鄭國兵，黃朝煊，袁文喜，吳留偉，吳 蕾，徐軼慷

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002)

鋼板樁于20世紀初應(yīng)用于歐洲，之后在歐洲和日本取得了長足的發(fā)展，目前在國內(nèi)廣泛應(yīng)用于船塢、碼頭、橋梁、水閘、泵站等領(lǐng)域的施工圍堰和基坑支護。鋼板樁施工方便，有助于降低工期，同時其結(jié)構(gòu)安全可靠、占地空間小，在水利、交通、市政和港航等工程中得到推廣應(yīng)用。

由于雙排鋼板樁較單排鋼板樁而言具有整體剛度更大、安全穩(wěn)定更可靠、無需設(shè)支撐、占地面積小等優(yōu)點，因此雙排鋼板樁圍堰在軟土地基和深厚覆蓋層地基中應(yīng)用廣泛，但在濱海淤泥地基中應(yīng)用較少，其工程實踐經(jīng)驗也較欠缺，特別是在寬闊海域的圍墾工程淤泥地基中應(yīng)用經(jīng)驗更少。

江杰等[1-2]分別基于冗余度和可靠度對雙排鋼板樁圍堰穩(wěn)定進行了分析探討，張玉成等[3]利用有限元對典型圍堰支護結(jié)構(gòu)進行了計算分析，吳留偉等[4]對雙排鋼板樁圍堰設(shè)計進行了總結(jié)分析，黃朝煊[5]對雙排長短樁框架海堤結(jié)構(gòu)進行探討，董志良等[6]對大面積圍海造陸圍堰工程相關(guān)技術(shù)進行分析探討，朱旋等[7]通過有限元軟件對雙排鋼板樁圍堰進行了有限元計算探討，但以上研究均未對板樁入土深度等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的作深入研究。本文依托浙江省某大型圍墾工程，對寬闊海域的深厚淤泥地基中雙排鋼板樁圍堰入土深度等設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)進行總結(jié)提煉，以期為類似工程設(shè)計施工提供參考。

1 雙排鋼板樁計算模型分析

對于寬闊海域內(nèi)深厚淤泥地基中的雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)，其地基土孔隙比大、含水量高、可壓縮性大且承載力差，同時受外海潮位影響及波浪荷載的作用，受力復(fù)雜，因此本文采用圖1所示簡化模型計算(圖中Ld為雙排鋼板樁入土深度；H為鋼板樁頂至涂面之間高差；hs為換填砂厚度；h為雙排鋼板樁內(nèi)外側(cè)拋石鎮(zhèn)壓層厚度；B為雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)的排距，γm1、cm1、φm1分別為第一層地基土的容重、黏聚力和內(nèi)摩擦角；γm2、cm2、φm2分別為鋼板樁持力層地基土的容重、黏聚力和內(nèi)摩擦角)。

圖1 雙排鋼板樁計算模型示意圖

1.1 鋼板樁剛度安全性控制

依據(jù)文獻[8]，抗剪切變形穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算：

(1)

式中：Mf為鋼板樁結(jié)構(gòu)所能提供的極限抵抗力矩；Ms為鋼板樁所受的變形力矩，指海底面以上的墻前波浪力、墻后土壓力、樁間剩余水壓力以及上部結(jié)構(gòu)所受的外荷載對海底面的力矩；Kv為抗剪切變形安全系數(shù)，取1.2。

1.2 鋼板樁排距及入土深度安全性控制

依據(jù)標準[9]，雙排鋼板樁底部抗隆穩(wěn)定安全計算公式為

(2)

其中Nq=tan2(45°+φm2/2)exp(πtanφm2)

Nc=(Nq-1)/tanφm2

雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)在滿足抗隆安全穩(wěn)定條件下，可以將雙排鋼板樁及其內(nèi)部回填料整體等效為“重力式結(jié)構(gòu)”，因此其整體重力式結(jié)構(gòu)需滿足整體抗滑移穩(wěn)定和整體抗傾覆穩(wěn)定性計算要求。

