張雨劍，田利勇，陳大偉

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200061）

0 引言

上海市地少人多，土地后備資源不足已經(jīng)成為限制城市發(fā)展的主要因素之一。經(jīng)過近50a的圍墾，沿海高灘資源已經(jīng)不多了，遠(yuǎn)不能滿足上海市對(duì)于土地的需求增量，因此低灘圍墾將成為向大海要地的主要途經(jīng)[1]。低灘圈圍工程對(duì)圍堤結(jié)構(gòu)型式提出了新的要求。對(duì)于新型圍堤結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用將有助于解決筑堤材料緊缺問題，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，獲取更多的土地資源[2]。

上海市土地儲(chǔ)備中心于2012年10月啟動(dòng)了金山區(qū)龍泉港灘涂圈圍工程。上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)該工程的深水圍堤進(jìn)行專門研究，提出了斜頂樁高樁承臺(tái)直立堤方案。

1 直立堤方案設(shè)計(jì)

工程區(qū)主要為淺灘水域，地形有一定起伏。據(jù)已有地形資料反映，圍堤沿線灘面標(biāo)高一般在-7.0～1.6m之間?？辈焖衣渡疃确秶鷥?nèi)的地基土從上往下主要以軟弱粘性土為主，局部分布有中密～密實(shí)狀粉砂及粉土，土層分布尚屬穩(wěn)定。

本方案按灘地高程為-6.0m、圍內(nèi)場(chǎng)地高程為4.0m進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)低潮位-1.91m,多年平均低潮位-0.25m，多年平均高潮位3.84m，200a一遇高潮位6.76m。

1.1 上部結(jié)構(gòu)

直立堤上部采用鋼筋混凝土L型擋墻結(jié)構(gòu)。承臺(tái)寬度為16m，承臺(tái)底高程為3.0m，承臺(tái)厚度為1.5～2.0m，墻頂高程為11.0m。墻身后側(cè)設(shè)置10m寬堤頂平臺(tái)，堤頂后側(cè)采用約1:7緩坡放坡至圍內(nèi)場(chǎng)地標(biāo)高。

1.2 樁位布置

樁基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力U型板樁和PHC管樁組合體系，其中預(yù)應(yīng)力U型板樁為擋土排樁。從臨水面至迎土面共設(shè)置5排樁基，第1排為31m長(zhǎng)，1200B型PHC管樁，間距3600mm，該排樁為斜頂樁，斜度為3.5:1.0；第2排樁為30m長(zhǎng)，1200B型PHC管樁，間距3600mm，該排樁為直樁；第3排為32m長(zhǎng)，1200B型PHC管樁，間距3600mm，該排樁為斜頂樁，斜度為3.5:1.0；第4排樁為30m長(zhǎng)，1200-V型預(yù)應(yīng)力U型板樁，密排；第5排樁為30m長(zhǎng)，1200B型PHC管樁，間距3600mm，該排樁為直樁。根據(jù)樁位布置，直立堤承臺(tái)寬度確定為16m，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度為18m。直立堤標(biāo)準(zhǔn)段樁位平面布置見圖1。

1.3 護(hù)灘和倒濾層

墻前護(hù)灘采用拋石和混凝土聯(lián)鎖塊組合防護(hù)，墻后設(shè)置減壓拋石棱體，拋石棱體與圍內(nèi)吹填間設(shè)置倒濾層。

斜頂樁式高樁承臺(tái)直立堤設(shè)計(jì)斷面見圖2。

2 有限元模型建立

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段樁位布置圖（單位：mm）

圖2 斜頂樁高樁承臺(tái)直立堤斷面圖

2.1 土的本構(gòu)模型選擇

鑒于 HSS （Hardeningsoilsmall-strainmodel）模型在描述土體剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應(yīng)變等方面的優(yōu)勢(shì)[3-4]，本次模擬分析選用HSS土體本構(gòu)模型。在HSS模型中需確定小應(yīng)變特性參數(shù)，即初始剪切模量G0和閾值剪應(yīng)變?chǔ)?.7。其余11個(gè)HS（Hardeningsoilmodel）模型參數(shù)分別如下：

3個(gè)Mohr-Coulomb強(qiáng)度參數(shù)：c，有效黏聚力；Φ，有效內(nèi)摩擦角；ψ，剪脹角。

計(jì)算中不同分層土體的重度γ、黏聚力和摩擦角等參數(shù)由勘察報(bào)告提供，剛度參數(shù)和高級(jí)參數(shù)則根據(jù)大量類似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演分析得到[5]。各層土體計(jì)算的部分參數(shù)具體見表1。

表1 土體HSS模型參數(shù)表

2.2 樁結(jié)構(gòu)與界面單元模型

Plaxis軟件采用樁（Embedded）單元模擬結(jié)構(gòu)樁基，可以模擬在垂直于模型平面方向上具有一定間距的排樁。剛度屬性針對(duì)單根樁輸入，程序?qū)⒂?jì)算每m寬度的涂抹屬性。該結(jié)構(gòu)元件的特色在于，它不是直接與網(wǎng)格耦合，而是間接地通過線到線界面進(jìn)行耦合（由彈簧和界面組成）。

Plsxis采用界面單元來模擬土-結(jié)構(gòu)相互作用。Coulomb準(zhǔn)則用以區(qū)別彈性性狀（即在界面內(nèi)可以出現(xiàn)小位移）和塑性界面性狀（即可能出現(xiàn)永久滑動(dòng)）。

