许 亮

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

围堰作为临时挡水建筑物，相比大坝和水闸等永久水工建筑物，其稳定性要求相对较低。相较于单排钢板桩支护结构，双排钢板桩支护结构由于具有拉杆增强桩体自身刚度和稳定性，能够有效限制土体的侧向变形，确保围堰施工期安全。因此，在市政、建筑和水利工程领域，双排钢板桩基坑和围堰得到广泛使用，尤其是软土地质条件下。然而，目前对于双排钢板桩围堰设计主要依赖工程经验，难以准确预测施工过程中钢板桩内力和变形，在结构可靠性分析中具有局限性。因此，依靠工程经验对深厚淤泥层地区进行钢板桩围堰设计已经不能满足水利工程建设的需求，需要结合其他方法对双排钢板桩围堰进行稳定性分析。

目前，钢板桩围堰稳定性研究方法主要分为模型试验和数值分析两大类。由于模型试验投资大，周期长，使得其运用并不广泛。而采用数值分析方法对双排钢板桩进行数值计算，首先需要找到合适的计算模型。目前，双排钢板桩常见模型和简化计算方法概括为以下四类：①地基梁法，将双排钢板桩看作门式钢架，简化成弹性地基梁计算模型；②比例系数法，将钢板桩和连梁看作底端嵌固的钢架结构，假定连梁为刚体，只能平移而不能转动；③等效抗弯刚度法，根据等效抗弯刚度原理，将双排钢板桩简化成杆系有限单元；(4)有限元法。其中，地基梁理论计算复杂，难以实现，比例系数法存在土压力人为分配的缺点，等效抗弯刚度法在对桩体嵌固深度较浅的双排桩进行计算时，将桩后被动区的土压力看作主动土压力，与钢板桩实际受力有较大差异。有限元法相较于其他3种方法，具有计算简便、可考虑桩-土之间作用力、便于参数分析以及使用范围广等优点。近年来，有限元数值分析方法在深厚淤泥层地质条件下双排钢板桩稳定性分析也得到了广泛应用。本文以广东省某水利工程为例，基于Midas-GTS有限元数值计算软件，对深厚淤泥层地质条件下双排钢板桩围堰的应力应变以及稳定性进行了分析，为围堰的安全施工提供可靠的技术指导，也可给其他类似工程提供参考。

1 工程概况

塭嘴水闸位于广东省汕头市，水闸安全鉴定报告指出：围堰堰基地层为深厚淤泥层，地基承载力低，地质条件差。水闸左岸下游存在轮船码头，土石围堰的施工将会影响航运，而在深厚淤泥层地质条件下，单排钢板桩围堰支护形式稳定性较差，因此，最终经过围堰方案比选，结合当地其他工程经验，采用双排钢板桩围堰结构形式，钢板桩之间填土，通过拉杆形成一个整体。围堰堰宽10.0m，堰顶标高为2.27m。采用拉森SP-IV型钢板桩，桩顶标高为2.27m，桩底标高-21.73m，桩长24m。在围堰两侧高程为-5.0m处设抛石平台护脚，宽8.0m，坡比为1∶2.5。围堰设置2道拉杆，第一道拉杆位于标高-1.0m位置处，第二道拉杆位于标高1.0m位置处，拉杆水平间距为2m，采用Ф50钢筋。双排钢板桩围堰结构剖面图如图1所示。

图1 双排钢板桩围堰结构剖面图

序号土层名称层厚/m密度/(g·cm-3)压缩模量/(E/kPa)泊松比/μ粘聚力/(c/kPa)内摩擦角/φ/(°)1填土9.21.804.50.258.0122中粗砂2.01.85280.200.2303淤泥9.01.653.20.285.084中砂—1.90300.200.230

表2 拉森SP-IV型钢板桩材料参数

1.1 地层参数

根据地质勘察报告，并参考该地区其他工程项目岩土体参数取值，得到的地层岩土体物理力学参数取值，见表1。其中粘聚力c和内摩擦角φ取饱和快剪指标。拉森SP-IV型钢板桩材料参数见表2。

