軟土地區雙排鋼板樁圍堰計算分析

張學林，劉學智，朱少坤

（珠江水利委員會珠江水利科學研究院 廣州珠科院工程勘察設計有限公司，廣州 510611）

目前，雙排鋼板樁結構一般仍采用以經驗為主的半理論、半經驗設計計算方法[1～4]。針對雙排鋼板樁圍堰結構的土壓力分布情況、土體滑裂面對土壓力的影響、連梁（拉桿）的協調作用、樁土相互作用等方面的特點，主要有地基梁法、比例系數法、等效抗彎剛度法和有限元法等計算模型和方法[5]。

結合廣州市南沙區某泵站工程外江雙排鋼板樁圍堰，本文采用經典土壓力理論方法，利用理正深基坑軟件，對雙排鋼板樁圍堰的樁間距、抗滑移、抗傾覆以及整體穩定安全系數進行計算分析，為類似工程計算提供參考。

1 雙排鋼板樁圍堰簡化計算方法

1.1 單排鋼板樁+錨桿模型

將雙排鋼板樁圍堰分為前排樁（背水側）、后排樁（迎水側）和拉桿（僅受拉力）3 個構件，并將前排樁和拉桿看作單排鋼板樁+錨桿模型[6]，將雙排鋼板樁圍堰中間填土、后排樁以及水體整體看作土體，迎水側看作擋土側，背水側為基坑開挖側，采用理正深基坑軟件進行模擬計算，錨桿內力計算采用彈性法“m”法，計算結果中錨桿自由段的長度即可認為是拉桿的長度，也可認為是雙排鋼板樁圍堰的樁間距。模擬計算時假定錨固段的錨固力很大，錨固體不會被拔出，以保證錨桿能夠提供足夠大的拉力以模擬雙排鋼板樁圍堰內部拉桿的受力狀態。單排鋼板樁+錨桿計算模型如圖1所示。

圖1 單排鋼板樁+錨桿計算模型

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012），錨桿的自由段長度（拉桿長度）可按下式確定。

式中：lf為錨桿的自由段長度，m；α為錨桿的傾角；d為擋土構件的水平尺寸，m。

1.2 重力式水泥土墻模型

將雙排鋼板樁圍堰整體看作重力式水泥土墻結構，采用瑞典條分法計算穩定。將鋼板樁圍堰迎水側看作擋土側，背水側為基坑開挖側，將水泥土墻迎水側支擋土層參數設置為水的材料屬性，并將土壓力計算方法設為主動土壓力來模擬靜水壓力[5]。采用理正深基坑軟件計算重力式水泥土墻的抗滑移穩定、抗傾覆穩定以及整體穩定安全系數，即分別為雙排鋼板樁圍堰的抗滑移穩定、抗傾覆穩定以及整體穩定安全系數。重力式水泥土墻計算模型圖如圖2所示。

圖2 重力式水泥土墻計算模型

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012），重力式水泥土墻的抗滑移穩定性、抗傾覆穩定性和整體穩定計算應符合下式規定：

（1）抗滑移穩定性計算

式中抗滑移安全系數Ksl不應小于1.20。

（2）抗傾覆穩定性計算

式中抗傾覆安全系數KOV不應小于1.30。

（3）整體穩定計算

重力式水泥土墻按下式規定采用瑞典條分法進行圓弧滑動穩定性驗算。

式（4）中Ks為圓弧滑動穩定安全系數Ks不應小于1.30。

2 工程概況

2.1 雙排鋼板樁圍堰方案

廣州市南沙區某泵站工程位于南沙區大崗片區河口處，泵站出口需要進行破堤施工，在泵站出口外江中布置雙排鋼板樁圍堰與現狀堤防形成封閉擋水結構。雙排鋼板樁圍堰采用拉森式SP-Ⅳ鋼板樁，單根樁長15.00 m，穿透淤泥層，進入粉質黏土層，前、后排鋼板樁頂高程均為9.00 m，雙排鋼板樁間距為5.00 m，在高程8.00 m處設置一排拉桿，采用Φ50 鋼拉桿，間距為2.00 m，兩排鋼板樁之間回填砂，填至8.50 m 高程，沿鋼板樁內側敷設土工膜進行防滲，圍堰兩側采用砂袋反壓，現狀地面高程為5.50 m。雙排鋼板樁圍堰結構剖面如圖3所示。