式中：Φi和ci分別為界面的摩擦角和內(nèi)聚力（黏著力）。界面的強(qiáng)度性質(zhì)與巖土層的強(qiáng)度性質(zhì)有關(guān)，界面的強(qiáng)度按照巖土層的強(qiáng)度與折減因子（Rinter）計(jì)算確定。

2.3 網(wǎng)格劃分與施工步驟模擬

計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見圖3。施工步驟設(shè)置按以下步驟進(jìn)行：

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖

（1）樁基施工+墻前拋石。

（2）承臺(tái)施工，預(yù)留后澆帶。

（3）墻后拋石棱體拋至0.0m高程。

（4）后澆帶澆筑。

（5）墻后一期吹填至0.0m高程。

（6）墻后二期拋石及二期吹填。

（7）上部防浪墻施工及墻后筑堤填土。

（8）外海水位降至設(shè)計(jì)低潮位-1.91m。

3 結(jié)果分析

3.1 整體位移變形分析

前墻（預(yù)應(yīng)力U型板樁）成為堤前堤后豎向位移分界面，前墻前側(cè)土體豎向位移受墻后吹填土影響較小，前墻后側(cè)土體受吹填土影響顯著，堤后最大豎向位移940mm，發(fā)生在墻后拋石棱體所在部位。直立堤整體豎向位移云圖見圖4。

受墻后土壓力作用影響，前墻附近土體出現(xiàn)向海側(cè)水平位移變形，最大水平位移變形量約54mm，最大水平位移出現(xiàn)在-6.0m高程處。直立堤水平位移云圖見圖5。

圖4 直立堤豎向位移云圖

圖5 直立堤水平位移云圖

3.2 前墻位移及內(nèi)力分析

受墻后土壓力作用影響，前墻出現(xiàn)向海側(cè)位移變形，變形趨勢(shì)為“肚皮型”，最大水平位移變形量為36.98mm，樁頂、樁底部位水平位移變形量較小。前墻垂直位移量為24.69mm。

前墻墻頂出現(xiàn)負(fù)彎矩，最大負(fù)彎矩值為-918.2kN·m;近泥面處出現(xiàn)正彎矩，最大正彎矩值為1354kN·m，彎矩內(nèi)力值在預(yù)應(yīng)力U型板樁可承受范圍以內(nèi)。前墻受墻后吹填土影響，出現(xiàn)比較明顯的負(fù)摩阻效應(yīng)。樁基上部受負(fù)摩阻力影響，樁基軸力較小，但未出現(xiàn)拉應(yīng)力，樁基軸力最大值出現(xiàn)在樁基中下部位，最大軸力值為435.8×1.5=653.7kN。前墻內(nèi)力、位移計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 前墻計(jì)算結(jié)果圖

3.3 PHC管樁位移及內(nèi)力分析

PHC管樁最大彎矩內(nèi)力出現(xiàn)在第5排樁，最大彎矩值為 381.9×3.6=1374.84kN·m，第 1、2、3排樁的最大彎矩內(nèi)力值相對(duì)較小，其最大值分別為542.16kN·m、713.7kN·m，在樁基抗彎承載力范圍之內(nèi)。

第5排樁受墻后吹填土影響，出現(xiàn)了比較明顯的負(fù)摩阻效應(yīng)，樁基上部受負(fù)摩阻力影響，樁基軸力較小，但未出現(xiàn)拉應(yīng)力，樁基軸力最大值出現(xiàn)在樁基中下部位，最大軸力值為948.6×3.6=3414.96kN。第1、2、3排樁基本無負(fù)摩阻效應(yīng)，第1排和第3排樁為斜頂樁，樁基軸力值較大，特別是第3排樁，其最大軸力值達(dá)到1217×3.6=4381.2kN；第1排樁最大軸力為526.1×3.6=1893.96kN，第2排樁最大軸力為1552.05kN。PHC管樁內(nèi)力、位計(jì)算結(jié)果移見圖7。

圖7 PHC管樁計(jì)算結(jié)果圖

3.4 承臺(tái)位移及內(nèi)力分析

承臺(tái)位移變形受墻后吹填土影響，臨土側(cè)沉降位移變形大，臨海側(cè)沉降位移變形小，承臺(tái)最大沉降位移量為34.06mm，出現(xiàn)在承臺(tái)后端部位；承臺(tái)水平位移量為11.9mm。

承臺(tái)基本呈現(xiàn)面層受拉的受彎狀態(tài)，彎矩內(nèi)力最大值出現(xiàn)在第3排樁附近，最大彎矩值為2380kN·m。承臺(tái)內(nèi)力、位移計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 承臺(tái)計(jì)算結(jié)果圖

直立堤結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 直立堤變形及內(nèi)力計(jì)算成果一覽表

4 結(jié)語

在水深較深的條件下，直立式圍堤與常規(guī)斜坡堤結(jié)構(gòu)相比，施工上可以實(shí)現(xiàn)“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化”，使得直立堤在防波堤、碼頭及筑島工程中得到廣泛應(yīng)用。

與傳統(tǒng)板樁碼頭結(jié)構(gòu)相比，在臨海側(cè)采用斜頂樁高樁承臺(tái)方案可以有效減小結(jié)構(gòu)的總體水平位移變形，避免墻后高吹填土對(duì)斜樁的不利影響。

斜頂樁高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)在施工期及運(yùn)行期的變形均可滿足使用要求，結(jié)構(gòu)內(nèi)力均在可承受范圍內(nèi)，具有一定的可行性。這種結(jié)構(gòu)為深水圍堤工程建設(shè)提供了一種新的選擇，具有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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