司鵬飛，田利勇，張雨劍，孫陸軍

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,上海 200061)

雙排鋼板樁圍堰憑借其整體性強(qiáng)、止水可靠、能承受較大變形等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)單排樁支護(hù)形式所表現(xiàn)出的頂部水平位移較大、抗彎能力不足等缺點(diǎn)[1]，并在施工手段和經(jīng)濟(jì)成本上與單排樁圍堰形式相差不大，目前已在港口、市政、水運(yùn)工程的基坑圍護(hù)中廣泛應(yīng)用[2-3]。

對(duì)于雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，在已有的規(guī)范體系中，《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》是將雙排鋼板樁看作統(tǒng)一的整體結(jié)構(gòu)，基于土壓力理論和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其整體穩(wěn)定、水平抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定和內(nèi)部剪切穩(wěn)定等結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)[4]?！陡纱瑝]設(shè)計(jì)規(guī)范》提供了2種計(jì)算方法：1)將雙排鋼板樁看作嵌固于基坑面以下0.5～1.0 m處的懸臂梁，按頂端拉桿處位移相等的條件，計(jì)算拉桿拉力和板樁的最大彎矩;2)將內(nèi)、外鋼板樁分別單獨(dú)處理，按單排鋼板樁計(jì)算板樁的最大彎矩[5]。但上述2種方法的前提假定均與實(shí)際情況存在一定的差異，難以準(zhǔn)確反映鋼板樁與土體的相互作用以及兩排鋼板樁之間的受力變形差異，無(wú)法給出內(nèi)外鋼板樁的水平位移變形，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析階段存在一定的局限性[6]。特別是當(dāng)考慮較大擋水高度對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，須在規(guī)范推薦的經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用更為精確的有限元數(shù)值模擬進(jìn)行研究分析。目前已有一些學(xué)者針對(duì)雙排鋼板樁圍堰的實(shí)際工程進(jìn)行了有限元的建模和模擬分析工作，旨在驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，確保圍堰工程滿足安全穩(wěn)定性等規(guī)范中的相關(guān)要求[7]，但尚缺乏對(duì)其影響因素的全面研究。

本文基于有限元數(shù)值分析，研究圍堰寬高比、鋼板樁插入比、鋼板樁型號(hào)、拉桿布置等控制因素對(duì)雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)變形特征的影響，為相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 雙排鋼板樁圍堰數(shù)值模型

為方便對(duì)比研究不同工況下圍堰結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，選取上海地區(qū)具有代表性的圍堰橫斷面及模型網(wǎng)格劃分(圖1、2)。假定河底高程為0.00 m，臨水側(cè)擋水高度為h，堰頂安全超高按規(guī)范一般取0.5 m，即鋼板樁的出土高度H1=h+0.5，入土深度為H2，圍堰整體寬度為B，拉桿距樁頂距離為l。圍堰建成后假定陸側(cè)高程為0.00 m，水位降至內(nèi)側(cè)地面高程下0.5 m。在Plaxis有限元模擬中，根據(jù)實(shí)際工程情況，雙排鋼板樁圍堰的施工順序設(shè)置為：鋼板樁施工→圍堰內(nèi)拉桿施工→回填土施工→陸側(cè)地表降水。模型在左、右兩側(cè)邊界對(duì)土體的水平方向位移進(jìn)行約束，底部則同時(shí)約束土體水平方向和豎直方向的位移。

圖1 雙排鋼板樁圍堰橫斷面

圖2 模型網(wǎng)格劃分

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

內(nèi)、外2排鋼板樁均采用U型鋼板樁，模型中采用板單元模擬，EI和EA根據(jù)所選取的鋼板樁型號(hào)而定，其中E為鋼板樁的彈性模量，I為慣性矩，A為截面面積；泊松比ν=0.3。圍堰內(nèi)鋼拉桿采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿進(jìn)行設(shè)置，鋼拉桿的直徑d=28 mm，軸向剛度EA=123.2 MN/m，水平間距2.0 m，材料類型設(shè)置為彈塑性，模擬過(guò)程中不允許拉桿承受壓力。在有限元數(shù)值計(jì)算中，通過(guò)設(shè)置界面接觸單元以模擬鋼板樁、鋼拉桿和土體間的相互作用。

