軟土地區(qū)雙排鋼板樁圍堰計算分析

張學(xué)林，劉學(xué)智，朱少坤

（珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院 廣州珠科院工程勘察設(shè)計有限公司，廣州 510611）

目前，雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)一般仍采用以經(jīng)驗為主的半理論、半經(jīng)驗設(shè)計計算方法[1～4]。針對雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的土壓力分布情況、土體滑裂面對土壓力的影響、連梁（拉桿）的協(xié)調(diào)作用、樁土相互作用等方面的特點，主要有地基梁法、比例系數(shù)法、等效抗彎剛度法和有限元法等計算模型和方法[5]。

結(jié)合廣州市南沙區(qū)某泵站工程外江雙排鋼板樁圍堰，本文采用經(jīng)典土壓力理論方法，利用理正深基坑軟件，對雙排鋼板樁圍堰的樁間距、抗滑移、抗傾覆以及整體穩(wěn)定安全系數(shù)進行計算分析，為類似工程計算提供參考。

1 雙排鋼板樁圍堰簡化計算方法

1.1 單排鋼板樁+錨桿模型

將雙排鋼板樁圍堰分為前排樁（背水側(cè)）、后排樁（迎水側(cè)）和拉桿（僅受拉力）3 個構(gòu)件，并將前排樁和拉桿看作單排鋼板樁+錨桿模型[6]，將雙排鋼板樁圍堰中間填土、后排樁以及水體整體看作土體，迎水側(cè)看作擋土側(cè)，背水側(cè)為基坑開挖側(cè)，采用理正深基坑軟件進行模擬計算，錨桿內(nèi)力計算采用彈性法“m”法，計算結(jié)果中錨桿自由段的長度即可認為是拉桿的長度，也可認為是雙排鋼板樁圍堰的樁間距。模擬計算時假定錨固段的錨固力很大，錨固體不會被拔出，以保證錨桿能夠提供足夠大的拉力以模擬雙排鋼板樁圍堰內(nèi)部拉桿的受力狀態(tài)。單排鋼板樁+錨桿計算模型如圖1所示。

圖1 單排鋼板樁+錨桿計算模型

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012），錨桿的自由段長度（拉桿長度）可按下式確定。

式中：lf為錨桿的自由段長度，m；α為錨桿的傾角；d為擋土構(gòu)件的水平尺寸，m。

1.2 重力式水泥土墻模型

將雙排鋼板樁圍堰整體看作重力式水泥土墻結(jié)構(gòu)，采用瑞典條分法計算穩(wěn)定。將鋼板樁圍堰迎水側(cè)看作擋土側(cè)，背水側(cè)為基坑開挖側(cè)，將水泥土墻迎水側(cè)支擋土層參數(shù)設(shè)置為水的材料屬性，并將土壓力計算方法設(shè)為主動土壓力來模擬靜水壓力[5]。采用理正深基坑軟件計算重力式水泥土墻的抗滑移穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定以及整體穩(wěn)定安全系數(shù)，即分別為雙排鋼板樁圍堰的抗滑移穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定以及整體穩(wěn)定安全系數(shù)。重力式水泥土墻計算模型圖如圖2所示。

圖2 重力式水泥土墻計算模型

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012），重力式水泥土墻的抗滑移穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定計算應(yīng)符合下式規(guī)定：

（1）抗滑移穩(wěn)定性計算

式中抗滑移安全系數(shù)Ksl不應(yīng)小于1.20。

（2）抗傾覆穩(wěn)定性計算

式中抗傾覆安全系數(shù)KOV不應(yīng)小于1.30。

（3）整體穩(wěn)定計算

重力式水泥土墻按下式規(guī)定采用瑞典條分法進行圓弧滑動穩(wěn)定性驗算。

式（4）中Ks為圓弧滑動穩(wěn)定安全系數(shù)Ks不應(yīng)小于1.30。

2 工程概況

2.1 雙排鋼板樁圍堰方案

廣州市南沙區(qū)某泵站工程位于南沙區(qū)大崗片區(qū)河口處，泵站出口需要進行破堤施工，在泵站出口外江中布置雙排鋼板樁圍堰與現(xiàn)狀堤防形成封閉擋水結(jié)構(gòu)。雙排鋼板樁圍堰采用拉森式SP-Ⅳ鋼板樁，單根樁長15.00 m，穿透淤泥層，進入粉質(zhì)黏土層，前、后排鋼板樁頂高程均為9.00 m，雙排鋼板樁間距為5.00 m，在高程8.00 m處設(shè)置一排拉桿，采用Φ50 鋼拉桿，間距為2.00 m，兩排鋼板樁之間回填砂，填至8.50 m 高程，沿鋼板樁內(nèi)側(cè)敷設(shè)土工膜進行防滲，圍堰兩側(cè)采用砂袋反壓，現(xiàn)狀地面高程為5.50 m。雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)剖面如圖3所示。