圖3 雙排鋼板樁圍堰結構剖面

2.2 工程地質條件

工程區地貌特征屬珠江三角洲海陸交互濱海河流沖積平原地貌單元，經過多年圍海造田，區內地勢平坦開闊，水系發達，河涌較多。工程區位于廣州斷陷盆地的南端，上部覆蓋層為第四系海陸交互相沉積物，下部基巖為燕山期花崗巖。場地內主要出露地層有淤泥層、淤泥質土層、粉質黏土層、粉細砂層、中粗砂層、全風化花崗巖、強風化花崗巖和中風化花崗巖。

2.3 計算參數

根據勘察資料，巖土體參數取值如表1所示，拉森式SP-Ⅳ型鋼板樁材料指標如表2所示。

表1 巖土體參數取值表

表2 拉森式SP-Ⅳ型鋼板樁材料指標

3 結構計算分析

雙排鋼板樁圍堰結構內力及穩定性采用理正深基坑軟件進行計算，按照圍堰結構實際尺寸建模，計算水位取10 a一遇設計水位7.92 m。

3.1 鋼板樁圍堰寬度計算

按單排鋼板樁+錨桿模型計算圍堰寬度，計算模型中錨桿的傾角α 取0°，錨桿的錨頭中點至基坑底面的距離a1取2.50 m，擋土構件的水平尺寸d取0.40 m?？紤]基坑側進行一次性開挖，開挖至5.50 m 高程處，按單排鋼板樁+錨桿模型計算鋼板樁圍堰寬度，計算結果如下：鋼板樁水平位移最大值為17.85 mm；彎矩為152.12 kN·m，鋼板樁應力：σ=M/W=152.12×106/（2200×103）=69.14N/mm2＜[σ]=215 N/mm2，滿足鋼板樁材料要求。錨桿自由段的長度計算結果為5.00 m，即雙排鋼板樁圍堰寬度為5.00 m，滿足《鋼板樁工程手冊》中“為了避免發生傾覆和滑移破壞，圍堰寬度不應小于擋水或擋土高度的0.8倍”的要求。

3.2 鋼板樁圍堰穩定計算

按重力式水泥土墻模型計算雙排鋼板樁圍堰的穩定性，水泥土墻按實心墻考慮，基坑深度取3.50 m，水泥土墻寬度取5.00 m，一次性開挖至基坑面深度處。

本工程雙排鋼板樁圍堰作為臨時支護結構，安全等級視為二級，重要性系數為1.00，圍堰的整體穩定性計算采用瑞典條分法。采用理正深基坑軟件計算，計算結果為：圍堰抗滑移穩定性安全系數Kh=1.469＞1.20，圍堰抗傾覆穩定性系數KQ=1.497＞1.30，圍堰滑裂面整體穩定安全系數Ks=1.679＞1.30。因此，鋼板樁圍堰的穩定安全系數均滿足規范要求。

3.3 結果分析

（1）從單排鋼板樁+錨桿模型計算結果可看出，鋼板樁的計算結果應力值遠小于其材料本身允許應力值，表明該模型計算沒有充分利用鋼板樁材料特性。

（2）對比其他研究成果可發現，采用理正深基坑軟件按單排鋼板樁+錨桿模型計算圍堰寬度，鋼板樁結構的水平位移計算結果偏小，這是由于該模型計算時忽略了雙排鋼板樁結構的整體性以及樁土相互作用下受力與變形的協調性。

4 結語

本文結合珠江三角洲某泵站工程外江雙排鋼板樁施工圍堰，將其簡化成“單排鋼板樁+錨桿模型”和“重力式水泥土墻模型”，利用理正深基坑軟件對圍堰的寬度和穩定安全系數進行計算分析，計算方法可為今后類似工程設計提供一定的參考。

由于理正深基坑計算采取的單排鋼板樁+錨桿模型假定錨固段的錨固力很大，錨固體不會拔出，忽略了雙排鋼板樁結構的整體性以及樁土相互作用下受力與變形的協調性，結構的水平位移計算值偏小。

隨著雙排鋼板樁圍堰的廣泛應用，采用理正深基坑軟件可快速計算出雙排鋼板樁圍堰的寬度和穩定安全系數，適用于初定雙排鋼板樁圍堰設計方案階段，后期建議采用有限元計算方法對設計方案進行優化。