1.2 计算工况

本次工程围堰施工分为以下五个步骤：①钢板桩施工；②回填土，施工第一道拉杆；③基坑内侧和外侧抛石压脚；④回填土，施工第二道拉杆；⑤施工区内抽水。当施工区处于无水的情况时，围堰处于最不利的工况。

2 有限元建模

2.1 模型范围及单元选择

模型的尺寸主要通过围堰的尺寸以及变形影响范围来确定。考虑到围堰在水平方向和垂直方向的变形影响范围，取基坑深度和宽度二者大值的3～5倍作为模型边界。确定模型水平方向长124m，竖直方向长47m。为提高模型计算效率，本次模拟简化成二维平面应变问题，采用二维平面应变有限元模型进行计算。各地层均采用混合网格生成。钢板桩采用梁单元模拟，拉杆采用桁架单元模拟，二者均从各地层单元上析取生成。有限元模型如图2所示。

图2 双排钢板桩围堰数值计算模型

2.2 材料本构关系

为了更加真实地反映岩土体和结构受力情况，本次数值计算对岩土体和结构分别采用不同的本构模型。软土采用修正莫尔-库伦本构模型，砂层、抛石、填土采用莫尔-库伦本构模型。钢板桩和拉杆采用弹性本构模型，弹性模量取210GPa，泊松比取0.3。

3 有限元计算及结果分析

根据围堰施工顺序，双排钢板桩围堰数值计算分为以下五个步骤：①初始应力平衡；②钢板桩施工；③回填土至-1.5m，施工第一道拉杆；④基坑内侧和外侧抛石，回填土至0.5m，施工第二道拉杆；⑤基坑外侧施加水位为1.77m的水压力，基坑内侧无水。

对双排钢板桩围堰依次进行数值计算，得到了双排钢板桩围堰应力和位移数据。以最不利工况(工况5)为例，对双排钢板桩围堰应力、位移数据进行分析，对施工期围堰稳定性进行预测。

3.1 位移分析

经过数值计算，施工期钢板桩的水平位移如图3所示。由图3可以看出，钢板桩水平位最大值为248mm。出现在背水侧钢板桩之上。

图3 钢板桩水平位移分布图

3.2 应力分析

围堰施工期钢板桩弯矩如图4所示。从图4可以看出，钢板桩弯矩最大值为271kN·m，出现在背水侧，这是因为背水侧钢板桩不仅承受水压力的作用，还受到钢板桩之间土压力的作用。拉杆轴力如图5所示，从图5可知，拉杆轴力最大值为412kN，出现在第一道拉杆上。

图4 钢板桩弯矩分布图

图5 拉杆轴力分布图

3.3 围堰结构强度校核

根据双排钢板桩围堰应力数据，对钢板桩和拉杆进行结构强度校核计算，根据强度校核结果对钢板桩围堰施工期稳定性进行预测。

(1)钢板桩强度校核

钢板桩最大弯矩Mmax=271kN·m，弯矩计算值为M=271×1.25=339 kN·m，钢板桩应力：σ=M/W=339×106/(2200×103)=154N/mm2<[σ]=215 N/mm2，满足材料强度要求。

(2)拉杆强度校核

直径为Ф50的拉杆正常工作轴力容许值

N=[σ]×A=270×1/4×π×502=530kN，

轴力最大值为

Nmax=412kN<530kN，满足材料强度要求。

4 结论

本文借助Midas-GTS有限元数值计算软件，对深厚淤泥层地质条件下双排钢板桩围堰的强度和变形进行了数值计算，得到结论如下：

(1)施工期钢板桩水平位移最大值为248mm；

(2)施工期钢板桩所承受最大弯矩为271kN·m，拉杆所承受最大轴力值为412kN，二者均满足材料强度要求。

本方法可以给同类钢板桩围堰稳定性分析提供参考，具有重要理论意义和实用价值。但是对于双排钢板桩支护结构中桩-土之间的作用以及桩径、桩间距对钢板桩支护结构刚度的影响还有待进一步研究。