雙排鋼板樁圍堰的影響因素研究及冗余度分析

楊 熠

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510640）

在雙排鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)中，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算一般按照平面問(wèn)題處理，使用有限元計(jì)算時(shí)，一般也簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題進(jìn)行考慮[1]，較為安全與快捷，但是難以體現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)以及拉桿的空間排布對(duì)其受力、變形與整體穩(wěn)定性的影響。尤其是在討論不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí)，由于二維模型的局限性，計(jì)算結(jié)果一般與實(shí)際情況有出入[2]，雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的受力變形具有較明顯的空間效應(yīng)。在軟件分析方面，黃建[3]通過(guò)Abaqus軟件建立雙排鋼板樁圍堰體系彈塑性有限元數(shù)值模型，分析了鋼板樁圍堰在加載過(guò)程中呈現(xiàn)的受力變形特征。吳清等[4]用Ansys對(duì)比分析考慮“路徑”和不考慮“路徑”的計(jì)算結(jié)果，能夠較大限度地提高結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安全性。江杰[5]用Plaxis軟件進(jìn)行全施工過(guò)程的模擬，在考慮不排水與排水情況下得出雙排鋼板樁圍堰在施工過(guò)程中的受力狀態(tài)為最不利狀態(tài)。本文利用Abaqus有限元分析軟件對(duì)雙排鋼板樁圍堰實(shí)例進(jìn)行三維全工況的數(shù)值模擬，通過(guò)分析不同因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，研究雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計(jì)方案下的受力、變形以及樁土作用機(jī)制，最后結(jié)合雙排鋼板樁圍堰冗余度的概念，量化結(jié)構(gòu)對(duì)不同因素的敏感程度，對(duì)影響圍堰受力穩(wěn)定的關(guān)鍵因素進(jìn)行控制性設(shè)計(jì)，為類似工程設(shè)計(jì)及施工提供借鑒。

1 冗余度分析基本原理

水平支撐系統(tǒng)的冗余度不足、個(gè)別桿件失效后沒(méi)有足夠的傳遞路徑保證冗余荷載的傳遞，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)支撐系統(tǒng)倒塌。將結(jié)構(gòu)局部失效前后整體承載力變化的各種指標(biāo)作為冗余度的測(cè)度[6]。構(gòu)件冗余度越大，失效或參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響越小，相反冗余度越小，整體結(jié)構(gòu)對(duì)該構(gòu)件的改變就越敏感，由此判斷方案設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。

利用容重增加法計(jì)算圍堰的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，在有限元計(jì)算中無(wú)須改變土體強(qiáng)度，而是增加土體自重荷載。一般以有限元計(jì)算不收斂作為判斷邊坡失穩(wěn)的條件，通過(guò)觀察塑性應(yīng)變區(qū)貫通位置以及水平位移突變位置確定滑坡面[7-8]。邊坡坡角度大于40°后，使用該方法計(jì)算的有限元計(jì)算結(jié)果與Spencer法十分接近[9]。雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)作為一類自立式支擋結(jié)構(gòu)，在有限元穩(wěn)定性計(jì)算中也可參考計(jì)算邊坡穩(wěn)定的極限平衡法，且在有限元數(shù)值模擬中容重增加法操作簡(jiǎn)便，其方法中以施加重力荷載的方式適用于擋水工況下承受荷載突然增大的雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析。

2 三維數(shù)值模擬

2.1 工況基本概述

工況取自南昌某圍堰擋水工況，斷面為長(zhǎng)60 m的一段圍堰，鋼板樁距16.7 m，樁長(zhǎng)21.86 m，入土深度12.36 m。導(dǎo)流工況時(shí)，迎水側(cè)水位至原地面距離為6.5 m，采用三層拉桿，樁間進(jìn)行粉細(xì)砂加固及淤泥質(zhì)黏土加固至現(xiàn)狀地面。

導(dǎo)流工況如圖1所示。

圖1 導(dǎo)流工況

2.2 模型建立

模型采用Standar/Explicit模型，原土層模型采用三維拉伸實(shí)體構(gòu)件，將鋼板樁等效為慣性矩相等的矩形板[10]。鋼拉桿采用三維線單元建模，并為其指派梁截面屬性，選擇采用適用性較高的摩爾庫(kù)倫彈塑性模型建模[7]。在數(shù)值計(jì)算模型中，土層與基巖體系和樁間填土采用C3D8R減縮積分單元，雙排鋼板樁采用S4R減縮積分單元，剛拉桿系統(tǒng)則采用B31兩節(jié)點(diǎn)空間線性梁?jiǎn)卧w模型的總單元個(gè)數(shù)為21 780個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為25 421個(gè)。設(shè)計(jì)水位高程為20 m，基坑開(kāi)挖高程為7.75 m。

