◎ 肖萌 沈佳琳 黃澤華,2 溫珊珊,2 官大庶 田超賢

1.廣東水利電力職業(yè)技術學院市政工程學院；2.嘉應學院土木工程學院；3.中鐵建設集團華南分公司

1.前言

在內陸地區(qū)鋼板樁圍堰常用于基坑支護[1-2]、綜合管廊與地下隧道的建設中起到良好的止水和圍護作用。在近海工程中常用于船塢的修建、海上工程樁、海底隧道的修建中，是一種非常常見的圍護結構。由于近海工程施工環(huán)境相對惡劣，對圍護結構的變形與受力控制相對嚴格，為保證施工的正常進行，施工過程把控就顯得十分重要。

對于基坑等圍護結構，不少學者做了大量的研究。李寶平[3]通過工程實例比較了不同階段、不同開挖深度下樁錨支護結構系統(tǒng)支樁的水平位移。張培印等[4]采用有限元數(shù)值分析方法，探討了流固耦合作用與坑內預留反壓土作用對基坑圍護結構變形的影響。龔東慶[5]對基坑開挖造成的變形進行了評估其評估了開挖導致的圍護結構變形和地表沉降。

近海工程鋼板樁圍護結構從變形與受力原理上與基坑圍護結構類似，但考慮的影響因素不盡相同。郭紹曾等[6]對海底土體進行了分析，對樁靴的插入時產生的擠土效應進行了具體的分析，從而在樁身應力的評估中找出了樁靴插入深度對樁穩(wěn)定性的影響情況。彭文勇等[7]以某大橋工程項目為例，采用空間有限元法計算結合現(xiàn)場實測，對深水橋墩鋼板樁圍堰深層水平位移預警值進行研究。羅毅等[8]以深圳海濱大道一期A段海底隧道工程為背景，利用PLAXIS數(shù)值模擬軟件建立有限元模型，系統(tǒng)地研究了海域雙排鋼板樁圍堰與明挖基坑變形特性及相互影響規(guī)律，分析了圍堰與基坑距離、基坑內支撐形式及基坑開挖步序等因素對鋼板樁圍堰變形的影響。

本文對近海工程中鋼板樁圍堰在施工過程中的受力與變形控制進行研究。分析從降水、建立內支撐、開挖淤泥等不同施工工況下的土體、鋼板樁與內支撐支護體系的變形與受力影響因素。通過數(shù)值模擬方法，將理論結合實際工程情況進行分析，為類似工程施工過程及施工方法提供建議。

2.工程模型的建立

2.1 工程背景

近海工程中鋼板樁圍堰常用于進行海上平臺、跨海大橋的基礎修建中，在工程施工前期起到的臨時支護作用，為施工人員提供一個良好、安全的施工作業(yè)環(huán)境。圖1為某跨海大橋主橋墩鋼板樁圍堰。

圖1 某跨海大橋主橋墩鋼板樁圍堰

此外，鋼板樁圍堰還常見于船塢的修建，圍堰圍起來的一個封閉密水性高的施工作業(yè)范圍，可將內部干燥的作業(yè)面與外部海水阻隔，為船只的維修與養(yǎng)護提供一個干燥作業(yè)環(huán)境。當然，鋼板樁在內陸地區(qū)可用于基坑、地下工程、地下綜合管廊、地下隧道的建設，那么，海上鋼板樁圍堰同樣也能用于基坑、海底隧道、海底管線、海洋平臺、海上風機的建設，用途廣泛。

近海海洋工程場地中，地層條件較為復雜，除了需要看看上覆海水層，海床場地的土質條件與內陸地區(qū)差別很大，海床場地上覆土層有魚、蝦、海貝、海洋動物糞便及沉積物，本項目場地上層土為淤泥質土，厚8m，后期施工如果建立群樁＋承臺結構，需在土層上部進行高達3m的混凝土封底，再進行群樁承臺的施工。防止泥漿翻涌到施工區(qū)域，影響正常施工。

2.2 模型的建立

利用有限元分析軟件模擬鋼板樁＋鋼支撐的支護方式，模擬過程中選取摩爾庫倫土體材料模型，①淤泥質軟土、②粉質黏土、③砂巖，各地層物理力學參數(shù)見表1。表2為各構件物理力學參數(shù)表。

