深厚淤泥層地質(zhì)條件下雙排鋼板樁圍堰有限元分析

許 亮

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

圍堰作為臨時(shí)擋水建筑物，相比大壩和水閘等永久水工建筑物，其穩(wěn)定性要求相對(duì)較低。相較于單排鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，雙排鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)由于具有拉桿增強(qiáng)樁體自身剛度和穩(wěn)定性，能夠有效限制土體的側(cè)向變形，確保圍堰施工期安全。因此，在市政、建筑和水利工程領(lǐng)域，雙排鋼板樁基坑和圍堰得到廣泛使用，尤其是軟土地質(zhì)條件下。然而，目前對(duì)于雙排鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)施工過程中鋼板樁內(nèi)力和變形，在結(jié)構(gòu)可靠性分析中具有局限性。因此，依靠工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)深厚淤泥層地區(qū)進(jìn)行鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足水利工程建設(shè)的需求，需要結(jié)合其他方法對(duì)雙排鋼板樁圍堰進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

目前，鋼板樁圍堰穩(wěn)定性研究方法主要分為模型試驗(yàn)和數(shù)值分析兩大類。由于模型試驗(yàn)投資大，周期長，使得其運(yùn)用并不廣泛。而采用數(shù)值分析方法對(duì)雙排鋼板樁進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，首先需要找到合適的計(jì)算模型。目前，雙排鋼板樁常見模型和簡化計(jì)算方法概括為以下四類：①地基梁法，將雙排鋼板樁看作門式鋼架，簡化成彈性地基梁計(jì)算模型；②比例系數(shù)法，將鋼板樁和連梁看作底端嵌固的鋼架結(jié)構(gòu)，假定連梁為剛體，只能平移而不能轉(zhuǎn)動(dòng)；③等效抗彎剛度法，根據(jù)等效抗彎剛度原理，將雙排鋼板樁簡化成桿系有限單元；(4)有限元法。其中，地基梁理論計(jì)算復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)，比例系數(shù)法存在土壓力人為分配的缺點(diǎn)，等效抗彎剛度法在對(duì)樁體嵌固深度較淺的雙排樁進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將樁后被動(dòng)區(qū)的土壓力看作主動(dòng)土壓力，與鋼板樁實(shí)際受力有較大差異。有限元法相較于其他3種方法，具有計(jì)算簡便、可考慮樁-土之間作用力、便于參數(shù)分析以及使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。近年來，有限元數(shù)值分析方法在深厚淤泥層地質(zhì)條件下雙排鋼板樁穩(wěn)定性分析也得到了廣泛應(yīng)用。本文以廣東省某水利工程為例，基于Midas-GTS有限元數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)深厚淤泥層地質(zhì)條件下雙排鋼板樁圍堰的應(yīng)力應(yīng)變以及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，為圍堰的安全施工提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)，也可給其他類似工程提供參考。

1 工程概況

塭嘴水閘位于廣東省汕頭市，水閘安全鑒定報(bào)告指出：圍堰堰基地層為深厚淤泥層，地基承載力低，地質(zhì)條件差。水閘左岸下游存在輪船碼頭，土石圍堰的施工將會(huì)影響航運(yùn)，而在深厚淤泥層地質(zhì)條件下，單排鋼板樁圍堰支護(hù)形式穩(wěn)定性較差，因此，最終經(jīng)過圍堰方案比選，結(jié)合當(dāng)?shù)仄渌こ探?jīng)驗(yàn)，采用雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)形式，鋼板樁之間填土，通過拉桿形成一個(gè)整體。圍堰堰寬10.0m，堰頂標(biāo)高為2.27m。采用拉森SP-IV型鋼板樁，樁頂標(biāo)高為2.27m，樁底標(biāo)高-21.73m，樁長24m。在圍堰兩側(cè)高程為-5.0m處設(shè)拋石平臺(tái)護(hù)腳，寬8.0m，坡比為1∶2.5。圍堰設(shè)置2道拉桿，第一道拉桿位于標(biāo)高-1.0m位置處，第二道拉桿位于標(biāo)高1.0m位置處，拉桿水平間距為2m，采用Ф50鋼筋。雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)剖面圖

序號(hào)土層名稱層厚/m密度/(g·cm-3)壓縮模量/(E/kPa)泊松比/μ粘聚力/(c/kPa)內(nèi)摩擦角/φ/(°)1填土9.21.804.50.258.0122中粗砂2.01.85280.200.2303淤泥9.01.653.20.285.084中砂—1.90300.200.230

表2 拉森SP-IV型鋼板樁材料參數(shù)

1.1 地層參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，并參考該地區(qū)其他工程項(xiàng)目巖土體參數(shù)取值，得到的地層巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值，見表1。其中粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ取飽和快剪指標(biāo)。拉森SP-IV型鋼板樁材料參數(shù)見表2。

