張琳琳，石永超，袁 昊

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092)

墻后堆載下高樁承臺(tái)式防汛墻變形規(guī)律研究

張琳琳，石永超，袁 昊

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092)

上海市防汛墻墻后堆載問題客觀存在，且因此造成的防汛墻損壞近年來時(shí)有發(fā)生。如何解決墻后堆載帶來的安全隱患是上海市水務(wù)管理部門亟待解決的問題。通過理論分析，從堆載的影響因子和非堆載的影響因子兩方面，研究并得出了墻后堆載下高樁承臺(tái)式防汛墻的變形規(guī)律，為上海市制定防汛墻墻后堆載限制要求提供理論基礎(chǔ)。

堆載；高樁承臺(tái)；防汛墻；變形

1 概 述

高樁承臺(tái)式防汛墻是目前上海市區(qū)防汛墻結(jié)構(gòu)中主要采用的結(jié)構(gòu)型式之一。一般岸段的高樁承臺(tái)式結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)過程中只考慮防汛通道范圍內(nèi)5 kN/m2的均布荷載，然而現(xiàn)實(shí)中受到用地緊張、岸段使用性質(zhì)、工程需要等影響，防汛墻墻后往往有堆載（例如堆土、堆貨等），且因墻后堆載造成的防汛墻出險(xiǎn)的案例也時(shí)有發(fā)生，諸如2009年閔行區(qū)梅隴鎮(zhèn)淀浦河右岸防汛墻因堆土而導(dǎo)致的防汛墻破壞、2013年閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)躍進(jìn)河左岸防汛墻因墻后堆土導(dǎo)致115 m防汛墻坍塌等。防汛墻墻后堆載是三維空間問題，采用三維有限元分析更為合適，有文[1]指出二維分析在樁基計(jì)算中樁基內(nèi)力基本一致，因此關(guān)于防汛墻墻后堆載的研究主要是二維分析為主，但研究內(nèi)容較少且針對(duì)性較強(qiáng)[2-3]，另外現(xiàn)有規(guī)范條文上涉及防汛墻墻后堆載的相關(guān)內(nèi)容存在管理上和執(zhí)行上的盲區(qū)[4-5]，故開展墻后堆載下高樁承臺(tái)式防汛墻變形規(guī)律的研究是十分必要的，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。墻后堆載下防汛墻的水平變形是防汛墻安全的主要控制指標(biāo)之一，對(duì)于高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)而言，防汛墻墻后堆載作用下，墻身向臨水側(cè)傾斜，《黃浦江防汛墻工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（試行）》（2010）7.8條規(guī)定承臺(tái)的水平位移不宜大于10 mm。因此，本次堆載下防汛墻的變形規(guī)律研究主要依據(jù)防汛墻水平變形指標(biāo)。

2 數(shù)值分析

2.1 有限元分析模型

本文選擇大量上海市高樁承臺(tái)防汛墻典型斷面型式，采用PLAXIS 2014有限元軟件，分別建立了二維仿真分析的有限元模型，模型尺度足夠大以確保計(jì)算范圍的合理性。圖1所示的為上海市某典型岸段高樁承臺(tái)防汛墻二維有限元模型。

圖1 某典型岸段高樁承臺(tái)防汛墻二維有限元模型

2.2 土體本構(gòu)及計(jì)算參數(shù)

本次研究的土體本構(gòu)模型選取Hardening-Soil模型，HS模型為PLAXIS軟件內(nèi)置的一種本構(gòu)模型，由Schanz等[6]提出，在上海地區(qū)應(yīng)用較廣[7]。計(jì)算的土體參數(shù)的選取按照王衛(wèi)東等[8]的研究成果取值。

2.3 樁基的模擬簡化模型

樁基模擬的是數(shù)值仿真分析的關(guān)鍵要素之一，二維仿真分析無法考慮到樁基間距問題，為此采用文獻(xiàn)[9]提出的方法進(jìn)行簡化，將樁基等效為板樁，等效板樁的彈模按下式計(jì)算：

式中：Ep為樁基彈模；Es為土體彈模；u為相鄰樁的中心距；d為樁徑。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 堆載的影響

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，本文研究的堆載影響因子包括堆載形式、堆載順序、堆載寬度以及堆載位置。

