拉錨式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)的土壓力現(xiàn)場試驗研究

鄭雨晴， 劉 軍， 張福海， 宗國營， 趙伏田

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098； 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；3.河海大學(xué)安全與防災(zāi)工程研究所，南京 210098； 4.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇連云港 222000）

近年來，由于我國內(nèi)河航運事業(yè)的飛速發(fā)展，在經(jīng)濟較為發(fā)達的蘇南地區(qū)，原本的四級航道已無法滿足發(fā)展的需求，迫切需要升級為三級航道. 但是在該航道區(qū)域范圍內(nèi)普遍存在著征地費用高、征地難或無法征地的問題，相對于傳統(tǒng)的漿砌塊石、鋼筋混凝土護岸結(jié)構(gòu)，鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)具有施工快、占地面積小等顯著優(yōu)勢，因此在該航道區(qū)域內(nèi)具有更高的經(jīng)濟適用性. 隨著我國對土地資源的重視和航道的發(fā)展，為充分發(fā)揮冷彎鋼板樁護岸在內(nèi)河高級航道中的作用，開展鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)的研究顯得越發(fā)重要［1］. 在已公開的文獻中，關(guān)于鋼板樁的研究多集中于以下幾個方面：就鋼板樁的用途而言，多將其應(yīng)用于基坑和圍堰中［2-3］；研究手段多集中于結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)值模擬［4-9］；研究對象主要包括結(jié)構(gòu)的位移變形、防腐、施工工藝等方面［10-12］，其中涉及土壓力的相關(guān)文獻比較少見. 陳瑋等［13］通過建立鋼板樁圍堰，并設(shè)置了內(nèi)支撐，運用有限元軟件模擬分析了在危險情況下的鋼板樁圍堰的變形應(yīng)力情況，結(jié)果表明當(dāng)鋼板樁進入粉質(zhì)黏土土層深度為2 m時，完全可以滿足最小入土深度安全性要求. 劉芳［14］通過室內(nèi)縮尺模型試驗，建立了鋼板樁擋墻數(shù)值模型來研究鋼板樁擋墻在不同位移模式下土壓力變化和分布的規(guī)律，分析表明，鋼板樁的截面形狀對墻后主動土壓力的分布形式有影響，其影響程度與位移模式有關(guān). Yuta Mitobe等［15］提出了一種新的堤防加固方法，使用鋼板樁來防止海嘯溢出，通過水力實驗，在水平明渠中設(shè)置一個路堤模型，在路堤頂部設(shè)置一兩塊鋼板，從視頻圖像中獲得了路堤形狀和板樁結(jié)構(gòu)的時間變化. 通過附加的固定床試驗，從海嘯能量降低的角度對加筋后的路堤性能進行了探討.

土壓力分布及大小作為研究和設(shè)計護岸結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對其荷載的傳遞和受力變形機制有著直接影響. 除經(jīng)典的土壓力理論外，國內(nèi)外大量學(xué)者還在此理論基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗、理論分析、有限元計算，離散元模擬等手段對土壓力進行了研究. 然而，這些研究的對象都是平面擋墻（剛性或柔性），鋼板樁作為一種典型的柔性支護結(jié)構(gòu)，除了在豎向具有平面柔性擋墻類似的受力性能與變形特征外，在橫向還具有波紋狀的橫截面，這一形狀特征會導(dǎo)致鋼板樁橫向的土壓力分布差異也不容忽視. 綜上所述，針對鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)的土壓力進行現(xiàn)場試驗研究尚未見相同報道. 因此，本文結(jié)合實際工程的開展，對鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)的土壓力進行現(xiàn)場試驗研究則具有十分重要的實際價值和理論意義.

1 現(xiàn)場試驗概況

試驗段土層的具體物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

表1 土層土體的物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physico-mechanical factors of soil layers

岸坡支護設(shè)計及現(xiàn)場試驗方案如下：護岸結(jié)構(gòu)為拉錨式鋼板樁支護結(jié)構(gòu)，樁頂標(biāo)高為3.80 m，樁尖標(biāo)高為-6.2 m，樁長為10 m，橫截面寬度650 mm，高度480 mm，每延米的截面抗彎模量為1500 cm3/m，鋼材強度等級為Q 345. 錨桿設(shè)置高程為樁頂以下2.0 m位置處，錨桿長度為22 m，錨固段15 m. 圖1為鋼板樁試驗段測試單元平面布置圖.

本次試驗共選取試驗段測試單元兩個，兩個試驗段單元的監(jiān)測項目均相同，每個單元的監(jiān)測內(nèi)容包括：

1）鋼板樁及土體深層水平位移. 鋼板樁樁身位移及岸坡土體位移與土壓力作用模式密切相關(guān). 為此，用測斜儀對樁身和岸坡土體的深層位移進行觀測. 測斜管下端與鋼板樁樁底位于同一標(biāo)高，測斜管頂端高出樁頂或土體表面0.5 m.