整體模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 整體網(wǎng)格劃分

模型樁-土接觸應(yīng)用滑移公式，采用面-面接觸的方式，接觸時(shí)不排除鋼板樁殼構(gòu)件的厚度。切向行為運(yùn)用罰函數(shù)接觸算法，將樁土摩擦系數(shù)設(shè)置為0.4，樁-桿接觸（鋼板樁與鋼拉桿）采用綁定接觸。

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

2.3.1 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的受力和彎矩

將基坑側(cè)鋼板樁作為內(nèi)側(cè)鋼板樁，迎水側(cè)鋼板樁視作外側(cè)鋼板樁。在Abaqus/Cae后處理模塊中，為內(nèi)外排樁分別建立兩條相同位置的節(jié)點(diǎn)路徑作為數(shù)據(jù)采集線，對(duì)其進(jìn)行水平位移按施工工序輸出，得出各工況下內(nèi)外排鋼板樁的水平位移沿樁身分布曲線。

全工況外排、內(nèi)排鋼板樁歷程水平位移如圖3所示。

圖3 全工況外、內(nèi)排鋼板樁歷程水平位移

最終工況下各層拉桿最大內(nèi)力如圖4所示。

圖4 最終工況下各層拉桿最大內(nèi)力

最終工況內(nèi)、外排鋼板樁的剪力、彎矩對(duì)比如圖5所示。

圖5 最終工況內(nèi)外排鋼板樁剪力、彎矩對(duì)比

2.3.2 整體穩(wěn)定性分析

在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，重度增加法的計(jì)算原理是逐漸增加重力加速度，加大土體的自重荷載，利用有限元計(jì)算方法反復(fù)計(jì)算，直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的重度增加系數(shù)就是該邊坡超載概念的安全系數(shù)[7]，即FS=Gu/G0。

計(jì)算結(jié)果不收斂時(shí)重度增加系數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果不收斂時(shí)重度增加系數(shù)

FS=2.505時(shí)土體塑性應(yīng)變區(qū)云圖如圖6所示。

圖6 Fs=2.505時(shí)土體塑性應(yīng)變區(qū)云圖

3 不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)雙排鋼板樁圍堰的影響

為了探討不同部分設(shè)計(jì)參數(shù)的改變對(duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，計(jì)算考慮到的改變因素有拉桿的標(biāo)高與水平間距、鋼板樁間距以及樁間地基土加固區(qū)范圍。

通過(guò)Abaqus數(shù)值模擬分析各因素的改變對(duì)雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合冗余度探討各設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值范圍。

3.1 拉桿的設(shè)置對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)的影響及冗余度分析

本節(jié)計(jì)算使用兩種方案與原方案對(duì)比。原方案為圍堰三道拉桿；方案1只保留下兩道拉桿；方案2只保留標(biāo)高20.86 m第一道拉桿。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得出剪力、彎矩以及水平位移。

冗余度計(jì)算如表2所示。

表2 冗余度計(jì)算

在表2中方案2的各項(xiàng)冗余度均比方案1小，結(jié)合冗余度理論，結(jié)果說(shuō)明了第二、三道拉桿在本次工程整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中占據(jù)了無(wú)法忽略的重要地位，應(yīng)在施工與運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。而從冗余度角度看第一道拉桿的強(qiáng)度冗余度雖然較高，但是剛度冗余度并不大，說(shuō)明第一道拉桿對(duì)于結(jié)構(gòu)的剛度的提升也起了不可忽略的作用。

3.2 拉桿水平間距對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)影響及冗余度分析

為具體探討拉桿間距對(duì)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響，除原方案外分析了4種方案。對(duì)比最終結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整體結(jié)構(gòu)的荷載與形變的傳遞方式?jīng)]有明顯變化。間距加大時(shí)，鋼板樁的彎矩、剪力與水平位移都增大，即拉桿間距的增大造成了整體結(jié)構(gòu)向基坑側(cè)的傾斜量增大，但增幅較小。

