軟土地區(qū)高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)樁基內(nèi)力及變形分析

于文華，司鵬飛*，田利勇，時(shí)方穩(wěn)

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061；2.上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

板樁式高樁承臺(tái)擋墻結(jié)構(gòu)是上海等軟土地區(qū)常見(jiàn)的水工結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式前排樁采用板樁墻，后排樁為方樁、矩形柱、PHC管樁或鉆孔灌注樁等。板樁墻能夠防止水土流失，后排樁和承臺(tái)組成的平面框架起到承擔(dān)土壓力和水壓力的作用。該擋墻結(jié)構(gòu)具有占地少、土方開(kāi)挖少、抵抗變形能力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便、可帶水施工等優(yōu)點(diǎn)，而且該結(jié)構(gòu)可以利用樁和墻作為基坑支護(hù)，成本較低，目前在內(nèi)河護(hù)岸、碼頭等工程中已得到較多應(yīng)用[1-4]。

板樁式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，其承臺(tái)與懸臂擋墻結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆，形成L型結(jié)構(gòu)。承臺(tái)以上，作用在整個(gè)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力基本由擋墻承受；承臺(tái)厚度范圍內(nèi)的主動(dòng)土壓力基本由承臺(tái)承受；承臺(tái)以下，主動(dòng)土壓力則按剛度分配給各排樁基[4-5]。針對(duì)板樁式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，目前相關(guān)規(guī)范[6-7]中主要基于彈性地基梁假設(shè)，采用“m”法進(jìn)行樁基內(nèi)力和變形計(jì)算，但上述計(jì)算方法無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)墻后土壓力在前后排樁基之間的傳遞以及樁土共同作用；此外，板樁墻后側(cè)剩余水壓力的取值、墻前被動(dòng)非均勻土體m值的確定等方面均存在一定的經(jīng)驗(yàn)性[8-11]，造成實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全可靠度及結(jié)構(gòu)的科學(xué)合理性存在較大的不確定因素，因此對(duì)高樁承臺(tái)擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為精確的有限元數(shù)值模擬分析，對(duì)準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)該結(jié)構(gòu)形式的受力變形特征，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有重要的實(shí)際意義。

本文結(jié)合上海地區(qū)某船閘引航道擋墻工程，采用Plaxis有限元數(shù)值模型，計(jì)算分析了高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)前后各排樁基的受力變形特征，并與實(shí)際觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證對(duì)比，進(jìn)一步探討了墻后土壓力在各排樁間的不均勻分布情況，為今后高樁承臺(tái)擋墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了一定的理論依據(jù)。

1 工程設(shè)計(jì)方案

注：圖中高程單位為m，尺寸單位為mm。

該船閘工程為實(shí)地開(kāi)挖，引航道設(shè)計(jì)底高程為-3.0 m，墻后地坪高程5.75 m，擋土高度達(dá)8.75 m，根據(jù)本工程實(shí)際情況，引航道擋墻采用板樁式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)型式。擋墻頂高程6.75 m、頂寬0.5 m、墻身厚0.7 m，臨土側(cè)設(shè)置寬0.5 m、高1.0 m的倒角。擋墻底板即樁基承臺(tái)寬9.2 m、厚1.0 m、面高程2.0 m。前排板樁采用樁長(zhǎng)7 m、400×125 mm型號(hào)的U型鋼板樁，主要起防止土體淘刷的作用；樁基采用四排Φ 900 mm的C30鉆孔灌注樁(臨水側(cè)為第一排樁，下同)，樁長(zhǎng)均為25 m；其中第1排樁間距1.1 m，第2～4排樁的間距為2.2 m。墻后承臺(tái)上方回填土范圍設(shè)厚0.3 m的級(jí)配碎石排水設(shè)施。

2 有限元模型建立

2.1 計(jì)算模型

該船閘工程的引航道橫斷面為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故可選取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。模型的尺寸為水平80 m×豎直45 m，建立的模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。根據(jù)實(shí)際施工情況，模型中的施工順序?yàn)闃痘┕ぁ牌麻_(kāi)挖→擋墻施工→墻前河道開(kāi)挖→通水回填。模型計(jì)算域范圍內(nèi)左右邊界處土體受到水平方向的位移約束，而底部邊界土體同時(shí)受到水平和豎直方向的位移約束。

2-a 樁基施工 2-b 放坡開(kāi)挖 2-c 擋墻施工

2.2 本構(gòu)模型參數(shù)

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

前排板樁、擋墻采用板單元模擬，后排灌注樁采用嵌入式排梁?jiǎn)卧M，材料物理參數(shù)按實(shí)際給定，各結(jié)構(gòu)體之間均采用剛性連接。有限元數(shù)值計(jì)算過(guò)程中結(jié)構(gòu)與土體間的相互作用通過(guò)設(shè)置界面接觸單元來(lái)模擬，結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 計(jì)算成果分析

3.1 樁基水平位移分析

通過(guò)Plaxis有限元模擬計(jì)算，得到了前后各排樁的水平位移，并與有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的第1、2排樁的位移變形值進(jìn)行了對(duì)比，如表3和圖3所示。