2 模擬結(jié)果

2.1 圍堰寬高比的影響

雙排鋼板樁圍堰的寬度取值通常根據(jù)地基土和填土的情況而變化。根據(jù)鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)于雙排鋼板樁圍堰，寬高比建議取值為0.9～1.2。目前對(duì)于鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)的變形控制尚無(wú)明確的規(guī)范要求，參照上?；庸こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一般基坑變形的水平位移須控制在0.7%H1以內(nèi)，但考慮到臨水基坑對(duì)周圍環(huán)境的影響較小，可適當(dāng)放寬標(biāo)準(zhǔn)，鋼板樁圍堰水平位移一般可按不大于1%H1控制。

為了研究圍堰寬高比對(duì)圍堰體系變形的影響，選取上海市典型圍堰斷面，在不同擋水高度情況下，僅改變圍堰的寬高比，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。鋼板樁采用400 mm×170 mm×15.5 mm規(guī)格的U型鋼板樁，鋼拉桿設(shè)置距樁頂1.0 m。對(duì)于不同擋水高度，圍堰超高保持0.5 m，雙排鋼板樁根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)3、4、5 m擋水位時(shí)分別采用3.5+5.5、4.5+7.5、5.5+9.5 m的樁長(zhǎng)。模擬得到的圍堰寬高比對(duì)鋼板樁水平位移極值的影響作用見圖3。

圖3 鋼板樁水平位移與圍堰寬高比關(guān)系

由圖3a)可知，在3 m擋水位情況下，雙排鋼板樁的支護(hù)效果很好，寬高比達(dá)到0.5時(shí)便可控制鋼板樁的水平位移在0.7%H1以內(nèi)，當(dāng)寬高比增大到0.8之后，其對(duì)鋼板樁水平位移的約束作用便不再顯著。由圖3b)可知，在4 m擋水位情況下，寬高比達(dá)到0.7即可控制鋼板樁的水平位移在1%H1以內(nèi)，水平位移減小到0.7%H1時(shí)對(duì)應(yīng)寬高比約為1.0，當(dāng)寬高比大于1.5之后，鋼板樁水平位移便基本不再受到寬高比的影響。由圖3c)可知，在5 m擋水位情況下，鋼板樁的水平位移相比于低擋水位情況有明顯的增加，可以看出想要控制鋼板樁的水平位移在1%H1以內(nèi)對(duì)應(yīng)的寬高比為1.6左右，當(dāng)控制鋼板樁的水平位移在0.7%H1以內(nèi)則需要圍堰寬高比達(dá)到2.4，遠(yuǎn)大于規(guī)范中規(guī)定的寬高比取值0.9～1.2。

綜上可知，圍堰寬高比的合理取值與擋水高度有關(guān)，不能簡(jiǎn)單套用規(guī)范中的寬高比指標(biāo)。當(dāng)擋水高度在4 m左右時(shí)，模擬結(jié)果表明合適的寬高比取值范圍為0.8～1.1。在不同擋水高度的情況下，增加圍堰寬高比對(duì)控制位移變形是有利的，但當(dāng)寬高比增加到一定程度后效果便不再明顯，因此單純通過(guò)增加寬高比來(lái)控制圍堰變形是不合理的。

2.2 鋼板樁插入比的影響

對(duì)于上海地區(qū)內(nèi)河區(qū)域，擋水高度通常不超過(guò)4 m，所以選取臨水側(cè)擋水位為4 m。在前述研究的基礎(chǔ)上，選擇圍堰寬高比為1.0，然后通過(guò)保持其他參數(shù)不變，僅調(diào)整鋼板樁的入土深度以研究插入比對(duì)雙排鋼板樁變形的影響作用，結(jié)果見圖4。

