鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

趙伏田，張福海，張永立

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098;2.河海大學(xué)堤壩與巖土工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇南京210098)

鋼板樁因其自身結(jié)構(gòu)輕、強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)便、耐久性好、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于碼頭、船塢、基坑等工程。王維成等人在研究基坑中鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果中發(fā)現(xiàn)鋼板樁的入土深度并非越長(zhǎng)越好［1］。夏軍在研究軟土地基中鋼板樁碼頭的位移變形時(shí)指出板樁位移與結(jié)構(gòu)受力的相關(guān)性，并提出了單錨式板樁結(jié)構(gòu)的允許位移值［2］。本文就將從研究鋼板樁應(yīng)用于航道支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用性出發(fā)，通過數(shù)值模擬研究鋼板樁的入土深度、錨桿錨固位置和錨桿傾角對(duì)鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力以及岸坡整體穩(wěn)定性的影響。

1 計(jì)算模型的建立與模型參數(shù)的選取

本文模型的建立主要依據(jù)蘇南運(yùn)河常州段航道升級(jí)工程中N2型鋼板樁護(hù)岸斷面，岸坡計(jì)算模型如圖1所示，水平方向?yàn)?0 m，豎直方向30 m，上部的斜坡坡高2.4 m，坡比為2.4:1，下部的斜坡坡高2 m，坡比1:5，兩斜坡中間的直立邊坡的高度為4.4 m，下部斜坡與中間直立邊坡之間有個(gè)1 m寬的平臺(tái)。

表1不同深度土體的計(jì)算參數(shù)Tab.1 The calculation parameters at different depths of the soil

表2錨桿參數(shù)Tab.2 The parameters of anchor

表3冷彎鋼板樁材料性質(zhì)Tab.3 Cold －formed steel sheet pile material properties

模型中土體單元采用四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，土體本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb彈塑性模型，不同深度的土體計(jì)算參數(shù)如下表1所示。錨桿采用線彈性二維彈性桿單元模擬，假定只有軸向變形，其計(jì)算參數(shù)如下表2所示。

鋼板樁選用900×350型冷彎鋼板樁，鋼板樁假定為矩形截面，彈性模量E=210 GPa，泊松比υ=0.3，樁厚為單位厚度，根據(jù)抗彎剛度EI折算為等模量實(shí)體截面寬度為0.09 m。鋼板樁具體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表3所示:

2 懸臂式鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

懸臂式鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的變形主要取決于鋼板樁的入土深度。本節(jié)將模擬不同插入比條件下的懸臂式鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)，選取的插入比分別為 0.82、1.05、1.27、1.5，對(duì)應(yīng)的樁長(zhǎng)為 8、9、10、11m。

2.1 不同插入比鋼板樁對(duì)岸坡整體穩(wěn)定性的影響

圖2給出了不同插入比鋼板樁支護(hù)岸坡土體的塑性應(yīng)變圖。

由圖2(a)可以看出，鋼板樁插入比為0.82時(shí)，岸坡的塑性變形較大，樁體頂部與底部之間土體的塑性區(qū)完全貫穿，此時(shí)岸坡發(fā)生破壞。由圖2(b)可以看出，鋼板樁插入比為1.02時(shí)，岸坡連續(xù)貫穿的塑性應(yīng)變區(qū)消失了。隨著鋼板樁入土深度的增加，岸坡的塑性應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)鋼板插入比1.5時(shí)，此時(shí)岸坡的塑性應(yīng)變最小。說明增加懸臂鋼板樁的入土深度，可以提高岸坡的整體穩(wěn)定性。

2.2 不同插入比對(duì)鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力的影響

鋼板樁合理的入土深度不僅要滿足護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求，也要滿足結(jié)構(gòu)位移變形的要求。圖3為不同插入比的鋼板樁水平位移圖，圖4為不同插入比的鋼板樁彎矩圖。

