qiáng)。這也與上述水平位移等值線分析得出的破壞趨勢(shì)的轉(zhuǎn)變相吻合。

5）隨著入土深度的增加，在板樁和老護(hù)岸重疊

區(qū)

域，板樁懸臂長度對(duì)護(hù)岸整體穩(wěn)定性影響越小。

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[8]JTS 167-3-2009，板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

（責(zé)任編輯 王利君）

Research on effect of cantilever length of sheet pile on deformation and stability of revetment

WANG Fuxi1,2，CHEN Long1,2，LIU Xu1,2
(1. School of Hohai University Geotechnical Engineering Research Institute1, Nanjing, Jiangsu 210098, China; 2. School of Hohai University Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering2, Nanjing, Jiangsu 210098, China)

Based on Hang-Ping-Sheng line waterway upgrading project in Pinghu City, considering effect of old revetment, the simulating the dredging experiment of sheet pile revetment with different cantilever length of sheet pile is implemented by the finite element software, then the comparative analysis is conducted for the horizontal displacement, internal stress and stability of revetment of sheet pile revetment with different cantilever length of sheet pile. In addition, the study of influence rule of cantilever length on sheet pile revetment is extended under the condition of different embedded depth. The results show that cantilever length of sheet pilehas obvious influence on deformation and trend of failure of revetment in the overlapping region of sheet pile and old revetment, but it has a very little influence on internal stress of sheet pile. In the overlapping region, the decreasing of cantilever length of sheet pile is conducive to stability of revetment, but when the top of sheet pile is lower than the bottom of old revetment, with the decreasing of cantilever length of sheet pile, the global stability safety factor FOS begins to decrease gradually, and with the increasing of embedded depth, the effect of cantilever length on stability of revetment becomes weaker.

old revetment; cantilever length; horizontal displacement contour; embedded depth; stability

TV861

A

1673-9469（2017）02-0037-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.008

2016-12-31

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201501043）；浙江省交通廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013W02）作者簡介：王福喜(1992-)，男，安徽馬鞍山人，碩士，主要從事巖土工程研究。