圖4 鋼板樁水平位移與插入比的關(guān)系

由圖4可知，陸地側(cè)和臨水側(cè)鋼板樁的水平位移變化基本一致，在插入比η≤1.5的范圍內(nèi)，隨著插入比的增加，鋼板樁的水平位移逐漸減小，當(dāng)插入比在1.1左右時(shí)便可控制雙排鋼板樁的水平位移在1%H1以內(nèi)，當(dāng)插入比達(dá)到1.5時(shí)可保證水平位移小于0.7%H1。而當(dāng)η> 1.5之后，鋼板樁的水平位移便不再受到插入比的影響。目前，許多規(guī)范給定鋼板樁圍堰的插入比建議取值在1.5～2.0之間。根據(jù)本文研究結(jié)果可知，規(guī)范中的建議取值偏安全，可能會(huì)到達(dá)如圖4中所示的平穩(wěn)段。實(shí)際工程中在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下可以適當(dāng)減小鋼板樁的樁長(zhǎng)，以節(jié)省工程成本。

2.3 鋼板樁型號(hào)的影響

為探討雙排鋼板樁型號(hào)的合理選擇，擋水高度設(shè)為4 m，圍堰整體寬高比為1.0，結(jié)合前面給出的插入比建議取值，取入土樁長(zhǎng)H2=7.5 m，然后保持其他參數(shù)不變，僅調(diào)整U型鋼板樁的型號(hào)，以研究其對(duì)雙排鋼板樁變形穩(wěn)定的影響，結(jié)果見表2。

表2 U型鋼板樁型號(hào)對(duì)鋼板樁水平位移的影響

由表2和圖5可知，陸地側(cè)和臨水側(cè)鋼板樁均會(huì)受到鋼板樁型號(hào)選取的顯著影響，雙排鋼板樁的水平位移隨著鋼板樁抗彎剛度的增大而減小。采用400 mm×170 mm型號(hào)時(shí)臨水側(cè)鋼板樁的水平位移為30.05 mm，比采用400 mm×100 mm型號(hào)時(shí)的水平位移減小了63.5%，并能將2排鋼板樁的水平位移均控制在0.7%H1之內(nèi)；而采用500 mm×225 mm型號(hào)時(shí)臨水側(cè)鋼板樁水平位移為19.97 mm，相比400 mm×170 mm型號(hào)時(shí)的水平位移減小39.2%，此時(shí)安全余量已經(jīng)較大。出于對(duì)工程安全性和經(jīng)濟(jì)性的全面考慮，建議對(duì)一般擋水情況下的圍堰工程可優(yōu)先采用400 mm×170 mm型號(hào)的U型鋼板樁。

圖5 鋼板樁水平位移與鋼板樁型號(hào)的關(guān)系

2.4 拉桿布置的影響

為保持雙排鋼板樁的變形協(xié)調(diào)，通常會(huì)在鋼板樁之間設(shè)置鋼拉桿以提升圍堰的整體穩(wěn)定性。目前針對(duì)雙排鋼板樁鋼拉桿布置優(yōu)化的研究分析較少，相關(guān)規(guī)范中對(duì)于拉桿布置數(shù)量、拉桿距樁頂距離等具體設(shè)置也尚未給出明確要求?；谇笆瞿Ｐ驮O(shè)置，即假定擋水高度為4 m，鋼板樁出土高度H1=4.5 m，入土深度H2=7.5 m，采用400 mm×170 mm型號(hào)的U型鋼板樁，圍堰高寬比為1.0，研究分析不同拉桿布置條件下拉桿的受力情況及其對(duì)鋼板樁變形的約束作用?？紤]單根拉桿布置的8種工況以及雙根拉桿布置的3種工況，模擬計(jì)算結(jié)果見表3，鋼板樁水平位移與拉桿布置的關(guān)系見圖6。

