深厚淤泥層地質條件下雙排鋼板樁圍堰有限元分析

許 亮

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

圍堰作為臨時擋水建筑物，相比大壩和水閘等永久水工建筑物，其穩定性要求相對較低。相較于單排鋼板樁支護結構，雙排鋼板樁支護結構由于具有拉桿增強樁體自身剛度和穩定性，能夠有效限制土體的側向變形，確保圍堰施工期安全。因此，在市政、建筑和水利工程領域，雙排鋼板樁基坑和圍堰得到廣泛使用，尤其是軟土地質條件下。然而，目前對于雙排鋼板樁圍堰設計主要依賴工程經驗，難以準確預測施工過程中鋼板樁內力和變形，在結構可靠性分析中具有局限性。因此，依靠工程經驗對深厚淤泥層地區進行鋼板樁圍堰設計已經不能滿足水利工程建設的需求，需要結合其他方法對雙排鋼板樁圍堰進行穩定性分析。

目前，鋼板樁圍堰穩定性研究方法主要分為模型試驗和數值分析兩大類。由于模型試驗投資大，周期長，使得其運用并不廣泛。而采用數值分析方法對雙排鋼板樁進行數值計算，首先需要找到合適的計算模型。目前，雙排鋼板樁常見模型和簡化計算方法概括為以下四類：①地基梁法，將雙排鋼板樁看作門式鋼架，簡化成彈性地基梁計算模型；②比例系數法，將鋼板樁和連梁看作底端嵌固的鋼架結構，假定連梁為剛體，只能平移而不能轉動；③等效抗彎剛度法，根據等效抗彎剛度原理，將雙排鋼板樁簡化成桿系有限單元；(4)有限元法。其中，地基梁理論計算復雜，難以實現，比例系數法存在土壓力人為分配的缺點，等效抗彎剛度法在對樁體嵌固深度較淺的雙排樁進行計算時，將樁后被動區的土壓力看作主動土壓力，與鋼板樁實際受力有較大差異。有限元法相較于其他3種方法，具有計算簡便、可考慮樁-土之間作用力、便于參數分析以及使用范圍廣等優點。近年來，有限元數值分析方法在深厚淤泥層地質條件下雙排鋼板樁穩定性分析也得到了廣泛應用。本文以廣東省某水利工程為例，基于Midas-GTS有限元數值計算軟件，對深厚淤泥層地質條件下雙排鋼板樁圍堰的應力應變以及穩定性進行了分析，為圍堰的安全施工提供可靠的技術指導，也可給其他類似工程提供參考。

1 工程概況

塭嘴水閘位于廣東省汕頭市，水閘安全鑒定報告指出：圍堰堰基地層為深厚淤泥層，地基承載力低，地質條件差。水閘左岸下游存在輪船碼頭，土石圍堰的施工將會影響航運，而在深厚淤泥層地質條件下，單排鋼板樁圍堰支護形式穩定性較差，因此，最終經過圍堰方案比選，結合當地其他工程經驗，采用雙排鋼板樁圍堰結構形式，鋼板樁之間填土，通過拉桿形成一個整體。圍堰堰寬10.0m，堰頂標高為2.27m。采用拉森SP-IV型鋼板樁，樁頂標高為2.27m，樁底標高-21.73m，樁長24m。在圍堰兩側高程為-5.0m處設拋石平臺護腳，寬8.0m，坡比為1∶2.5。圍堰設置2道拉桿，第一道拉桿位于標高-1.0m位置處，第二道拉桿位于標高1.0m位置處，拉桿水平間距為2m，采用Ф50鋼筋。雙排鋼板樁圍堰結構剖面圖如圖1所示。

圖1 雙排鋼板樁圍堰結構剖面圖

序號土層名稱層厚/m密度/(g·cm-3)壓縮模量/(E/kPa)泊松比/μ粘聚力/(c/kPa)內摩擦角/φ/(°)1填土9.21.804.50.258.0122中粗砂2.01.85280.200.2303淤泥9.01.653.20.285.084中砂—1.90300.200.230

表2 拉森SP-IV型鋼板樁材料參數

1.1 地層參數

根據地質勘察報告，并參考該地區其他工程項目巖土體參數取值，得到的地層巖土體物理力學參數取值，見表1。其中粘聚力c和內摩擦角φ取飽和快剪指標。拉森SP-IV型鋼板樁材料參數見表2。