圖3 雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)剖面

2.2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)地貌特征屬珠江三角洲海陸交互濱海河流沖積平原地貌單元，經(jīng)過多年圍海造田，區(qū)內(nèi)地勢平坦開闊，水系發(fā)達，河涌較多。工程區(qū)位于廣州斷陷盆地的南端，上部覆蓋層為第四系海陸交互相沉積物，下部基巖為燕山期花崗巖。場地內(nèi)主要出露地層有淤泥層、淤泥質(zhì)土層、粉質(zhì)黏土層、粉細砂層、中粗砂層、全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖。

2.3 計算參數(shù)

根據(jù)勘察資料，巖土體參數(shù)取值如表1所示，拉森式SP-Ⅳ型鋼板樁材料指標(biāo)如表2所示。

表1 巖土體參數(shù)取值表

表2 拉森式SP-Ⅳ型鋼板樁材料指標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)計算分析

雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)力及穩(wěn)定性采用理正深基坑軟件進行計算，按照圍堰結(jié)構(gòu)實際尺寸建模，計算水位取10 a一遇設(shè)計水位7.92 m。

3.1 鋼板樁圍堰寬度計算

按單排鋼板樁+錨桿模型計算圍堰寬度，計算模型中錨桿的傾角α 取0°，錨桿的錨頭中點至基坑底面的距離a1取2.50 m，擋土構(gòu)件的水平尺寸d取0.40 m?？紤]基坑側(cè)進行一次性開挖，開挖至5.50 m 高程處，按單排鋼板樁+錨桿模型計算鋼板樁圍堰寬度，計算結(jié)果如下：鋼板樁水平位移最大值為17.85 mm；彎矩為152.12 kN·m，鋼板樁應(yīng)力：σ=M/W=152.12×106/（2200×103）=69.14N/mm2＜[σ]=215 N/mm2，滿足鋼板樁材料要求。錨桿自由段的長度計算結(jié)果為5.00 m，即雙排鋼板樁圍堰寬度為5.00 m，滿足《鋼板樁工程手冊》中“為了避免發(fā)生傾覆和滑移破壞，圍堰寬度不應(yīng)小于擋水或擋土高度的0.8倍”的要求。

3.2 鋼板樁圍堰穩(wěn)定計算

按重力式水泥土墻模型計算雙排鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性，水泥土墻按實心墻考慮，基坑深度取3.50 m，水泥土墻寬度取5.00 m，一次性開挖至基坑面深度處。

本工程雙排鋼板樁圍堰作為臨時支護結(jié)構(gòu)，安全等級視為二級，重要性系數(shù)為1.00，圍堰的整體穩(wěn)定性計算采用瑞典條分法。采用理正深基坑軟件計算，計算結(jié)果為：圍堰抗滑移穩(wěn)定性安全系數(shù)Kh=1.469＞1.20，圍堰抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)KQ=1.497＞1.30，圍堰滑裂面整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.679＞1.30。因此，鋼板樁圍堰的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.3 結(jié)果分析

（1）從單排鋼板樁+錨桿模型計算結(jié)果可看出，鋼板樁的計算結(jié)果應(yīng)力值遠小于其材料本身允許應(yīng)力值，表明該模型計算沒有充分利用鋼板樁材料特性。

（2）對比其他研究成果可發(fā)現(xiàn)，采用理正深基坑軟件按單排鋼板樁+錨桿模型計算圍堰寬度，鋼板樁結(jié)構(gòu)的水平位移計算結(jié)果偏小，這是由于該模型計算時忽略了雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)的整體性以及樁土相互作用下受力與變形的協(xié)調(diào)性。

4 結(jié)語

本文結(jié)合珠江三角洲某泵站工程外江雙排鋼板樁施工圍堰，將其簡化成“單排鋼板樁+錨桿模型”和“重力式水泥土墻模型”，利用理正深基坑軟件對圍堰的寬度和穩(wěn)定安全系數(shù)進行計算分析，計算方法可為今后類似工程設(shè)計提供一定的參考。

由于理正深基坑計算采取的單排鋼板樁+錨桿模型假定錨固段的錨固力很大，錨固體不會拔出，忽略了雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)的整體性以及樁土相互作用下受力與變形的協(xié)調(diào)性，結(jié)構(gòu)的水平位移計算值偏小。

隨著雙排鋼板樁圍堰的廣泛應(yīng)用，采用理正深基坑軟件可快速計算出雙排鋼板樁圍堰的寬度和穩(wěn)定安全系數(shù)，適用于初定雙排鋼板樁圍堰設(shè)計方案階段，后期建議采用有限元計算方法對設(shè)計方案進行優(yōu)化。