如圖3可以看出，隨著鋼板樁入土深度的增加，樁身的最大位移均逐漸減小。鋼板樁插入比為0.82時(shí)，鋼板樁整體有明顯的傾覆趨勢(shì)。鋼板樁插入比為1.05時(shí)，樁身的最大位移有5.2 cm，明顯大于插入比1.27與1.5的情況。而板樁插入比為1.27與1.5時(shí)，板樁位移變化趨勢(shì)與最大水平位移值相近，由此可以得出當(dāng)鋼板樁的插入比超過1.27時(shí)，增加板樁的入土深度對(duì)于減小岸坡和板樁的水平位移作用不明顯。

由圖4可以看出，鋼板樁插入比在0.8～1.5范圍內(nèi)的最大彎矩均小于樁身的最大彎矩，樁身的抗彎強(qiáng)度均滿足要求。但鋼板樁插入比為0.82與1.05時(shí)的彎矩值均在一側(cè)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知板樁的入土深度還未達(dá)到最佳入土深度，此時(shí)樁體的破壞模式主要是由于樁身入土深度不足而導(dǎo)致的樁身傾覆破壞。

綜合考慮岸坡的塑性變形與鋼板樁的位移及內(nèi)力可知，板樁的最優(yōu)插入比應(yīng)在1.05～1.27。當(dāng)鋼板樁的插入比小于最優(yōu)插入比時(shí)，板樁易發(fā)生傾覆破壞，此時(shí)增加鋼板樁的入土深度能明顯改善護(hù)岸結(jié)構(gòu)的位移變形，提高岸坡整體穩(wěn)定性。當(dāng)板樁插入比超過最優(yōu)插入比時(shí)，繼續(xù)增加鋼板樁入土深度對(duì)于改善結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力效果不明顯。

3 拉錨對(duì)懸臂式鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)的加固效果研究

鋼板樁通常聯(lián)合錨桿形成樁錨體系，通過錨桿的受拉作用限制鋼板樁樁頂?shù)乃轿灰坪图s束岸坡土體的變形。本節(jié)將研究錨桿對(duì)岸坡穩(wěn)定性與板樁位移變形的影響。鋼板樁樁長(zhǎng)為10 m，錨桿錨固端距離樁頂2.0 m。

3.1 拉錨對(duì)岸坡的整體穩(wěn)定性與位移變形的影響

圖5為懸臂式鋼板樁護(hù)岸與拉錨式鋼板樁護(hù)岸的塑性應(yīng)變?cè)茍D。

對(duì)比圖5(a)和5(b)可以發(fā)現(xiàn)，未施加錨桿時(shí)，插入比為1.27的懸臂鋼板樁岸坡出現(xiàn)連續(xù)貫穿的塑性應(yīng)變區(qū)，岸坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，在施加錨桿后，岸坡連續(xù)貫穿的塑性應(yīng)變區(qū)消失。說明增設(shè)錨桿可以有效地改善岸坡的塑性應(yīng)變，提高岸坡整體穩(wěn)定性。

圖6為懸臂式鋼板樁護(hù)岸與拉錨式鋼板樁護(hù)岸的土體位移云圖。

圖6(a)中岸坡土體位移最大值是8.6 cm，出現(xiàn)在板樁懸臂段中上部。圖6(b)中岸坡土體的最大位移發(fā)生在板樁下部，數(shù)值為3.2 cm，說明錨拉式板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)能夠有效地約束岸坡土體的變形，提高岸坡的整體穩(wěn)定性。

3.2 拉錨對(duì)減小鋼板樁樁長(zhǎng)的影響

圖7為鋼板樁的水平位移圖。

由圖7中兩種不同形式的鋼板樁水平位移變形可以看出，增設(shè)錨桿后，9 m拉錨鋼板樁的最大位移值為2.8 cm，小于10 m懸臂鋼板樁的最大位移4.6 cm，說明通過增設(shè)錨桿不僅可以有效地約束岸坡的變形而且可以起到減小鋼板樁樁長(zhǎng)的效果。

4 錨桿錨固位置與錨桿傾角的確定

研究拉錨式鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力時(shí)除了要考慮鋼板樁的入土深度不同對(duì)結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力產(chǎn)生影響外，還應(yīng)考慮錨桿的錨固位置與傾角的不同對(duì)其產(chǎn)生的影響。