圖1 試驗段平面布置圖Fig.1 Layout chart of test section

2）鋼板樁界面土壓力. 為研究鋼板樁兩側(cè)的土壓力作用，在鋼板樁兩側(cè)不同深度處安裝土壓力計與應(yīng)變計. 測試儀器為XP-02型振弦式頻率計，土壓力計型號為TYJ-A，應(yīng)變計型號為EBJ-A. 根據(jù)測點布置部位與鋼板樁打設(shè)深度確定預(yù)留導(dǎo)線的長度. 傳感器的安裝工序為：①開孔及定點.②焊接傳感器. ③綁扎電線. ④焊接保護槽鋼. ⑤裝線完成安裝. 試驗樁上的土壓力計及應(yīng)變計應(yīng)在鋼板樁打設(shè)前一個星期內(nèi)完成安裝，隨鋼板樁一起打入土體的傳感器預(yù)留一個月的穩(wěn)定期. 現(xiàn)場試驗選取樁的土壓力計與應(yīng)變計埋設(shè)及布置見圖2.

本試驗建立在實際工程之上，試驗數(shù)據(jù)的測試遵循施工進程的安排，針對本實際工程，進程如下：①搭設(shè)鋼板樁施工導(dǎo)梁，施打鋼板樁；②開挖鋼板樁附近土體至錨桿施工高程；③打設(shè)錨桿并完成預(yù)應(yīng)力張拉；④開挖土體和拆除原混凝土擋墻駁岸；⑤土體開挖至設(shè)計標(biāo)高，疏浚航道.

圖2 土壓力計的監(jiān)控點布置Fig.2 Monitoring points for earth pressure cell

圖3 不同變位模式鋼板樁擋墻軸線位置土體深層水平位移Fig.3 Horizontal displacements of soil at the axis of retaining wall with different wall-movement modes

2 監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 柔性鋼板樁擋墻變位模式研究

通過對兩個單元的四根板樁的橫向軸線位置進行土體深層水平位移測量，得到兩種典型的板樁變位模式（定義為D1、D2），圖3為兩種變位模式的鋼板樁擋墻軸線位置土體深層水平位移圖. 從圖中可以看出：D1型變位模式為繞樁底轉(zhuǎn)動的變位模式，最大水平位移均在樁頂，數(shù)值為6.49 mm；D2型變位模式為典型的鼓形變位模式，最大位移位于距樁頂5.0 m高程處，數(shù)值為9.61 mm.

2.2 柔性鋼板樁擋墻豎向土壓力分布特性研究

支護結(jié)構(gòu)土壓力的大小是支護結(jié)構(gòu)各部分與土體及外界因素共同作用的反應(yīng)［16］. 土壓力值的大小與支護結(jié)構(gòu)的變位模式、土體位移大小密切相關(guān). 大多數(shù)情況下支護結(jié)構(gòu)并未達到相應(yīng)的極限狀態(tài)，可認為土體開挖過程處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，隨時間增長和土體的卸荷變形，最終對土壓力的大小及分布產(chǎn)生影響［17］.

圖4、圖5分別為鋼板樁背水側(cè)和迎水側(cè)的土壓力實測值和計算值隨深度變化圖. 圖中的規(guī)范值是根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》［18］中推薦的計算方法求得. 從圖中可以看出：D1型鋼板樁背水側(cè)的土壓力整體呈現(xiàn)土壓力值逐漸增大的非線性分布，其中上部（-6 m 高程以上）的土壓力的實測值與規(guī)范主動土壓力值較為接近，樁-8 m高程處的土壓力實測值介于主動土壓力值與靜止土壓力值之間，樁底部的土體位移幾乎為零，土壓力實測值和靜止土壓力值基本相等. D2型鋼板樁背水側(cè)的土壓力整體呈現(xiàn)先增大后減小再增大的R型分布，-6 m高程以上的土壓力值的大小及分布規(guī)律與D1型鋼板樁相近，-8 m高程處的土壓力小于主動土壓力，底部的土壓力值略大于靜止土壓力，這是由于板樁呈現(xiàn)鼓型變位所產(chǎn)生的土拱效應(yīng)所導(dǎo)致. 不同于鋼板樁背水側(cè)的土壓力分布，不同變位模式的鋼板樁迎水側(cè)土壓力均呈現(xiàn)兩頭大中間小的C型分布，土體位移遠沒有達到被動極限狀態(tài)所需的位移，土體處于非極限狀態(tài). -6 m高程處的土體接近于開挖面，受到板樁的擠壓作用，因而樁承受更大的土壓力.

圖4 鋼板樁背水側(cè)土壓力沿樁身分布規(guī)律Fig.4 Rules of earth pressure distributions at bank side of steel sheet pile

圖5 鋼板樁迎水側(cè)土壓力沿樁身分布規(guī)律Fig.5 Rules of earth pressure distributions near water side of steel sheet pile

通過以上分析可以看出，柔性鋼板樁主動側(cè)的土壓力分布不僅與土體位移大小有關(guān)，板樁的變位模式也會對其產(chǎn)生較大影響. 而迎水側(cè)的土壓力分布的主要決定因素為土體位移大小，板樁變位模式的影響較小. 鑒于安全考慮，建議在柔性鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)設(shè)計中主動側(cè)的土壓力值采用靜止土壓力值，迎水側(cè)的土壓力值采用被動土壓力值.