表1 各土層物理力學參數(shù)

表2 各構件物理力學參數(shù)

為了達到計算精度，這里選用15節(jié)點三角形單元。降水總深度為18m，基坑開挖深度為8m，圍護樁樁長24m，安裝一層鋼支撐進行支撐。海洋場地混凝土支撐需要澆筑和養(yǎng)護，消耗的人工和工期較長，因此海上支護結構一般選擇輕巧、便于安裝的鋼結構進行支護。

通過有限元模擬軟件建立二維海洋場地鋼板樁圍堰支護模型，擬建場地為海洋場地，考慮到上浮海水的影響，這里將上浮海水設置為10m進行數(shù)值模擬。上覆海水水位位于+10m位置，土層頂面為±0m。土層從上至下依次是淤泥質軟土、粉質黏土、海底基巖，淤泥質軟土層厚為8m，粉質黏土層厚度為14m，底層為砂巖。模型尺寸為100m×60m。圖2為數(shù)值模擬模型的建立，圖3為模型網(wǎng)格的劃分圖。

圖2 模型的建立

圖4 初始狀態(tài)孔壓

3.數(shù)值分析

3.1 施工工序與初始工況

本工程工序包括了插入鋼板樁→降水→建立內支撐→降水→開挖。五個部分，詳細工況如下：

初始工況：原始海洋場地，上覆海水層厚度10m，土層依次為：淤泥質軟土厚8m，粉質黏土厚14m，底部為砂巖；

工況一：插入鋼板樁；

工況二：降低海水水位至土層頂面位置，原本海水水位位于+10m位置降至±0m位置；

工況三：建立內支撐，位于+5m位置；

工況四：降低地下水位至-8m位置；

工況五：開挖淤泥質土。

本文后續(xù)將對不同工況下土體的變形與應力分布情況進行分析，并對支護結構：鋼板樁圍堰、內支撐結構的變形與受力情況進行分析。圖四為初始工況原狀海洋場地的初始狀態(tài)孔壓。

3.2 不同工況下土體變形分析

由表3、圖5至圖8可知：工況三的橫向變形為0.07764m＜工況二的0.07824m，工況三的豎向變形為0.02090m＜工況二的0.02119m，說明內支撐結構對土體變形能夠起到有效控制作用。工況四的橫向變形隨降水深度的增加，增加至0.08466m，縱向變形為-0.01524m小于前兩次工況，且方向反向。說明隨著基坑內降水，土體由飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，少了海水浮力的作用，土體中的有效應力增加，土體被壓縮。而前面的工況中通過降水減小的是上覆海水的壓力作用，因此土體發(fā)生回彈，如果是淤泥質土則會產生上涌，因此施工時需要注意，必要時需將土體進行反壓防止涌土。

表3 不同工況下土體最大變形值（絕對值最大）

圖5 工況二-降水至土層頂面位移圖

圖6 工況三-建立內支撐位移圖

圖7 工況四-降水至-8m位移圖

圖8 工況五-開挖淤泥質土位移圖

工況五的橫向變形達到最大值0.1103m，縱向變形達到最大值0.03348m。開挖了淤泥質土后，下層土體由于上覆荷載減小為零產生一定程度的回彈，縱向變形再次反向向上。由此可見，地下水與基坑開挖上覆荷載的變化對基坑的縱向變形影響較為明顯，會導致變形增量過大，以及反向變形等結果。

3.3 不同工況下土體應力分析

由表4和圖9可知，工況二～工況四，土體中的橫向有效應力、縱向有效應力、橫向總應力、縱向總應力隨著施工的進行逐漸增大。直到工況五階段，土體中的橫向有效應力、縱向有效應力、橫向總應力、縱向總應力相較工況四要偏小。這是因為在開挖淤泥質土時是一個卸荷過程，減小了土中應力，屬于正常情況。尤其是豎向有效應力發(fā)生了很大變化僅有-702.9kN/m2，比工況二的-752.0kN/m2更小。