3.1.1 堆載形式的影響

防汛墻墻后堆載的類型較多，從堆筑材料剛度的角度可將其劃分為剛性堆載（例如鋼板、集裝箱等）和柔性堆載（例如土、砂、煤炭等）兩類。為了準(zhǔn)確模擬墻后堆載的實(shí)際情況，柔性堆載采用實(shí)體單元模擬，剛性堆載采用等效荷載模擬，如圖2所示。對(duì)比柔性堆載和剛性堆載的結(jié)果可知：雖然兩者是靜力等效的且其余計(jì)算條件一致，但是明顯柔性堆載導(dǎo)致防汛墻的變形較?。ㄒ姳?）。究其原因，是因?yàn)橄鄬?duì)于剛性堆載，柔性堆載能較好地適應(yīng)地基的變形，有助于應(yīng)力的擴(kuò)散。

表1 柔性堆載和剛性堆載作用下防汛墻位移統(tǒng)計(jì)表

圖2 柔性堆載和剛性堆載作用下防汛墻的變形云圖

3.1.2 堆載順序的影響

防汛墻墻后堆載一般是按照一定的順序進(jìn)行堆放的，主要可以分為兩種方式：一是從靠近防汛墻一側(cè)開始向遠(yuǎn)離防汛墻的方向進(jìn)行堆載，即“后退法”；二是從遠(yuǎn)離防汛墻一側(cè)開始向靠近防汛墻的方向進(jìn)行堆載，即“進(jìn)占法”。研究表明，防汛墻墻后堆載宜采用后退法堆載，原因如下：

（1）后退法堆載由于前期所堆荷載有一定的“鎮(zhèn)壓”作用，在一定程度上限制了防汛墻的水平位移，因此后退法計(jì)算所得防汛墻的水平位移（124.2 mm）較進(jìn)占法（149.2 mm）?。ㄒ妶D3）。

圖3 后退法和進(jìn)占法堆載下防汛墻的水平變形云圖

（2）考慮到部分堆載需涉及一定運(yùn)輸機(jī)械，諸如自卸汽車等，在采用進(jìn)占法堆載后，運(yùn)輸機(jī)械存在在防汛墻后近距離行駛的可能，對(duì)防汛墻的自身安全不利。

（3）如果堆載導(dǎo)致防汛墻出現(xiàn)險(xiǎn)情，后退法堆載下防汛墻出現(xiàn)的警示信號(hào)先突增然后逐步緩增至報(bào)警值，較進(jìn)占法先逐步緩增后突增至報(bào)警值更加容易辨識(shí)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并避免防汛墻險(xiǎn)情的發(fā)生。

3.1.3 堆載寬度的影響

在墻后堆載位置確定、幅值不變的情況下，隨著堆載寬度的增加，防汛墻底板的水平變形先增大后減?。ㄒ妶D4）。在荷載寬度較小的情況下，堆載導(dǎo)致正下方的小范圍土體不均勻沉降，由于土體的泊松效應(yīng)，從而導(dǎo)致防汛墻變形。隨著寬度的增加，堆載的總作用力增大，導(dǎo)致土體的不均勻沉降進(jìn)一步增大，進(jìn)而增加防汛墻的水平變形量。然而堆載寬度增加至一定幅度后，雖然導(dǎo)致土體的豎向沉降量增大，但堆載導(dǎo)致土體間的不均勻沉降卻變小了，從而導(dǎo)致防汛墻水平變形減小。即防汛墻自身的水平變形隨墻后堆載寬度的增加先增加后有小幅減小。研究表明，高樁承臺(tái)式防汛墻結(jié)構(gòu)堆載寬度可以選擇墻后10～30 m的范圍內(nèi)。

3.1.4 堆載位置的影響

在防汛墻墻后堆載寬度確定的情況下，隨著堆載距防汛墻設(shè)計(jì)岸線距離的增大，防汛墻的變形逐漸減小且減小幅度呈遞減趨勢，如圖5所示。

根據(jù)對(duì)防汛墻墻后堆載作用下防汛墻的變形規(guī)律進(jìn)行曲線擬合，可得防汛墻墻后不同位置處的防汛墻變形規(guī)律：

式中：y為防汛墻底板的水平位移，mm；p為防汛墻墻后荷載，kPa；x為墻后荷載距防汛墻設(shè)計(jì)岸線的距離，m。

如圖6所示，由擬合結(jié)果可知：擬合公式基本和實(shí)際情況吻合，防汛墻底板的變形隨著堆載距防汛墻的距離的增加呈指數(shù)衰減，最終無限接近于0。根據(jù)實(shí)際出險(xiǎn)案例以及公式（2），防汛墻墻后堆載問題的研究范圍可以選擇為0～50 m。

3.2 非堆載因素的影響

結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文研究的非堆載影響因子包括樁長、地質(zhì)條件和墻前覆土標(biāo)高。

