于文華，司鵬飛*，田利勇，時方穩(wěn)

(1.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200061；2.上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

板樁式高樁承臺擋墻結(jié)構(gòu)是上海等軟土地區(qū)常見的水工結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式前排樁采用板樁墻，后排樁為方樁、矩形柱、PHC管樁或鉆孔灌注樁等。板樁墻能夠防止水土流失，后排樁和承臺組成的平面框架起到承擔(dān)土壓力和水壓力的作用。該擋墻結(jié)構(gòu)具有占地少、土方開挖少、抵抗變形能力強、施工簡便、可帶水施工等優(yōu)點，而且該結(jié)構(gòu)可以利用樁和墻作為基坑支護，成本較低，目前在內(nèi)河護岸、碼頭等工程中已得到較多應(yīng)用[1-4]。

板樁式高樁承臺結(jié)構(gòu)，其承臺與懸臂擋墻結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆，形成L型結(jié)構(gòu)。承臺以上，作用在整個結(jié)構(gòu)上的主動土壓力基本由擋墻承受；承臺厚度范圍內(nèi)的主動土壓力基本由承臺承受；承臺以下，主動土壓力則按剛度分配給各排樁基[4-5]。針對板樁式高樁承臺結(jié)構(gòu)，目前相關(guān)規(guī)范[6-7]中主要基于彈性地基梁假設(shè)，采用“m”法進行樁基內(nèi)力和變形計算，但上述計算方法無法準確刻畫墻后土壓力在前后排樁基之間的傳遞以及樁土共同作用；此外，板樁墻后側(cè)剩余水壓力的取值、墻前被動非均勻土體m值的確定等方面均存在一定的經(jīng)驗性[8-11]，造成實際設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)安全可靠度及結(jié)構(gòu)的科學(xué)合理性存在較大的不確定因素，因此對高樁承臺擋墻結(jié)構(gòu)進行更為精確的有限元數(shù)值模擬分析，對準確認識該結(jié)構(gòu)形式的受力變形特征，優(yōu)化設(shè)計方案具有重要的實際意義。

本文結(jié)合上海地區(qū)某船閘引航道擋墻工程，采用Plaxis有限元數(shù)值模型，計算分析了高樁承臺結(jié)構(gòu)前后各排樁基的受力變形特征，并與實際觀測數(shù)據(jù)進行了驗證對比，進一步探討了墻后土壓力在各排樁間的不均勻分布情況，為今后高樁承臺擋墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算提供了一定的理論依據(jù)。

1 工程設(shè)計方案

注：圖中高程單位為m，尺寸單位為mm。

該船閘工程為實地開挖，引航道設(shè)計底高程為-3.0 m，墻后地坪高程5.75 m，擋土高度達8.75 m，根據(jù)本工程實際情況，引航道擋墻采用板樁式高樁承臺結(jié)構(gòu)型式。擋墻頂高程6.75 m、頂寬0.5 m、墻身厚0.7 m，臨土側(cè)設(shè)置寬0.5 m、高1.0 m的倒角。擋墻底板即樁基承臺寬9.2 m、厚1.0 m、面高程2.0 m。前排板樁采用樁長7 m、400×125 mm型號的U型鋼板樁，主要起防止土體淘刷的作用；樁基采用四排Φ 900 mm的C30鉆孔灌注樁(臨水側(cè)為第一排樁，下同)，樁長均為25 m；其中第1排樁間距1.1 m，第2～4排樁的間距為2.2 m。墻后承臺上方回填土范圍設(shè)厚0.3 m的級配碎石排水設(shè)施。

2 有限元模型建立

2.1 計算模型

該船閘工程的引航道橫斷面為對稱結(jié)構(gòu)，故可選取半結(jié)構(gòu)進行建模計算。模型的尺寸為水平80 m×豎直45 m，建立的模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。根據(jù)實際施工情況，模型中的施工順序為樁基施工→放坡開挖→擋墻施工→墻前河道開挖→通水回填。模型計算域范圍內(nèi)左右邊界處土體受到水平方向的位移約束，而底部邊界土體同時受到水平和豎直方向的位移約束。

2-a 樁基施工 2-b 放坡開挖 2-c 擋墻施工

2.2 本構(gòu)模型參數(shù)

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

前排板樁、擋墻采用板單元模擬，后排灌注樁采用嵌入式排梁單元模擬，材料物理參數(shù)按實際給定，各結(jié)構(gòu)體之間均采用剛性連接。有限元數(shù)值計算過程中結(jié)構(gòu)與土體間的相互作用通過設(shè)置界面接觸單元來模擬，結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表2。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 計算成果分析