4.1 錨桿錨固位置對(duì)岸坡水平位移的影響

本節(jié)選取了7個(gè)不同錨固位置，通過數(shù)值模擬研究其錨固位置對(duì)岸坡位移的影響。圖8為岸坡最大水平位移隨錨固位置下移的數(shù)值變化圖。

由圖8可以看出，當(dāng)錨固點(diǎn)距離樁頂距離超過1.5 m時(shí)，繼續(xù)降低錨固位置樁體最大位移減小幅度明顯減小，說明此時(shí)通過增加錨固深度來起到約束樁身最大位移的效果不再明顯。若再降低錨桿錨固位置不僅對(duì)于約束鋼板樁的變形沒有明顯效果反而會(huì)增加土方的開挖，容易導(dǎo)致岸坡在開挖過程中發(fā)生失穩(wěn)。由此得出錨桿的最佳錨固位置在距離樁頂以下1.5～2 m左右，此時(shí)錨桿對(duì)樁體變形的約束效果最好且利于岸坡的整體穩(wěn)定。

4.2 錨桿傾角對(duì)岸坡水平位移的影響

針對(duì)錨桿傾角，本節(jié)模擬了傾角為0°、10°、20°三種情況，錨桿錨固位置均距離樁頂2 m。圖9為錨桿不同傾角的鋼板樁水平位移圖。

由圖9可知，不同傾角的鋼板樁水平位移沿深度的變化趨勢(shì)基本相同且水平位移值也大致相等，表明改變錨桿傾角對(duì)于約束樁身的變形影響較小。

5 結(jié)論

1)對(duì)于懸臂式鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)，板樁的最優(yōu)插入比為1.05～1.27。當(dāng)鋼板樁的入土深度較小，即插入比較小時(shí)，鋼板樁會(huì)發(fā)生傾覆，導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。當(dāng)鋼板樁的入土深度以滿足最優(yōu)插入比的要求，繼續(xù)增加鋼板樁長(zhǎng)度，及增加入土深度，對(duì)于改善護(hù)岸結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力和岸坡的整體性的效果不大。

2)在鋼板樁的插入比一定的情況下，增設(shè)錨桿后護(hù)岸結(jié)構(gòu)的最大水平位置會(huì)下移，且最大位移值明顯小于懸臂式鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)，說明增設(shè)錨桿可以有效地改善護(hù)岸結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，提高岸坡的整體穩(wěn)定性。

3)在滿足岸坡整體穩(wěn)定性要求的情況下，增設(shè)錨桿還可以起到減小鋼板樁長(zhǎng)度的作用，降低了工程成本。

4)對(duì)于拉錨式鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋼板樁的長(zhǎng)度為10 m時(shí)，錨桿最佳錨固位置為距離樁頂1.5～2 m位置，錨桿傾角的改變對(duì)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響較小。

［1］王維成，田李亞，陳昌文.基坑支護(hù)中鋼板樁嵌固長(zhǎng)度相關(guān)問題探討［J］.建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià)，2009，2(10):10－15.

［2］夏軍.軟土地基鋼板樁碼頭允許位移探討［J］.水運(yùn)工程，2010(11):137－140.

［3］李 學(xué).鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究與有限元分析［D］.天津:天津大學(xué)，2007.

［4］賀煒，鄒建房，泓華.考慮樁土共同作用的鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算研究［J］.山西建筑，2008，34(34):97－98.

［5］US ARMY CORPS OF ENGINEERS.Engineering and Design– Design of Sheet Pile walls［S］.1994.

［6］TAN Y，PAIKOWSKY S G.Performance of sheet pilewall in peat［J］.Journal of Geotechnical and Geo－ enviromental Engineering，2008，134(4):445－458.

［7］ENDLEY S N，DUNLAP W A，KNUCKEY D M，et al.Performance of an anchored sheet－ pile wall［J］.Geotechnical Measurements，2000:179 －197.