基于MIDAS-GTS的鋼板樁圍堰整體抗滑穩(wěn)定分析

彭 淵 ，于世松 ，劉 剛 ，鄧成發(fā) ，劉勇林

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

浙江省沿海地區(qū)軟土地基深厚、土質(zhì)軟弱，因此在臨江、臨海水閘工程建設(shè)中，圍堰設(shè)計(jì)的優(yōu)劣制約著整個工程建設(shè)的投資和進(jìn)度。隨著國家海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，水利工程建設(shè)由高灘涂對圍堰的要求越來越高，傳統(tǒng)的圍堰如土石圍堰、草土圍堰、木板樁圍堰和木籠圍堰，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工程建設(shè)的要求。

隨著技術(shù)的發(fā)展，鋼板樁圍堰成為最常用的一種圍堰型式。鋼板樁是帶有鎖口的一種型鋼，其截面有直板形、槽形及Z形等，有各種大小尺寸及聯(lián)鎖形式。常見的有拉爾森式、拉克萬納式等。其優(yōu)點(diǎn)為：強(qiáng)度高，容易打入堅(jiān)硬土層；可在深水中施工，必要時(shí)加斜支撐成為一個圍籠；施工速度快；能按需要組成各種外形的圍堰，并可多次重復(fù)使用。但目前鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)無針對性的規(guī)范依據(jù)，實(shí)際工程多憑經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)參數(shù)[1-7]。本文以溫州市某鋼板樁圍堰工程為背景，借助先進(jìn)的巖土專用軟件Midas GTS對實(shí)際工程案例進(jìn)行安全復(fù)核，并對圍堰進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在數(shù)值分析過程中，采用滲流 — 應(yīng)力 — 邊坡模塊[8]，考慮滲流 — 應(yīng)力耦合作用，探討圍堰整體穩(wěn)定安全系數(shù)，為鋼板樁長度的選取提供參考。

2 工程概況

溫州市某擬建鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)型式見圖1。堰寬9.0 m，堰頂高程為5.50 m，外海側(cè)涂面高程為-2.50 m，基坑側(cè)開挖后基底高程為-4.50 m。設(shè)計(jì)水位為20 a一遇高潮位5.30 m。外海側(cè)鋼板樁采用U型熱軋鋼板樁，樁頂高程為6.80 m?；觽?cè)鋼板樁采用U型冷軋鋼板樁，頂高程為6.00 m。采用D2型鋼拉桿，布置間距1.4 m。表層地基采用4.0 m厚吹填砂置換，圍堰兩側(cè)采用拋石鎮(zhèn)壓，外海側(cè)鎮(zhèn)壓層長度27.0 m，基坑側(cè)鎮(zhèn)壓層長度為22.0 m，鎮(zhèn)壓層一級平臺高程為0.00 m，二級平臺高程為-1.00 m。

圖1 擬建鋼板樁圍堰典型斷面圖 單位：cm

鋼板樁圍堰施工過程為：①地基表層吹填砂置換；②鋼板樁打入設(shè)計(jì)深度；③拉桿、圍檁的安裝；④鋼板樁間回填砂與圍堰兩側(cè)拋石鎮(zhèn)壓層交替回填；⑤基坑側(cè)抽水排干[9]。

3 強(qiáng)度折減系數(shù)法

目前，研究邊坡穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方法主要有：極限平衡法、極限分析法、滑移線場法等。這些建立在極限平衡理論基礎(chǔ)上的各種穩(wěn)定性分析方法沒有考慮土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程，沒有考慮土體與支擋結(jié)構(gòu)的共同作用及其變形協(xié)調(diào)，在計(jì)算安全系數(shù)時(shí)通常需要假定滑裂面形狀為折線、圓弧、對數(shù)螺旋線等。而有限單元法不但滿足力的平衡條件，而且考慮材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，使得計(jì)算結(jié)果更加精確合理。本文引用有限元折減系數(shù)法[10]，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)求得的安全系數(shù)大小與程序采用的屈服準(zhǔn)則密切相關(guān)，不同的準(zhǔn)則得出不同的安全系數(shù)。π平面上不同α、k的屈服曲線見圖2。

圖2 π平面上不同α、k的屈服曲線圖

傳統(tǒng)的極限平衡法采用莫爾 — 庫倫準(zhǔn)則，但因莫爾 —庫倫準(zhǔn)則的屈服面為不規(guī)則的六角形截面的角椎體表面，存在尖頂和棱角，給數(shù)值計(jì)算帶來困難。本文采用徐干成、鄭穎人（1990）提出的莫爾 — 庫倫等面積圓屈服準(zhǔn)則代替莫爾 — 庫倫準(zhǔn)則，并導(dǎo)出各準(zhǔn)則間的換算系數(shù)η，由此可將求得的安全系數(shù)折算成莫爾 — 庫倫等面積圓屈服準(zhǔn)則下的安全系數(shù)[11-12]，不同摩擦角時(shí)的的換算系數(shù)η見表1。

