軟土地區高樁承臺結構斜樁應用數值模擬

鄢亞軍

（上海市水利工程設計研究院，上海市 200061）

0 引言

上海主要為軟土地區，河道防汛墻結構通過設置樁基來控制擋墻位移和墻體不均勻沉降。若擋墻后方回填土高度較高，墻后地坪高程與河道底高程相差較大，會考慮采用叉樁或斜樁抵抗水平力，以滿足水平位移控制要求。根據上海類似工程建設經驗和《防汛墻工程設計標準》[1]，防汛墻樁基水平位移和作用效應可以采用m 法計算。該方法假定土體為彈性變形介質，具有沿深度成正比增長的地基系數，用于對樁頂承受側向外力的等截面單樁計算。該方法適用于直樁計算，應用于斜樁擋墻結構計算時，難以考慮多排斜樁樁土共同作用及對整體結構受力變形進行分析。根據桂勁松、湯子揚等[2-3]的研究得到，Plaxis 有限元軟件在模擬板樁結構時，能較好地求解出墻后土體應力分布和結構變形。因此本文采用Plaxis 有限元計算軟件對不同角度的叉樁樁基結構受力和變形特性進行模擬分析，研究叉樁結構在高樁承臺結構中抵抗水平力和控制水平位移的規律，為選取合理的叉樁設計角度提供一定的依據。

1 工程設計方案

上海某住宅區河道設計河底高程為0.0 m，河道需滿足游艇通航要求，河道一側現狀道路連接橋梁坡道，路面高程為6.50～7.50 m。由于現狀路面為回填土壓實，地下水位考慮為3.5 m，現場護岸布置空間受限，擋墻結構設計為高樁承臺結構，擬比選采用三排φ800 灌注樁加前排（400×100×10.5）鋼板樁及兩排φ800PH C 管樁加前排（400×100×10.5）鋼板樁的斷面結構型式，如圖1、圖2 所示，該區域工程地質剖面如圖3 所示。

圖1 灌注樁直樁式高樁承臺方案

圖2 叉樁式高樁承臺方案

圖3 工程地質剖面圖

2 有限元計算模型建立

本研究采用Plaixs 3D 巖土軟件建立高樁承臺擋墻結構三維有限元模型。

2.1 土體本構模型選取

上海位于東海之濱，長江入海口處，屬長江三角洲沖積平原。地質土主要由黏性土、粉性土及砂性土組成，大部分地區為正常固結和弱固結黏土及密實度較低的砂土。此類軟土地基變形受體積應變影響較大。

目前常規用于數值模擬的土體本構模型主要為彈塑性的Mohr-Coulomb 模型、DrukerPrager 模型、DrukerPrager+Cap 模型、修正劍橋模型、非線彈性Duncan-Chang 模型、HS-Small模型等。上述土體本構模型的優缺點見表1。

表1 不同土體本構模型應用于軟土地區的優缺點

比較上述六種土體本構模型可以看出，針對上海的弱固結土，HS-Small模型考慮了小應變范圍內土體剪切剛度與應變的非線性關系。土體實測試驗結果得到的土體剪切剛度—應變的關系如圖4 所示，隨著剪切應變增大，土體抗剪剛度G 呈“S”型衰減。由于防汛墻后土體的剪應變一般在0.01%～0.1% 之間[4-5]，此范圍內土體抗剪剛度是急劇衰減的，土體在小應變階段的剛度要遠大于較大應變階段的剛度。本次土體參數見表2。

圖4 土體剪應變-剪切剛度的關系

表2 本次土體模型參數

2.2 結構材料參數選取

Plaixs 中可以用板單元模擬具有一定抗彎剛度的二維薄殼結構，本文用來模擬擋土墻底板、墻身結構和鋼板樁結構，灌注樁采用嵌入式梁單元（em bed beam）模塊。本次模型各結構材料參數見表3。

2.3 計算模型

本次設計的住宅區河道橫斷為對稱結構，故取一半建立模型進行有限元計算，模型尺寸為60 m×25 m（長×寬）。有限元計算模型網格劃分如圖5、圖6 所示。

圖5 直樁式高樁承臺方案

圖6 叉樁式高樁承臺方案

2.4 工況選擇

本次計算模型采用七種工況模擬：三排直樁式高樁承臺結構及兩排直樁式高樁承臺結構，比較叉樁在12°、10°、8°、6°、4°五種設置角度下的樁頂位移及鋼板樁承受的剪力與彎矩。

3 數值模擬結果對比分析

3.1 擋墻后側土壓力分布

通過Plaxis 有限元軟件計算得到整體擋墻結構的∑Ux位移云圖，如圖7～圖9 所示。由計算結果可知，擋墻樁基由三排直樁結構換成斜叉樁結構后，墻后土體的影響范圍會增大，但土體位移的數值會減小。從直樁擋墻結構和斜叉樁擋墻結構墻后側土壓力分布圖（圖10）可以看出，直樁結構和叉樁結構墻后側土壓力分布基本一致，叉樁結構墻后土壓力略有減小，主要是由于直樁高樁承臺結構墻體位移大于叉樁結構墻體位移。

圖7 三排直樁+鋼板樁結構位移云圖

圖8 兩排直樁+鋼板樁結構位移云圖

圖9 兩排斜12°叉樁+鋼板樁結構位移云圖

圖10 兩排直樁結構和斜8°叉樁結構墻后側土壓力分布圖

3.2 擋墻底板位移

根據Plaxis 模型計算可知，當模型邊界條件及土層地質條件一定時，在軟土地區高樁承臺結構中采用叉樁基礎，可以有效減小擋墻樁頂位移，且叉樁傾斜角度越大，樁頂位移越小。叉樁傾斜角度在6°～8°之間時，樁頂位移減小得最明顯（見圖11）。

圖11 鋼板樁樁頂位移與叉樁角度設置關系圖

根據模型計算得到的樁頂位移如表4 所示。

表4 擋墻底板位移值

3.3 擋墻前排鋼板樁受力

根據Plaxis 模型計算可知，當模型邊界條件及土層地質條件一定時，在軟土地區高樁承臺結構中采用前排鋼板樁加后排叉樁的高樁承臺結構；當叉樁角度一定時，可以有效減小鋼板樁承受的最大彎矩和最大剪力，且一定范圍內，叉樁傾斜角度越大，鋼板樁承受的最大彎矩和最大剪力越小。根據模型的有限元計算，本次模擬的工況下，叉樁傾斜角度在6°時，鋼板樁承受的最大彎矩和最大剪力最小（見表5、圖12）。

圖12 鋼板樁承受彎矩及剪力與叉樁角度設置關系圖

表5 擋墻前排鋼板樁彎矩值及剪力值

4 結論與建議

（1）通過數值模擬發現，高樁承臺結構應用斜樁基礎后擋墻后側土壓力分布與直樁基礎下基本一致，土壓力數值略有減小。

（2）根據數值模擬計算結果可以看出，高樁承臺結構應用斜樁基礎后，可以有效減小擋墻底板位移，且底板位移大小隨斜樁傾斜角度的增大而減小。當斜樁傾斜角度為6°時，擋墻底板位移減小得最明顯。

（3）根據數值模擬計算結果可以看出，高樁承臺結構應用斜樁基礎后，當斜樁角度為0°～6°時，前排鋼板樁承受的彎矩與剪力絕對值隨傾斜角度增大而減小；當斜樁角度為6°～12°時，前排鋼板樁承受的彎矩與剪力絕對值隨傾斜角度增大而增大，斜樁傾斜角度為6°時，彎矩和剪力絕對值減小得最明顯。