1.2 計算工況

本次工程圍堰施工分為以下五個步驟：①鋼板樁施工；②回填土，施工第一道拉桿；③基坑內側和外側拋石壓腳；④回填土，施工第二道拉桿；⑤施工區內抽水。當施工區處于無水的情況時，圍堰處于最不利的工況。

2 有限元建模

2.1 模型范圍及單元選擇

模型的尺寸主要通過圍堰的尺寸以及變形影響范圍來確定。考慮到圍堰在水平方向和垂直方向的變形影響范圍，取基坑深度和寬度二者大值的3～5倍作為模型邊界。確定模型水平方向長124m，豎直方向長47m。為提高模型計算效率，本次模擬簡化成二維平面應變問題，采用二維平面應變有限元模型進行計算。各地層均采用混合網格生成。鋼板樁采用梁單元模擬，拉桿采用桁架單元模擬，二者均從各地層單元上析取生成。有限元模型如圖2所示。

圖2 雙排鋼板樁圍堰數值計算模型

2.2 材料本構關系

為了更加真實地反映巖土體和結構受力情況，本次數值計算對巖土體和結構分別采用不同的本構模型。軟土采用修正莫爾-庫倫本構模型，砂層、拋石、填土采用莫爾-庫倫本構模型。鋼板樁和拉桿采用彈性本構模型，彈性模量取210GPa，泊松比取0.3。

3 有限元計算及結果分析

根據圍堰施工順序，雙排鋼板樁圍堰數值計算分為以下五個步驟：①初始應力平衡；②鋼板樁施工；③回填土至-1.5m，施工第一道拉桿；④基坑內側和外側拋石，回填土至0.5m，施工第二道拉桿；⑤基坑外側施加水位為1.77m的水壓力，基坑內側無水。

對雙排鋼板樁圍堰依次進行數值計算，得到了雙排鋼板樁圍堰應力和位移數據。以最不利工況(工況5)為例，對雙排鋼板樁圍堰應力、位移數據進行分析，對施工期圍堰穩定性進行預測。

3.1 位移分析

經過數值計算，施工期鋼板樁的水平位移如圖3所示。由圖3可以看出，鋼板樁水平位最大值為248mm。出現在背水側鋼板樁之上。

圖3 鋼板樁水平位移分布圖

3.2 應力分析

圍堰施工期鋼板樁彎矩如圖4所示。從圖4可以看出，鋼板樁彎矩最大值為271kN·m，出現在背水側，這是因為背水側鋼板樁不僅承受水壓力的作用，還受到鋼板樁之間土壓力的作用。拉桿軸力如圖5所示，從圖5可知，拉桿軸力最大值為412kN，出現在第一道拉桿上。

圖4 鋼板樁彎矩分布圖

圖5 拉桿軸力分布圖

3.3 圍堰結構強度校核

根據雙排鋼板樁圍堰應力數據，對鋼板樁和拉桿進行結構強度校核計算，根據強度校核結果對鋼板樁圍堰施工期穩定性進行預測。

(1)鋼板樁強度校核

鋼板樁最大彎矩Mmax=271kN·m，彎矩計算值為M=271×1.25=339 kN·m，鋼板樁應力：σ=M/W=339×106/(2200×103)=154N/mm2<[σ]=215 N/mm2，滿足材料強度要求。

(2)拉桿強度校核

直徑為Ф50的拉桿正常工作軸力容許值

N=[σ]×A=270×1/4×π×502=530kN，

軸力最大值為

Nmax=412kN<530kN，滿足材料強度要求。

4 結論

本文借助Midas-GTS有限元數值計算軟件，對深厚淤泥層地質條件下雙排鋼板樁圍堰的強度和變形進行了數值計算，得到結論如下：

(1)施工期鋼板樁水平位移最大值為248mm；

(2)施工期鋼板樁所承受最大彎矩為271kN·m，拉桿所承受最大軸力值為412kN，二者均滿足材料強度要求。

本方法可以給同類鋼板樁圍堰穩定性分析提供參考，具有重要理論意義和實用價值。但是對于雙排鋼板樁支護結構中樁-土之間的作用以及樁徑、樁間距對鋼板樁支護結構剛度的影響還有待進一步研究。