圖3 各排樁水平位移變形

表3 各排樁水平位移變形對(duì)比

3.2 樁基受力特征分析

該船閘工程的引航道擋墻主要依靠樁基與承臺(tái)組成的框架結(jié)構(gòu)來(lái)抵抗墻后土壓力，以保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。計(jì)算得到的前后各排樁的彎矩內(nèi)力分布見(jiàn)表4和圖4。此外，考慮到本工程前排淺埋U型鋼板樁(樁長(zhǎng)7 m，入土約3 m)主要起到防止土體淘刷的作用，其對(duì)整體結(jié)構(gòu)水平受力的貢獻(xiàn)在下文分析中忽略不計(jì)。

表4 各排樁彎矩極值分布(單延米)

圖4 各排樁彎矩內(nèi)力(單延米)

根據(jù)計(jì)算可知：各排樁的最大正彎矩均出現(xiàn)在樁頂位置處，第4排樁的正彎矩值最大，達(dá)到了163.90 kN·m，向前各排樁的正彎矩值依次減小，第1排樁的正彎矩值降低為67.15 kN·m，這與承臺(tái)的卸荷作用及樁基間的遮簾作用有關(guān)。整體來(lái)看，后三排樁的彎矩沿樁身的分布規(guī)律較為一致，而第1排樁由于受到前后土壓力的突變，在開(kāi)挖面以上其內(nèi)力分布特點(diǎn)與后幾排樁存在顯著差別。此外由圖4可知，各排樁最大負(fù)彎矩出現(xiàn)的位置從前至后有逐漸升高的趨勢(shì)，在一定程度上反映出土體破裂面與水平面存在一定的夾角，因此在利用傳統(tǒng)彈性地基梁方法計(jì)算樁基受力時(shí)，需要考慮泥面線(xiàn)從前至后排樁的抬升效應(yīng)。計(jì)算得到第4排樁的負(fù)彎矩值最大，為-49.38 kN·m，而第1排樁的負(fù)彎矩值最小，為-37.48 kN·m。

3.3 土壓力分布

各排樁所在位置處土壓力沿深度方向的分布見(jiàn)圖5。表5為開(kāi)挖面上、下各排樁有效土壓力合力的對(duì)比情況?？梢钥闯鲈陂_(kāi)挖面(y=-3 m)以上各排樁承受的土壓力有所不同，第1排樁承擔(dān)的有效土壓力值最小，表明后排樁的存在對(duì)前排樁具有一定的遮簾作用，承擔(dān)了較大的土壓力。而在開(kāi)挖面以下各排樁承擔(dān)的土壓力基本相同，結(jié)合圖3分析可知，在開(kāi)挖面以下各排樁的水平位移變形較小且位移值基本一致，所以各排樁間的土壓力值并無(wú)太大差異?；诒疚哪M得到的結(jié)果，對(duì)于目前常用的彈性地基梁法(如“m”法)來(lái)講，在計(jì)算荷載作用下多排樁基的受力和水平位移時(shí)，可以適當(dāng)考慮開(kāi)挖面以上后排樁對(duì)前排樁的遮簾以及承臺(tái)的卸荷作用，以使計(jì)算結(jié)果更符合群樁基礎(chǔ)的實(shí)際受力情況。

表5 各排樁有效土壓力合力值對(duì)比

圖5 各排樁有效土壓力分布

4 結(jié)論

本文針對(duì)上海地區(qū)某船閘引航道擋墻的板樁式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用有限元數(shù)值模型，結(jié)合觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形受力特征進(jìn)行了研究分析，得到如下結(jié)論：

(1)多排樁高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)受力機(jī)理復(fù)雜，傳統(tǒng)計(jì)算方法無(wú)法充分考慮樁土相互作用以及多排樁之間的相互影響。本文通過(guò)建立有限元模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜情況的準(zhǔn)確模擬。研究表明板樁式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)能夠有效承擔(dān)土、水壓力，整體變形協(xié)調(diào)能力較強(qiáng)，可適用于軟土地區(qū)船閘引航道的擋土工程。

(2)計(jì)算得到的前后各排樁的水平位移沿垂向逐漸增加，整體趨勢(shì)與觀(guān)測(cè)值吻合較好。各排樁的最大水平位移值從前向后依次減小，位移極值均控制在10 mm左右。

(3)由于承臺(tái)的卸荷作用以及后排樁的遮簾作用，各排樁的最大正、負(fù)彎矩值從前向后依次減小，各排樁最大負(fù)彎矩的位置從前向后逐漸抬升，其中第4排樁的正彎矩值最大，在樁頂處達(dá)到163.90 kN·m。

(4)計(jì)算結(jié)果表明，在開(kāi)挖面以下各排樁土壓力分布趨勢(shì)相近，承擔(dān)的土壓力值基本相等；而在開(kāi)挖面以上，由于后排樁的遮簾作用，第1排樁承擔(dān)的有效土壓力值明顯小于后幾排樁。