表1 不同摩擦角時(shí)的η值

4 有限元計(jì)算模型

按照平面應(yīng)變問題建立模型[13]（見圖3 ～ 4）。為控制計(jì)算精度并節(jié)約計(jì)算時(shí)間，圍堰基本采用四邊形平面應(yīng)變網(wǎng)格劃分，圍堰及其附近網(wǎng)格采用細(xì)密網(wǎng)格劃分。鋼板樁、鋼拉桿設(shè)為線彈性模型，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.30。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，圍堰的剛度按復(fù)合樁墻的剛度折減50%與實(shí)際情況比較吻合，因此將鋼板樁的彈性模量取為原來的1/2[14]，即為105 GPa。拉森IV鋼板樁設(shè)計(jì)應(yīng)力容許值為200 MPa，內(nèi)支撐采用Q235B鋼材，設(shè)計(jì)應(yīng)力容許值為145 MPa。土體數(shù)值參數(shù)見表2。

圖3 整體有限元模型圖

圖4 圍堰有限元模型圖

表2 土體數(shù)值參數(shù)表

考慮到樁土作用的影響范圍，板樁圍堰左右邊緣向兩側(cè)延伸150.0 m，土層深度取80.0 m。在模型兩側(cè)添加水平約束，底邊界添加固定約束，模型上表面為自由邊界。外海側(cè)添加8.0 m總水頭，基坑側(cè)設(shè)置0.0 m總水頭。

本次主要針對鋼板樁最不利工況進(jìn)行模擬計(jì)算，即外水位為20 a一遇高潮位，基坑內(nèi)側(cè)施工區(qū)域?yàn)樯偎ò礋o水考慮）的最不利工況。按施工過程分階段依次加載模擬[15-16]。即初始地應(yīng)力→吹填砂（第1工序）→鋼板樁、鋼拉桿（第2工序）→鋼板樁內(nèi)側(cè)回填砂（第3工序、三步回填）→鋼板樁外側(cè)拋石（第4工序）→施工區(qū)抽水排干（第5工序，外海側(cè)水頭8.0 m，基坑側(cè)無水）的過程進(jìn)行施工步加載模擬。采用Midas GTS特有的滲流 — 應(yīng)力 — 邊坡分析功能，通過模擬不同的鋼板樁長度L（L分別取17.0 ，19.0，21.0，23.0，25.0，27.0 m），圍堰寬度B = 9.0 m，探討在堰寬一定的情況下合理的樁長。

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 整體穩(wěn)定分析

本次鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定系數(shù)依據(jù)SL 645 — 2013《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.5條規(guī)定，采用簡化畢肖普法計(jì)算時(shí)，4、5級圍堰的最小穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15。

圍堰最不利工況整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3及圖5。樁長17.0 m時(shí)，SRM法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)為1.06，對應(yīng)的施工區(qū)抽水排干工況最危險(xiǎn)滑弧面比較明顯，滑弧幾乎貫串上下游（見圖5 a），故不能滿足穩(wěn)定計(jì)算要求。樁長增加為19.0 m時(shí)，SRM法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)為1.09，下游側(cè)滑弧面明顯變淡（見圖5 b）。隨著樁長的增加，樁長為21.0，23.0，25.0，27.0 m對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.10、1.14、1.18、1.20。穩(wěn)定系數(shù)與樁長呈非線性的正相關(guān)關(guān)系。

表3 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

圖5 圍堰的最危險(xiǎn)滑弧面(采用Midas)圖

圍堰的典型最危險(xiǎn)滑弧面見圖6。

圖6 圍堰的典型最危險(xiǎn)滑弧面 (采用AutoBank) 圖

由表3可知，Midas與AutoBank（簡化Bishop法）計(jì)算的數(shù)值結(jié)果相近。對比圖6可知，2種軟件計(jì)算的最危險(xiǎn)滑弧面位置也相近。

由表3可知，25.0 m樁長的穩(wěn)定系數(shù)為1.18＞1.15，已滿足規(guī)范要求（經(jīng)驗(yàn)算，抗傾覆穩(wěn)定等也滿足規(guī)范要求）?？紤]到工程投資等因素影響，圍堰寬度為9.0 m時(shí)，推薦采用25.0 m樁長方案。

6 結(jié)論與建議

本文以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，采用MIDAS GTS和AutoBank兩種軟件對鋼板樁圍堰進(jìn)行計(jì)算，探討在最不利工況下樁長的變化對圍堰整體抗滑穩(wěn)定的影響，并得到如下結(jié)論：

（1）采用Midas GTS與傳統(tǒng)的畢肖普法計(jì)算結(jié)果相近，變化規(guī)律一致；鋼板樁圍堰整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)與樁長呈非線性的正相關(guān)關(guān)系。

（2）整體抗滑穩(wěn)定分析為鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的一個主要因素。尚需考慮其他安全因素，包括抗傾覆穩(wěn)定、抗?jié)B透破壞等，計(jì)算方法可參照相關(guān)規(guī)范，本文不再贅述。

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