表4 不同工況下土體最大應力值（絕對值最大）

圖9 工況三-建立內支撐應力圖

圖10為排樁橫向位移圖，由圖可知，最大位移位于鋼板樁頂部，約為0.16m。工況五開挖淤泥質土在+5m位置的橫向位移發(fā)生了改變，+5m位置為內支撐支護位置，工況五的頂部位移減小，說明內支撐支護結構有效控制了鋼板樁的變形。隨著基坑開挖，鋼板樁在+5m以下的橫向位移發(fā)生了較大變化，影響深度從+5m到-20m，這個區(qū)間內鋼板樁橫向位移比之前幾種工況下明顯更大，說明土體開挖對鋼板樁的側向位移影響較大，內支撐的存在又使應力重分配，最大變形位置有向鋼板樁中下部移動的趨勢。

圖10 鋼板樁橫向位移

圖11～13分別為不同工況下，排樁的剪力圖、排樁彎矩圖與排樁軸力圖，由圖可知，由于位于+5m位置的內支撐的影響，鋼板樁在+5m位置時剪力、彎矩、軸力發(fā)生突變，應力重分配這種情況在工況四與工況五更為明顯。尤其是在工況五情況下，開挖土體產生卸荷，鋼板樁的承受的荷載增加。工況四情況下的軸力大于工況五，是由于工況五開挖土體產生卸荷作用，作用于鋼板樁上的土壓力減小，工況五的鋼板樁軸力較小，而工況四為降水，土體中應力增加，作用于鋼板樁上土體的側壓力劇增，使工況四的鋼板樁軸力增加。

圖11 鋼板樁剪力圖

圖12 鋼板樁彎矩圖

圖13 鋼板樁軸力圖

施工過程中鋼板樁剪力不超過6 0 0 k N，鋼板樁彎矩不超過1500kN·m，軸力不超過1000kN，鋼板樁支護結構較為穩(wěn)定。

3.5 內支撐變形與受力分析

由圖14、圖15可知，內支撐的豎向位移發(fā)生在支撐中部且位移向下，工況四及工況五均使內支撐位移減小。其中工況五更為顯著，而淤泥質土的開挖是一個卸荷過程，對照內支撐的彎矩圖，工況五情況下的彎矩更大但豎向位移更小，說明內支撐起到一定的支護作用承受的基坑側壁土壓力更大，因此彎矩更大，但由于基坑變形、坑底回彈等一些因素在豎向位移上的反應是減小。因此，產生變形和受力不一致的現(xiàn)象。也因此，在分析內支撐及鋼板樁變形與受力時需根據(jù)工況、基坑變形情況以及其他構件的變形與受力綜合分析。

圖14 內支撐豎向位移圖

圖15 內支撐彎矩變化圖

施工過程中，內支撐的最大位移不超過0.025m，最大彎矩不超過1500kN·m，支護結構較為穩(wěn)定。

4.結論

近海工程鋼板樁圍堰施工過程中，需要關注圍堰基坑內部與周邊土體的變形與內力變化、鋼板樁與內支撐支護結構的變形與內力的變化情況從而保證施工過程中的安全和穩(wěn)定。通過數(shù)值模擬進行施工過程中不同工況下的模擬計算，得到如下結論：

（1）淤泥質土場地施工時需要注意，上覆海水抽走后，土體上覆壓力減小，施工過程中會產生上涌現(xiàn)象，因此施工時需要注意，必要時需將土體進行反壓防止涌土。

（2）近海工程鋼板樁施工過程中需要注意降水的影響，隨著基坑內降水，土體由飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，土體中的有效應力增加，土體被壓縮，土體內部會產生應力集中現(xiàn)象。作用在支護結構上的土壓力增加，變形會增大。

（3）支護體系在復雜環(huán)境下施工會產生變形和受力不協(xié)同變化的現(xiàn)象。因此，在分析內支撐及鋼板樁變形與受力時，需根據(jù)工況、基坑變形情況以及其他構件的變形與受力綜合分析。

（4）在海域區(qū)域內進行土體開挖，建立內支撐可有效控制鋼板樁頂部變形，但基坑開挖會導致鋼板樁中段產生較大變形，因此內支撐的位置也是施工過程中需要考慮地方，施工時需要對變形進行實時監(jiān)測。