2.3 鋼板樁臨水側(cè)土壓力值隨時間變化規(guī)律研究

圖6為鋼板樁迎水側(cè)土壓力值隨時間變化圖. 在鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)整個施工過程中土壓力表現(xiàn)出三個典型的變化階段：①鋼板樁打入土體后的動蕩期，當(dāng)鋼板樁通過振動機械打入土體后的較短時間內(nèi)，鋼板樁上的土壓力計測值出現(xiàn)失真，不能真實反映實際土體的土壓力值，原因是打樁過程中樁兩側(cè)的土體受到了較大振動，經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定后土壓力測試數(shù)據(jù)回復(fù)正常，其中板樁底部的土壓力計影響最為明顯；②土體開挖過程中的發(fā)展期，在這個階段，鋼板樁迎水側(cè)不同高程處的土壓力測值主要受土體開挖過程引起的卸載變形影響，其中不同-6 m、-8 m高程的土壓力測值均呈現(xiàn)一定程度的增長，這主要是因為上部土體開挖造成了水平位移值的增大，而樁底部的土壓力值卻有所減小，其主要原因為上部土體開挖并沒有造成相應(yīng)水平位移值的增加，反而是上部荷載明顯減小. ③施工完成后的穩(wěn)定期，在護岸結(jié)構(gòu)完成施工后，板樁不同高程處的土壓力值經(jīng)過一段時間的微小變化后最終均趨于穩(wěn)定.

圖6 迎水側(cè)土壓力計監(jiān)測曲線Fig.6 Testing curves of earth pressure cells near water side

2.4 鋼板樁擋墻橫向土壓力分布特性研究

曾利軍、Xiong Baolin、Tan［19-22］等通過對基坑工程中鋼板樁支護結(jié)構(gòu)的土壓力進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)鋼板樁橫向土壓力分布不均勻，鋼板樁土壓力監(jiān)測時必須同時考慮凹處和凸出. 劉芳等［14］在此基礎(chǔ)上通過有限元計算研究帽型鋼板樁的截面形狀對墻后主動土壓力的影響，通過建立鋼板樁擋墻數(shù)值模型，研究擋墻在不同位移模式下的土壓力變化及分布規(guī)律，并提出了形狀效應(yīng)的可能影響因素及機制，該文認為墻后凹處與凸出的土體產(chǎn)生相對位移使相鄰兩側(cè)土體產(chǎn)生指向墻體的摩擦力，從而形成如圖7所示的應(yīng)力土拱是導(dǎo)致凹凸處土壓力差異的直接原因.

通過前人的研究可以發(fā)現(xiàn)，鋼板樁擋墻后方凹凸處土體的位移差異是導(dǎo)致土壓力橫向分布不均的根本原因. 表2給出了不同變位模式鋼板樁不同深度位置凹凸處土體位移大小及差值. 從表中數(shù)據(jù)可以看出，不同變位模式的鋼板樁不同深度位置凹凸處位移差值的大小有所不同，但橫向凹凸處位移差值的最大值位置與板樁深層水平位移的最大值位置相對應(yīng)，D1型鋼板樁凹凸處位移差值的最大值位于樁頂位置，大小為2.54 mm，D2型鋼板樁凹凸處位移差值的最大值位于-6 m高程處，大小為7.54 mm，說明板樁變位模式對于板樁不同深度位置的橫向土壓力分布也存在較大影響.

圖7 墻后土拱形成示意圖Fig.7 Sketch of soil arching

3 結(jié)論

表2 凹凸處土體位移大小及差值Tab.2 Soil displacements and differentials at concave and convex surfaces

1）拉錨式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出兩種典型的變位模式：繞樁底轉(zhuǎn)動和鼓型變位. 不同變位模式下，鋼板樁背水側(cè)主動土壓力分布規(guī)律差異明顯，前者變現(xiàn)為土壓力值逐漸增大的非線性分布，后者變現(xiàn)為先增大后減小再增大的R型分布，鋼板樁迎水側(cè)土壓力分布規(guī)律相近，均呈現(xiàn)兩頭大中間小的C型分布.

2）鋼板樁臨水側(cè)土壓力測試值在經(jīng)歷打樁階段的動蕩期和開挖階段的發(fā)展期后趨于穩(wěn)定，最終實測值介于主動土壓力與靜止土壓力之間. 鑒于該實際工程中鋼板樁作為永久性支護結(jié)構(gòu)，故進行保守設(shè)計，建議背水側(cè)采用靜止土壓力值，迎水側(cè)采用被動土壓力值.

3）鋼板樁凹凸不同的截面造成板樁橫向土壓力分布存在差異，其主要原因為板樁凹凸處的土體水平位移值不同所引起的應(yīng)力土拱. 通過實測，板樁不同高程處凹凸點水平位移差值不同，板樁的變位模式對不同高程處的橫向位移差影響較大，橫向水平位移差最大位置與豎向水平位移最大位置相一致.