不同拉桿間距方案圍堰冗余度如表3所示。

表3 不同拉桿間距方案圍堰冗余度

拉桿間距增大對(duì)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性與剛度沒(méi)有過(guò)大影響，穩(wěn)定性與剛度冗余度變化雖大但仍保持在一個(gè)較高的數(shù)值，而鋼拉桿與鋼板樁的強(qiáng)度冗余度非常低。當(dāng)拉桿水平間距增大至3 m時(shí)，拉桿雖然滿足強(qiáng)度驗(yàn)算的安全系數(shù)要求，但結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度冗余度下降幅值較大，其中內(nèi)排鋼板樁的強(qiáng)度冗余度最大降幅達(dá)到了84.15%，而拉桿的強(qiáng)度冗余度降幅為46.32%。

3.3 不同雙排樁間距對(duì)圍堰影響及冗余度分析

計(jì)算樁間距方案包括16.7 m樁間距、20.0 m樁間距、14.0 m樁間距、10.0 m樁間距、8.0 m樁間距。

樁間距的改變會(huì)同時(shí)改變樁間填土的尺寸，直接影響圍堰的受力變形特點(diǎn)，也會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生明顯變化，對(duì)于材料強(qiáng)度冗余度的影響并沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響大。結(jié)合冗余度分析，在本圍堰工程設(shè)計(jì)中，可先行確定合適強(qiáng)度與剛度的材料，在保證樁間距設(shè)計(jì)值為14.0～16.7 m的同時(shí)，適當(dāng)減小樁間距，以此縮短施工成本及時(shí)間。

不同樁間距圍堰冗余度如表4所示。

表4 不同樁間距圍堰冗余度

3.4 不同加固區(qū)范圍對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)影響及冗余度分析

選取內(nèi)填土重力式雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)作為支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，原狀土層的地基承載力不一定能使整體結(jié)構(gòu)保持較好的穩(wěn)定性，所以應(yīng)選擇合適的樁間土體加固區(qū)范圍。

不同加固方案冗余度如表5所示。

表5 不同加固區(qū)方案冗余度

樁間軟土層地基的加固方案在本次圍堰工程方案設(shè)計(jì)中必不可少，且從安全性考慮，加固區(qū)的范圍不得小于10.0 m。從冗余度角度考慮，加固區(qū)范圍宜大于14.0 m保證結(jié)構(gòu)具有充足的安全儲(chǔ)備應(yīng)對(duì)施工中的不確定因素的影響，本次圍堰設(shè)計(jì)方案加固區(qū)取值范圍建議為寬度大于14.0 m。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)改變雙排鋼板樁內(nèi)填土重力式圍堰的各部分方案設(shè)計(jì)參數(shù)，討論改變不同因素下對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，研究雙排鋼板樁圍堰的受力變形規(guī)律的同時(shí)，結(jié)合冗余度理論為方案設(shè)計(jì)提供了各項(xiàng)參數(shù)的建議區(qū)間。在圍堰方案中的擋水高度工況下，下兩道拉桿的布置必不可少，且需要在施工中重點(diǎn)監(jiān)控，而第一道拉桿的布置也能有效約束樁頂位移，對(duì)于水平位移要求較為嚴(yán)格的永久工況，第一道拉桿的設(shè)置能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供一定的剛度冗余。拉桿間距的變化主要影響結(jié)構(gòu)間的土壓力的傳力路徑，拉桿間距減小時(shí)，傳力路徑減少，每道拉桿承受的軸力增大較為明顯，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)水平位移沒(méi)有太大影響。方案中拉桿水平間距的選取在2.0 m內(nèi)，樁間距由原方案16.7 m間距開(kāi)始減小時(shí)，所有計(jì)算參數(shù)都在原有的基礎(chǔ)上增大，且減小至10.0 m以內(nèi)時(shí)整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生失穩(wěn)。結(jié)合冗余度分析，本工程圍堰設(shè)計(jì)方案樁間距的取值范圍宜在14.0～16.7 m之間。針對(duì)本次圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合冗余度理論，從安全儲(chǔ)備與成本的角度考慮，加固區(qū)范圍宜控制14.0 m左右。方案變化中，受力變形規(guī)律較為復(fù)雜，應(yīng)適當(dāng)加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)，增加監(jiān)測(cè)手段。