1.2 計(jì)算工況

本次工程圍堰施工分為以下五個(gè)步驟：①鋼板樁施工；②回填土，施工第一道拉桿；③基坑內(nèi)側(cè)和外側(cè)拋石壓腳；④回填土，施工第二道拉桿；⑤施工區(qū)內(nèi)抽水。當(dāng)施工區(qū)處于無水的情況時(shí)，圍堰處于最不利的工況。

2 有限元建模

2.1 模型范圍及單元選擇

模型的尺寸主要通過圍堰的尺寸以及變形影響范圍來確定?？紤]到圍堰在水平方向和垂直方向的變形影響范圍，取基坑深度和寬度二者大值的3～5倍作為模型邊界。確定模型水平方向長124m，豎直方向長47m。為提高模型計(jì)算效率，本次模擬簡化成二維平面應(yīng)變問題，采用二維平面應(yīng)變有限元模型進(jìn)行計(jì)算。各地層均采用混合網(wǎng)格生成。鋼板樁采用梁單元模擬，拉桿采用桁架單元模擬，二者均從各地層單元上析取生成。有限元模型如圖2所示。

圖2 雙排鋼板樁圍堰數(shù)值計(jì)算模型

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

為了更加真實(shí)地反映巖土體和結(jié)構(gòu)受力情況，本次數(shù)值計(jì)算對(duì)巖土體和結(jié)構(gòu)分別采用不同的本構(gòu)模型。軟土采用修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型，砂層、拋石、填土采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型。鋼板樁和拉桿采用彈性本構(gòu)模型，彈性模量取210GPa，泊松比取0.3。

3 有限元計(jì)算及結(jié)果分析

根據(jù)圍堰施工順序，雙排鋼板樁圍堰數(shù)值計(jì)算分為以下五個(gè)步驟：①初始應(yīng)力平衡；②鋼板樁施工；③回填土至-1.5m，施工第一道拉桿；④基坑內(nèi)側(cè)和外側(cè)拋石，回填土至0.5m，施工第二道拉桿；⑤基坑外側(cè)施加水位為1.77m的水壓力，基坑內(nèi)側(cè)無水。

對(duì)雙排鋼板樁圍堰依次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了雙排鋼板樁圍堰應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)。以最不利工況(工況5)為例，對(duì)雙排鋼板樁圍堰應(yīng)力、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)施工期圍堰穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 位移分析

經(jīng)過數(shù)值計(jì)算，施工期鋼板樁的水平位移如圖3所示。由圖3可以看出，鋼板樁水平位最大值為248mm。出現(xiàn)在背水側(cè)鋼板樁之上。

圖3 鋼板樁水平位移分布圖

3.2 應(yīng)力分析

圍堰施工期鋼板樁彎矩如圖4所示。從圖4可以看出，鋼板樁彎矩最大值為271kN·m，出現(xiàn)在背水側(cè)，這是因?yàn)楸乘畟?cè)鋼板樁不僅承受水壓力的作用，還受到鋼板樁之間土壓力的作用。拉桿軸力如圖5所示，從圖5可知，拉桿軸力最大值為412kN，出現(xiàn)在第一道拉桿上。

圖4 鋼板樁彎矩分布圖

圖5 拉桿軸力分布圖

3.3 圍堰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

根據(jù)雙排鋼板樁圍堰應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)鋼板樁和拉桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核計(jì)算，根據(jù)強(qiáng)度校核結(jié)果對(duì)鋼板樁圍堰施工期穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(1)鋼板樁強(qiáng)度校核

鋼板樁最大彎矩Mmax=271kN·m，彎矩計(jì)算值為M=271×1.25=339 kN·m，鋼板樁應(yīng)力：σ=M/W=339×106/(2200×103)=154N/mm2<[σ]=215 N/mm2，滿足材料強(qiáng)度要求。

(2)拉桿強(qiáng)度校核

直徑為Ф50的拉桿正常工作軸力容許值

N=[σ]×A=270×1/4×π×502=530kN，

軸力最大值為

Nmax=412kN<530kN，滿足材料強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

本文借助Midas-GTS有限元數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)深厚淤泥層地質(zhì)條件下雙排鋼板樁圍堰的強(qiáng)度和變形進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到結(jié)論如下：

(1)施工期鋼板樁水平位移最大值為248mm；

(2)施工期鋼板樁所承受最大彎矩為271kN·m，拉桿所承受最大軸力值為412kN，二者均滿足材料強(qiáng)度要求。

本方法可以給同類鋼板樁圍堰穩(wěn)定性分析提供參考，具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。但是對(duì)于雙排鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中樁-土之間的作用以及樁徑、樁間距對(duì)鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的影響還有待進(jìn)一步研究。