上海市內(nèi)河單排鋼板樁圍堰適用性分析

柴先墩

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

近年來，我國致力于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，上海作為國際化大都市，更是走在時代的前端。上海市城市內(nèi)河主要型式為低樁承臺及護(hù)坡式結(jié)構(gòu)，由于堤防底板基本位于常水位以下，因此，對堤防進(jìn)行達(dá)標(biāo)改造的同時需要設(shè)置圍堰[1]，圍堰根據(jù)河道的功能分為攔河圍堰及順河圍堰[2]。攔河圍堰使河道全部或分段斷流，對圍堰自身寬度要求敏感程度低，但對河道水環(huán)境影響較大，而順河圍堰可不斷流河道，因此，上海市內(nèi)河堤防施工圍堰以順河圍堰為主。但在上海市堤防工程建設(shè)過程中，粗放設(shè)計的圍堰施工暴露出能耗大、水環(huán)境污染大、效率低、成本高等諸多弊端；而近年來，單排鋼板樁圍堰具有造價低、自身剛度大、整體性好、環(huán)境友好[2]等特點(diǎn)，成為內(nèi)河堤防圍堰的新型式。

本文基于單排鋼板樁圍堰的抗傾覆分析及變形分析，引入可靠度的概念[3]，得出具有在98%地質(zhì)保證率的條件下，不同圍堰出土高度對應(yīng)的鋼板樁圍堰所需的最小截面慣性矩，分析單排鋼板樁圍堰的適用性。

1 計算原理

1.1 抗傾覆穩(wěn)定性分析計算原理

單排鋼板樁圍堰抗傾覆分析根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286—2013），按下式計算：

式中：K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣMV為抗傾覆力矩，kN·m；ΣMH為傾覆力矩，kN·m。

單排鋼板樁圍堰抗傾覆安全系數(shù)參照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286—2013） 第3.27 條非常運(yùn)用條件下（施工工況）的安全系數(shù)，具體見表1。

表1 圍堰抗傾覆安全系數(shù)匯總

上海市城市內(nèi)河堤防為3 級水工建筑物，施工圍堰級別為5 級。

1.2 變形及抗彎能力分析計算原理

單排鋼板樁圍堰變形及抗彎能力分析參照《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DG/T J08-61—2010） 圍護(hù)墻的計算方法，采用豎向彈性地基梁法進(jìn)行計算。泥面以下的土壓力用水平彈簧支座模擬，圍堰底部用垂直彈簧支座模擬，計算示意圖如圖1 所示。

圖1 圍堰變形及抗彎能力分析計算示意圖

水平向彈簧支座和垂直向彈簧支座的壓縮剛度KH和KV按下式計算：

式中：KH和KV分別為土體水平向和垂直向壓縮彈簧剛度，kN/m；kh和kv分別為地基土的水平向和垂直向基床系數(shù)，kN/m3。

單排鋼板樁圍堰的變形分析主要是考核圍堰的水平變形，現(xiàn)有規(guī)范并未明確圍堰的允許變形量值?？紤]到圍堰雖為臨時工程，但圍堰的過大的變形也會導(dǎo)致圍堰的自身的安全隱患，因此建議圍堰的變形允許量值為1%×H。

2 圍堰邊界條件的界定

（1）圍堰臨水側(cè)高度

圍堰臨水側(cè)高度a 取圍堰頂標(biāo)高至計算泥面標(biāo)高（計算泥面標(biāo)高= 實(shí)測泥面標(biāo)高- 浮土高度）的差值；根據(jù)經(jīng)驗，浮土高度為0.3～1.0 m 不等，具體應(yīng)結(jié)合實(shí)際勘察確定。

（2）鋼板樁樁長為b。

（3）地質(zhì)參數(shù)為c。

圖2 單排鋼板圍堰邊界條件示意圖

3 典型地質(zhì)資料的選取

為了科學(xué)合理地確定有效的地質(zhì)參數(shù)，同時兼顧選取的地質(zhì)條件特征性，本次圍堰分析共選取上海市內(nèi)河水系47 個地質(zhì)鉆孔，同時引入可靠度的理念，進(jìn)行單排鋼板樁圍堰的適用性分析，典型地質(zhì)鉆孔工程位置示意圖如圖3 所示。

圖3 典型地質(zhì)鉆孔工程位置示意圖

4 圍堰的抗傾覆穩(wěn)定性分析

4.1 計算步驟

本節(jié)計算以單排鋼板樁圍堰為主體，通過統(tǒng)計分析得出滿足抗傾覆穩(wěn)定性[5]前提下單排鋼板樁圍堰的最佳插入比（即鋼板樁的樁長）。

（1）確定典型地質(zhì)條件。

（2）選取鋼板樁圍堰的計算參數(shù)。

（3）根據(jù)確定邊界條件計算滿足圍堰抗傾覆穩(wěn)定性前提下的單排鋼板樁圍堰的最佳插入比。

（4）更換邊界條件，計算不同邊界條件下的單排圍堰的最佳插入比。

（5）統(tǒng)計分析，基于滿足抗傾覆穩(wěn)定性前提下單排圍堰的最佳插入比。

4.2 計算結(jié)果分析

單排圍堰計算涉及的計算量較大，且工程地質(zhì)條件對圍堰的抗傾覆計算結(jié)果影響不大，在此本報告僅羅列俞涇浦段的計算結(jié)果，計算結(jié)果見表2，不同邊界條件下的臨界插入比如圖4 所示。