整體滑移穩(wěn)定安全計算公式為[9]

(3)

式中：Ks1為抗滑安全系數(shù)，其值不應(yīng)小于1.2；Eak、Epk分別為等效重力式結(jié)構(gòu)上的主動土壓力、被動土壓力值；σakj、σpkj分別為雙排鋼板樁的基坑內(nèi)側(cè)、外側(cè)計算點的第j層土中豎向應(yīng)力值；cmj、φmj分別為第j層土的黏聚力和內(nèi)摩擦角;G為等效重力式結(jié)構(gòu)的自重；um為等效重力式結(jié)構(gòu)底面上的水壓力，位于含水層時，可取um=γw(hwa+hwp)/2；hwp、hwa分別為等效重力式結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的壓力水頭；B為等效重力式結(jié)構(gòu)的底面寬度；Fw為立波作用下的浪壓力，其計算方法參考JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》[10]。

抗傾覆穩(wěn)定性計算公式為[9]

(4)

式中：Kov為抗傾覆安全系數(shù)，其值不應(yīng)小于1.3；aa為等效重力式結(jié)構(gòu)外側(cè)主動土壓力合理作用點至底趾的豎向距離；ap為等效重力式結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)被動土壓力合理作用點至底趾的豎向距離；aG為等效重力式結(jié)構(gòu)自重與底部水壓力合力作用點至底趾的豎向距離；aw為立波作用下的浪壓力合力作用點與涂面之間的距離。

雙排鋼板樁整體滑動穩(wěn)定計算，依據(jù)規(guī)范，在瑞典條分法且等步長條分土條時，采用總應(yīng)力法計算：

(5)

式中：Ks為整體滑動穩(wěn)定安全系數(shù)；Wi為土條i的重量；bi為第i個土條的寬度；cmi為土條i滑動面上土體的黏聚力；φmi為土條i滑動面上的內(nèi)摩擦角；αi為土條i滑動面中點的切線與水平線的夾角。

值得說明的是雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)整體滑動穩(wěn)定需考慮側(cè)向“拉拽”及整體“空間效應(yīng)”的影響。

1.3 其他安全輔助加固處理措施

對表層淤泥層采用砂換填后，既有利于下部淤泥土的豎向排水固結(jié)[11]，增強下部淤泥土的抗剪強度，同時在地基土面層形成“硬殼層”，對雙排鋼板樁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有較大的有利影響。

換填砂厚度hs根據(jù)下臥層地基承載力確定[12]：

γh+γshs≤fa

(6)

其中fa=Mbγb+Mdγd+Mcck

式中：K0為土層的靜止土壓力系數(shù)，K0=1-sinφm1;γ為拋石鎮(zhèn)壓層的容重；γs為換填砂的有效容重；b為雙排樁的寬度；d為置換厚度；ck為置換層原狀土的黏聚力。

2 最小入土深度計算計算公式

2.1 抗隆穩(wěn)定條件

根據(jù)式(2)，求解關(guān)于Ld的方程，得滿足抗隆穩(wěn)定下的鋼板樁的入土深度應(yīng)滿足：

(7)

2.2 整體抗滑移穩(wěn)定條件

根據(jù)式(3)，通過數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)得：

A2Ld2+A1Ld+A0≥0

(8)

A0=(cm2-umtanφm2)B+γ2Htanφm2-

根據(jù)工程實際經(jīng)驗，一般可取B=H，求解一元二次不等式(8)可得：

(9)

2.3 抗傾穩(wěn)定條件

根據(jù)式(4)，通過數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)得：

(10)

由一元三次方程的卡當(dāng)公式解，求解以上方程可得滿足抗傾覆穩(wěn)定下的入土深度應(yīng)滿足：

(11)