表3 拉桿布置對(duì)鋼板樁水平位移的影響

圖6 鋼板樁水平位移與拉桿布置的關(guān)系

由表3和圖6共同分析可知，當(dāng)雙排鋼板樁之間只布置1根拉桿時(shí)，隨著拉桿的垂直位置與樁頂距離的增加，臨水側(cè)鋼板樁的水平位移不斷減??；而陸地側(cè)鋼板樁的水平位移則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)拉桿距樁頂2 m左右時(shí)，陸地側(cè)鋼板樁的水平位移達(dá)到最小值，為27.16 mm，此時(shí)內(nèi)外2排鋼板樁的水平位移極值基本一致；當(dāng)拉桿距樁頂大于2 m后，內(nèi)外2排鋼板樁之間的位移差則逐漸增大，不利于圍堰的整體變形協(xié)調(diào)。此外，由表3可知，拉桿距樁頂越遠(yuǎn)，所承擔(dān)的拉力作用越大，其功能發(fā)揮越充分。從表3可知，布置2根拉桿的情況與布置1根拉桿相比，并未對(duì)雙排鋼板樁的水平位移有明顯的進(jìn)一步約束作用。布置2根拉桿時(shí)，距離樁頂較近的拉桿所承受的拉力值較小，未能充分發(fā)揮其拉力作用，因此在擋水高度不大的圍堰工程中，可優(yōu)先考慮布置1根拉桿，并在保證圍堰整體穩(wěn)定性的前提下適當(dāng)降低拉桿的位置。

3 結(jié)論

1)在不同擋水高度情況下，雙排鋼板樁的水平位移隨寬高比的增加而減小，當(dāng)寬高比增大到一定數(shù)值時(shí)，便難以再對(duì)鋼板樁的水平位移產(chǎn)生進(jìn)一步的約束。對(duì)于3 m擋水高度，雙排鋼板樁圍堰的安全系數(shù)較高，寬高比達(dá)0.5即可滿足位移限制要求；對(duì)于4 m擋水高度，圍堰寬高比取0.7～1.5可較好地滿足結(jié)構(gòu)安全性與工程經(jīng)濟(jì)性要求；對(duì)于5 m以上的擋水高度，計(jì)算得到的鋼板樁水平位移較大，此時(shí)需要采取的寬高比值為1.6以上，實(shí)際工程中可考慮適當(dāng)增加鋼板樁的插入比并選取抗彎剛度較高的鋼板樁型號(hào)以滿足圍堰體系的變形要求。

2)擋水高度在4 m左右時(shí)，當(dāng)插入比小于1.5時(shí)，雙排鋼板樁的水平位移隨插入比的增加而減??；插入比超過(guò)1.5之后，增大插入比則對(duì)圍堰水平位移的影響較小。建議插入比取值為1.1～1.5。

3)針對(duì)上海地區(qū)的常見雙排鋼板樁圍堰工程，擋水高度為4 m左右時(shí)，400 mm×170 mm型號(hào)的U型鋼板樁性價(jià)比較高，能夠有效控制圍堰水平位移，經(jīng)濟(jì)性較好。

4)在4 m擋水情況下，雙排鋼板樁間拉桿的垂向布置存在最優(yōu)位置。當(dāng)拉桿布置在最優(yōu)位置以上時(shí)，兩側(cè)鋼板樁的水平位移均會(huì)隨拉桿與樁頂距離的增加而減小；而當(dāng)拉桿處于最優(yōu)位置以下時(shí)，兩側(cè)鋼板樁的水平位移差會(huì)逐漸增大，不利于圍堰體系的整體變形協(xié)調(diào)。此外，布置2根拉桿對(duì)圍堰水平位移的約束作用不大，擋水高度不高時(shí)建議優(yōu)先考慮只布置1根拉桿。