3.2.1 樁長的影響

以某典型岸段為例，對(duì)比分析了墻后10～15 m范圍內(nèi)堆載作用下樁長對(duì)防汛墻變形的影響。在荷載作用下，由于土體的泊松效應(yīng)，堆載下土體的水平位移基本以堆載為中心向兩側(cè)變形，且基本上呈對(duì)稱分布。當(dāng)樁長較小時(shí)，即樁的嵌入土體的長度較小，可視為“短樁”，即樁隨土體發(fā)生平移，由于樁的平移量大于防汛墻墻身的平移量，繼而會(huì)帶動(dòng)防汛墻水平位移進(jìn)一步增加。樁長增長初期，防汛墻墻身的位移增加幅度較大。當(dāng)樁長達(dá)到一定長度后，由于樁的嵌固長度較大，在樁端處的嵌固作用限制了樁身的位移，且樁長越長，限制越強(qiáng)，因而防汛墻位移越小。此即為防汛墻承臺(tái)底板的位移變形規(guī)律基本是隨著樁長的增加先增加然后減小的原因，具體的計(jì)算結(jié)果如圖7所示?？傮w而言，在其余邊界條件固定的前提下，樁長對(duì)防汛墻變形的影響較小。

圖4 防汛墻墻后10 m、15 m、20 m處不同荷載寬度下典型岸段防汛墻水平位移變形規(guī)律

圖5 防汛墻墻后不同位置處5m荷載寬度下防汛墻水平位移變形規(guī)律

圖6 典型岸段防汛墻水平變形擬合結(jié)果

圖7 樁長對(duì)防汛墻水平位移的影響

3.2.2 地質(zhì)條件的影響

本報(bào)告以某典型岸段為例，進(jìn)行地質(zhì)參數(shù)的敏感性分析，此次參數(shù)敏感性分析結(jié)果是統(tǒng)一調(diào)整樁基所在土層模量的變化幅度所得。通過圖8可知，在-20%～20%的變化，墻后堆載導(dǎo)致防汛墻的水平變形的變化幅度基本控制在1 mm之內(nèi)，但是變化幅度超過該范圍或者墻后荷載量值較大的情況下，防汛墻底邊的變化幅度增加較為明顯，尤其是變化幅度小于-20%。

圖8 模量參數(shù)的敏感性分析

實(shí)際上，同一埋深且同種類型土層的地質(zhì)參數(shù)可能相近，但是對(duì)于不同的區(qū)，地層的類型不盡相同，尤其是表層不同的地層類型對(duì)最終影響很大。每個(gè)岸段的防汛墻均是按照該地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此防汛墻墻后堆載的允許量值與該段場地地質(zhì)條件直接相關(guān)。

3.2.3 墻前覆土標(biāo)高的影響

在一定范圍內(nèi)，墻前覆土標(biāo)高的增加可以限制防汛墻墻后堆載導(dǎo)致的變形。圖9為不同墻前覆土標(biāo)高下，典型岸段防汛墻墻后堆載導(dǎo)致防汛墻底板的水平變形。墻前覆土標(biāo)高對(duì)防汛墻水平向變形的限制性較強(qiáng)，且隨著防汛墻墻后堆載數(shù)值的增大，墻后堆載的限制性越強(qiáng)。所以，墻前覆土標(biāo)高對(duì)防汛自身的影響需引起重視。

圖9 墻前覆土標(biāo)高對(duì)防汛墻水平變形的影響

4 結(jié) 語

本文通過有限元模型分析方法，從堆載影響因子和非堆載影響因子兩個(gè)方面，研究了墻后堆載下對(duì)高樁承臺(tái)式防汛墻變形規(guī)律的影響，得到結(jié)論如下：

（1）堆載形式。相較于剛性堆載，柔性堆載能較好地適應(yīng)地基的變形，有助于應(yīng)力的擴(kuò)散，導(dǎo)致的防汛墻變形較小。

（2）堆載順序。防汛墻墻后堆載后退法比進(jìn)占法對(duì)防汛墻的變形影響小。

（3）后續(xù)研究中，堆載位置和寬度可以分別按照墻后0～50 m、寬度10～30 m選取。

（4）防汛墻樁長對(duì)其自身的水平變形影響較小。

（5）防汛墻墻后堆載的問題與該段場地地質(zhì)條件、墻前覆土標(biāo)高密切相關(guān)。

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TV87

A

1009-7716（2017）03-0156-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.042

2016-12-30

上海市水務(wù)局科研項(xiàng)目：防汛墻墻后堆載對(duì)防汛墻安全影響的研究（滬水科2014-03）

張琳琳（1979-），男，上海人，高級(jí)工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)和研究工作。