2.4 滿足穩(wěn)定條件的最小入土深度

雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)入土深度Ld設(shè)計初值可取分別滿足抗隆穩(wěn)定、整體抗滑移穩(wěn)定和抗傾穩(wěn)定計算值中的最大值，即：

(12)

值得說明的是，對于受外海潮位及波浪壓力作用下的雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)，由于水壓力作用下彎矩的不利影響更大，因此水壓力對整體抗傾覆的影響比整體抗滑移的影響更顯著，此時按整體抗傾覆穩(wěn)定計算得出的入土樁長臨界值比按整體抗滑移穩(wěn)定得出的臨界值更大。

3 工程案例

3.1 工程概況

浙江省某大型圍墾工程[13]位于溫州市甌江、飛云江兩河口之間，總圍墾面積8 853 hm2，主要包括海堤、水閘及通航建筑物，工程等別為Ⅰ等，海堤、水閘等主要建筑物級別為1級。北閘位于圍墾區(qū)北部，水閘規(guī)模為10孔×8 m+6孔×8 m+通航孔16 m。在基坑外側(cè)布置環(huán)形圍堰，通過環(huán)形圍堰，在海上形成一定的造陸區(qū)域，為后期水閘地基處理和旱地施工創(chuàng)造條件。

圍堰施工區(qū)內(nèi)分布深度超過30 m的淤泥土，具有飽和、流塑和高壓縮性等特點，地基土層結(jié)構(gòu)主要有：①流泥，層厚為0.30～0.50 m；②Ⅲ0層淤泥，層厚為2.00～2.50 m；③Ⅲ1層淤泥夾粉砂、粉土層，層厚為5.00～6.50 m；④Ⅲ2層淤泥，層厚為14.00～16.00 m；⑤Ⅲ3層淤泥，層厚3.00～5.00 m；⑥Ⅳ1層淤泥質(zhì)黏土，層厚3.00～7.00 m。各土層主要物理力學(xué)特性指標表見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)特性指標

圍堰整體環(huán)形布置，設(shè)計軸線總長1 533 m，圍堰內(nèi)基坑面積14.5萬m2，圍堰平面布置見圖2。圍堰兩端布置兩個60 m長的剛性復(fù)合地基(?80 cm的PHC樁)拋石圍堰段(人工島)，其余段采用雙排鋼板樁圍堰。雙排鋼板樁圍堰段兩排鋼板樁之間設(shè)置44道橫隔鋼板樁，橫隔布置間距約為35 m，將內(nèi)外兩排鋼板樁分割成44個隔倉，以提高雙排鋼板樁整體剛度。圍堰頂寬11.00 m，設(shè)計頂高程5.50 m(以基坑側(cè)鋼板樁頂高程計)，內(nèi)外側(cè)設(shè)置拋石鎮(zhèn)壓平臺，內(nèi)外側(cè)鎮(zhèn)壓平臺高程-0.50 m。鋼板樁采用U型冷彎鋼板樁，單根長27 m，截面模量3 200 cm3/m。拉桿采用?70 mm鋼拉桿，間距1.4 m。圍堰典型斷面見圖3。其中鋼板樁施工打設(shè)現(xiàn)場圖見圖4。

圖2 水閘圍堰實景鳥瞰圖

圖3 水閘圍堰典型斷面(單位：m)

圖4 鋼板樁圍堰施工圖

3.2 基于本文計算公式的分析

由式(7)計算得Ld≥15.16 m；由式(9)計算得Ld≥8.63 m；由式(11)計算得Ld≥17.01 m。最后依據(jù)式(12)，雙排鋼板樁在滿足抗隆、整體抗滑移以及抗傾覆穩(wěn)定條件下的入土樁長最小值滿足Ld≥17.01 m。

本工程中雙排鋼板樁實際設(shè)計樁長為18.5 m，比理論計算值稍偏大。

雙排鋼板樁圍堰整體滑動穩(wěn)定計算采用瑞典條分法，依據(jù)《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》進行驗算，通過試算求得圓弧半徑37.57 m，安全系數(shù)KS=1.21> 1.20，滿足整體滑動穩(wěn)定要求。