圖4 臨界插入比正態(tài)分布圖

表2 俞涇浦段抗傾覆計算匯總表

經(jīng)研究單排圍堰在不同擋水水頭下臨界插入比符合正態(tài)分布N（1.624，0.3742）。

通過計算不同保證率下單排鋼板樁圍堰的臨界插入比見表3。

表3 單排鋼板樁圍堰的臨界插入比

為了便于后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用，本次研究建議單排鋼板樁圍堰的最佳插入比按1∶2 計。

5 圍堰的變形分析[6]

5.1 計算步驟及流程

對于圍堰計算分析而言，存在多個變量。根據(jù)圍堰抗傾覆計算確定圍堰的插入比按1∶2 計。本次變形分析選取圍堰臨水側(cè)出土高度a、和地質(zhì)參數(shù)c作為基本變量，核心是通過求解確定鋼板樁的截面慣性矩，使得圍堰的變形值ε 和允許值ε允滿足|ε/（ε-ε允）|≤0.2%、且鋼板樁的截面彎矩在其承載能力范圍內(nèi)，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）給定一組參數(shù)a、c，假定截面慣性矩初始值，建立計算分析模型，計算出圍堰變形值以及截面彎矩；

（2）判斷圍堰變形值及截面彎矩是否滿足要求，若不滿足，調(diào)整鋼板樁的截面慣性矩，直至變形小于允許值、抗彎剛度滿足要求；

（3）在給定的a 值條件下，針對不同的地質(zhì)參數(shù)c 值，重復(fù)步驟（2），得出不同地質(zhì)參數(shù)c 值條件下，鋼板樁圍堰的截面慣性矩IX1、IX2、IX3……IXn；

（4）對給定的a 值，將步驟（3）所得的計算數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，引入可靠度的概念，得出具有98%地質(zhì)參數(shù)保證率的條件下，給定的a 值所需的最小截面慣性矩Ixa；

（5）重復(fù)以上步驟，分別得出不同的a 值下滿足圍堰變形最小截面慣性矩Ixa；

（6）結(jié)果匯總，并對單排鋼板樁圍堰型式的適應(yīng)性提出建議。

5.2 計算結(jié)果分析

本次計算根據(jù)選取的典型岸段，計算分析不同出土高度情況下，單排鋼板樁圍堰的變形以及截面彎矩，根據(jù)變形控制指標(biāo)以及鋼板樁的抗彎剛度，確定具有98%保證率的條件下，給定的a 值所需的最小截面慣性矩Ixa，進(jìn)行確定單排鋼板樁圍堰的適用條件。

單排鋼板樁圍堰變形及抗彎能力分析計算量較大，計算結(jié)果較為繁雜，在此本報告僅羅列俞涇浦段的計算結(jié)果，計算結(jié)果表明在滿足變形指標(biāo)條件下的鋼板樁的抗彎能力均滿足要求，即實(shí)際圍堰的變形及抗彎能力分析中變形指標(biāo)為主控因素，俞涇浦段滿足變形條件單排鋼板樁圍堰的最小截面慣性矩見表4。

表4 時程分析工況單元最大應(yīng)力表

表4 徐匯新城公用段鋼板樁圍堰每延米截面慣性矩最小值

根據(jù)統(tǒng)計分析，不同出土高度滿足變形和抗彎能力下最小鋼板樁慣性矩滿足正態(tài)分布[7]，見表5。

表5 鋼板樁圍堰每延米截面慣性矩最小值正態(tài)分布匯總表

經(jīng)研究單排圍堰在不同出土高度下鋼板樁的截面慣性矩均符合正態(tài)分布，通過計算所得98%保證率下滿足變形的最小鋼板樁慣性矩見表6。

表6 具有98%地質(zhì)保證率的條件下每延米鋼板樁圍堰最小截面慣性矩

根據(jù)以上分析結(jié)論并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中的鋼板樁型式及參數(shù)可知，上海市內(nèi)河單排鋼板樁圍堰適用于出土高度不大于3 m 的圍堰。

6 結(jié)語

（1）為保證抗傾覆及變形、抗彎能力分析具有代表性，同時兼顧選取的地質(zhì)條件征性，本文共選取上海市境內(nèi)內(nèi)河水系47 個地質(zhì)鉆孔資料。

（2）基于單排鋼板樁圍堰的抗傾覆分析，引入可靠度概念，得出有98%地質(zhì)參數(shù)保證率的條件下，不同圍堰出土高度下的臨界插入比。

（3）基于單排鋼板樁圍堰的變形及抗彎能力分析，引入可靠度的概念，得出具有98%地質(zhì)參數(shù)保證率的條件下，不同圍堰出土高度下對應(yīng)的鋼板樁圍堰所需的最小截面慣性矩。

（4）根據(jù)分析結(jié)論并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中的鋼板樁型式及參數(shù)，對于上海市城市內(nèi)河出土高度不大于3 m 的施工圍堰，單排鋼板樁圍堰可作為其優(yōu)選型式。