3.1 樁基水平位移分析

通過Plaxis有限元模擬計算，得到了前后各排樁的水平位移，并與有實測數(shù)據(jù)的第1、2排樁的位移變形值進行了對比，如表3和圖3所示。

圖3 各排樁水平位移變形

表3 各排樁水平位移變形對比

3.2 樁基受力特征分析

該船閘工程的引航道擋墻主要依靠樁基與承臺組成的框架結(jié)構(gòu)來抵抗墻后土壓力，以保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。計算得到的前后各排樁的彎矩內(nèi)力分布見表4和圖4。此外，考慮到本工程前排淺埋U型鋼板樁(樁長7 m，入土約3 m)主要起到防止土體淘刷的作用，其對整體結(jié)構(gòu)水平受力的貢獻在下文分析中忽略不計。

表4 各排樁彎矩極值分布(單延米)

圖4 各排樁彎矩內(nèi)力(單延米)

根據(jù)計算可知：各排樁的最大正彎矩均出現(xiàn)在樁頂位置處，第4排樁的正彎矩值最大，達到了163.90 kN·m，向前各排樁的正彎矩值依次減小，第1排樁的正彎矩值降低為67.15 kN·m，這與承臺的卸荷作用及樁基間的遮簾作用有關(guān)。整體來看，后三排樁的彎矩沿樁身的分布規(guī)律較為一致，而第1排樁由于受到前后土壓力的突變，在開挖面以上其內(nèi)力分布特點與后幾排樁存在顯著差別。此外由圖4可知，各排樁最大負彎矩出現(xiàn)的位置從前至后有逐漸升高的趨勢，在一定程度上反映出土體破裂面與水平面存在一定的夾角，因此在利用傳統(tǒng)彈性地基梁方法計算樁基受力時，需要考慮泥面線從前至后排樁的抬升效應(yīng)。計算得到第4排樁的負彎矩值最大，為-49.38 kN·m，而第1排樁的負彎矩值最小，為-37.48 kN·m。

3.3 土壓力分布

各排樁所在位置處土壓力沿深度方向的分布見圖5。表5為開挖面上、下各排樁有效土壓力合力的對比情況?？梢钥闯鲈陂_挖面(y=-3 m)以上各排樁承受的土壓力有所不同，第1排樁承擔(dān)的有效土壓力值最小，表明后排樁的存在對前排樁具有一定的遮簾作用，承擔(dān)了較大的土壓力。而在開挖面以下各排樁承擔(dān)的土壓力基本相同，結(jié)合圖3分析可知，在開挖面以下各排樁的水平位移變形較小且位移值基本一致，所以各排樁間的土壓力值并無太大差異?；诒疚哪M得到的結(jié)果，對于目前常用的彈性地基梁法(如“m”法)來講，在計算荷載作用下多排樁基的受力和水平位移時，可以適當(dāng)考慮開挖面以上后排樁對前排樁的遮簾以及承臺的卸荷作用，以使計算結(jié)果更符合群樁基礎(chǔ)的實際受力情況。

表5 各排樁有效土壓力合力值對比

圖5 各排樁有效土壓力分布

4 結(jié)論

本文針對上海地區(qū)某船閘引航道擋墻的板樁式高樁承臺結(jié)構(gòu)，采用有限元數(shù)值模型，結(jié)合觀測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)的變形受力特征進行了研究分析，得到如下結(jié)論：

(1)多排樁高樁承臺結(jié)構(gòu)受力機理復(fù)雜，傳統(tǒng)計算方法無法充分考慮樁土相互作用以及多排樁之間的相互影響。本文通過建立有限元模型，實現(xiàn)了對復(fù)雜情況的準確模擬。研究表明板樁式高樁承臺結(jié)構(gòu)能夠有效承擔(dān)土、水壓力，整體變形協(xié)調(diào)能力較強，可適用于軟土地區(qū)船閘引航道的擋土工程。

(2)計算得到的前后各排樁的水平位移沿垂向逐漸增加，整體趨勢與觀測值吻合較好。各排樁的最大水平位移值從前向后依次減小，位移極值均控制在10 mm左右。

(3)由于承臺的卸荷作用以及后排樁的遮簾作用，各排樁的最大正、負彎矩值從前向后依次減小，各排樁最大負彎矩的位置從前向后逐漸抬升，其中第4排樁的正彎矩值最大，在樁頂處達到163.90 kN·m。

(4)計算結(jié)果表明，在開挖面以下各排樁土壓力分布趨勢相近，承擔(dān)的土壓力值基本相等；而在開挖面以上，由于后排樁的遮簾作用，第1排樁承擔(dān)的有效土壓力值明顯小于后幾排樁。