值得說明的是，計算中未考慮換填砂對淤泥質(zhì)地基土排水固結(jié)而提高抗剪強度的有利影響，同時在雙排鋼板樁圍堰整體閉合后，其空間呈整體環(huán)形結(jié)構(gòu)，相鄰鋼板樁結(jié)構(gòu)在側(cè)向“拉拽阻滑”及整體“空間尺寸效應(yīng)”的影響下，其整體安全穩(wěn)定性具有一定的安全富裕度。

3.3 有限元計算分析

采用MIDAS-GTS NX有限元軟件建立三維模型進行模擬計算。本次研究取比一個隔倉長度稍長的42 m長圍堰段進行三維建模研究。有限元模型中，鋼板樁采用殼單元模擬，拉桿采用植入式梁單元，土體及拋石采用實體單元。土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb模型。模型網(wǎng)格數(shù)為146 394，其中鋼板樁單元數(shù)為9 049，圍檁與拉桿單元數(shù)為483，基礎(chǔ)及倉內(nèi)土體單元數(shù)為136 862。圍堰數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 圍堰有限元模型

模型邊界約束為：模型前后側(cè)邊界施加沿z軸方向固定約束，模型左右側(cè)邊界條件為對稱邊界，土體表面為自由面不施加約束，模型底部施加沿垂直方向固定約束。模型施加荷載為正常運行工況下波浪荷載與靜水壓力。

根據(jù)有限元計算分析，在正常運行工況下雙排鋼板樁水平變位云圖見圖6，其外側(cè)鋼板樁最大水平位移發(fā)生在樁頂附近，最大計算值為139 mm。

圖6 鋼板及拉桿水平位移計算結(jié)果

3.4 與實際監(jiān)測資料對比分析

為了驗證計算結(jié)構(gòu)可靠性，將土體位移數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行了對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 外側(cè)鋼板樁位移對比

通過圍堰內(nèi)外側(cè)土體位移的對比可知，實測最大水平變位值為187 mm，而有限元計算值為139 mm，其實測值比有限元計算中稍大，主要原因是工程實際運行中受潮位漲落的往復(fù)循環(huán)荷載作用影響所致，但其水平變位滿足工程運行要求，因此雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定可靠。

4 結(jié) 論

a. 對深厚淤泥地基中雙排鋼板樁圍堰穩(wěn)定計算進行建模，基于土力學(xué)理論，分別從鋼板樁打設(shè)過程中屈曲穩(wěn)定、運行工況下的抗剪切變形穩(wěn)定、底部抗隆穩(wěn)定、整體抗滑移穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定以及整體滑動穩(wěn)定等方面進行控制分析，并給出相應(yīng)穩(wěn)定計算公式。

b. 對深厚淤泥地基土采用淺層換填砂“硬殼層”處理和增設(shè)內(nèi)外側(cè)拋石鎮(zhèn)壓層等措施，既可增加雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)水平抗力，又可加快淤泥土下臥層豎向排水固結(jié)，增加結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定性，同時給出了換填深度計算式。

c. 通過數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)計算，給出了鋼板樁最小入土深度Ld計算公式，便于工程實際應(yīng)用。以浙江省某大型圍墾工程水閘的雙排鋼板樁圍堰工程為案例，依據(jù)文中提出的鋼板樁最小入土深度Ld計算公式，得出最小入土深度建議值為17.01 m，與工程實際設(shè)計值18.50 m基本一致，認為該計算式基本滿足設(shè)計要求。

d. 利用有限元計算軟件，對本案例中雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬計算分析，并與鋼板樁實際水平變位監(jiān)測資料進行對比分析，認為該雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠，可為相關(guān)工程應(yīng)用提供借鑒參考。