羅志安，游嬋林

(廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

鋼板樁最初主要應(yīng)用于工民建的深基坑支護(hù)，由于其施工快速方便、擋土止水防滲效果較好，且鋼材可回收重復(fù)利用，故在水利工程導(dǎo)流圍堰使用中愈加廣泛。雙排鋼板樁圍堰相較于常規(guī)土石圍堰，具有結(jié)構(gòu)自身剛度大、整體性好、止水效果好、施工周期短等特點(diǎn)[1]，為軟土地區(qū)常用的圍堰結(jié)構(gòu)形式之一。但雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形，以及樁—土共同作用的機(jī)理等問題的研究有待進(jìn)一步完善[2]，在國內(nèi)并未形成相關(guān)的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，理論研究遠(yuǎn)落后于實(shí)踐。

1 工程概況

如意坊隧道位于廣州市荔灣區(qū)，東起內(nèi)環(huán)路如意坊立交，向西南下穿珠江后與芳村大道通過相連，主線全長為1 511 m，其中岸上敞開段長為396 m，岸上暗埋段長為497 m，江中沉管段長為618 m。暗埋段為現(xiàn)澆施工，與沉管接頭部位位于河道內(nèi)，需要在圍堰的圍蔽下進(jìn)行干地施工。

2 工程地質(zhì)條件

場區(qū)地貌屬珠江三角洲沖積平原，覆蓋土層主要有全新統(tǒng)海陸交互相沉積層(Q4mc)淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂、砂土，上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)粘土、粉質(zhì)粘土、砂土，殘積層(Qel)；下伏基巖主要為白堊系大塱山組三元里段(K2d1)灰?guī)r質(zhì)礫巖、含礫粉細(xì)砂巖和黃花崗段(K2d2)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖夾灰?guī)r、泥巖夾粉砂巖等。圍堰鋼板樁主要嵌固在表層淤泥及深厚淤泥質(zhì)細(xì)砂層中，其中淤泥層厚為0.6～4.2 m，含有機(jī)質(zhì)0.83%～13.6%，天然含水量為40%～65%，液性指數(shù)為1.45～1.6，孔隙比為1.3～1.6，壓縮模量為1～3 MPa，屬高壓縮性土，N=1.0～4.0擊，平均為1.8擊；淤泥質(zhì)細(xì)砂層厚為5.5～13.6 m，飽和松散，顆粒不均勻，局部相變?yōu)榉邸⒓?xì)砂，N=2.0～9.0擊，平均為5.1擊。

圍堰基礎(chǔ)水下地層分布及圍堰填料物理力學(xué)性質(zhì)見表1所示。

表1 圍堰基礎(chǔ)土層分布及力學(xué)指標(biāo)

3 圍堰設(shè)計(jì)

1) 圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

工程主要建筑物為1級(jí)，導(dǎo)流建筑物圍堰等級(jí)為4級(jí)，考慮破堤后防洪標(biāo)準(zhǔn)不降低，圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)取200年一遇洪水位7.79 m，堰頂高程取8.8 m(均為廣州城建高程系)。

2) 圍堰設(shè)計(jì)

圍堰位于暗埋段與沉管段接頭外側(cè)，堰頂高程為8.8 m，最大擋水高度為4.29 m，頂寬為7.0 m，采用雙排鋼板樁對(duì)拉、中部回填砂的結(jié)構(gòu)形式，鋼板樁采用拉森Ⅳ型，下部進(jìn)入淤泥質(zhì)砂層，樁長為18 m，在高程6.8 m處設(shè)置間距為2 m的Φ32鋼筋拉桿，并在該高程設(shè)置2根32a槽鋼拼接的鋼圍檁(斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示)。

圖1 圍堰結(jié)構(gòu)示意(單位：高程m，尺寸mm)

4 穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

雙排鋼板樁圍堰采用兩側(cè)鋼板樁和中部拉桿來約束堰體內(nèi)填料，鋼板樁同堰體一起通過抗剪切的方式抵抗水平推力，類似板樁結(jié)構(gòu)；同時(shí)鋼板樁內(nèi)堰基及填土自重大，可用于抵抗圍堰的整體滑動(dòng)與傾覆，又類似于重力式結(jié)構(gòu)。雙排鋼板樁圍堰的破壞形式是多樣的，各種破壞形式都有其不同的機(jī)理[3]。但總體來說，可分為整體穩(wěn)定破壞與內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞失效兩種，計(jì)算可分為穩(wěn)定性計(jì)算和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算兩部分[4]。

4.1 整體穩(wěn)定分析計(jì)算

雙排鋼板樁圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算一般將其視為一種“自主式”的重力體[5]，以往的工程經(jīng)驗(yàn)表明該方法能滿足一般工程實(shí)踐的需要。

雙排鋼板樁圍堰一般用于淤泥軟土地區(qū)，整體穩(wěn)定破壞形式一般為圓弧滑動(dòng)。雙排鋼板樁中部回填砂可看作為一種整體重力式支擋結(jié)構(gòu)，主要利用其中部回填料的重力起到抗滑穩(wěn)定作用，其整體抗滑動(dòng)、抗傾覆等可參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JTJ 120—2012)重力式水泥土擋墻計(jì)算。驗(yàn)算時(shí)外江側(cè)取200年一遇高潮位7.79 m，背水側(cè)取排干水后的河床高程3.5 m，鋼板樁及回填砂平均容重為18 kN/m3，采用理正深基坑水泥土擋土墻模塊進(jìn)行圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算過程中將外江側(cè)水等效為濕容重為10 kN/m3、干容重為0 kN/m3、粘聚力為0 kPa、內(nèi)摩擦角為0°的土層，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范規(guī)定要求(計(jì)算結(jié)果見表2)。

表2 圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

1) 傳統(tǒng)驗(yàn)算方法

目前雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還沒有明確規(guī)范，相關(guān)設(shè)計(jì)還停留在半理論半經(jīng)驗(yàn)的階段[6]。由于雙排鋼板樁之間通常采用拉桿鏈接，拉桿主要起傳遞拉力的作用，且鋼筋截面較小，不能傳遞彎矩，因此并不能按照基坑雙排樁支護(hù)的計(jì)算方法簡化為門式鋼架。鄧義釗等[7]通過理正雙排樁模型與有限元模型的計(jì)算對(duì)比，也證實(shí)了基坑雙排樁支護(hù)計(jì)算模型并不適用于雙排鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)。

周連有[8]提出等值梁法、自由支撐法及變位法，在20世紀(jì)七八十年代在海河圍堰設(shè)計(jì)中多次成功應(yīng)用，但該一系列方法均基于極限平衡法，沒有考慮結(jié)構(gòu)及土體變形，假定與實(shí)際受力狀況有一定的差別，故目前很少使用。

雙排鋼板樁圍堰受力結(jié)構(gòu)模型有兩種處理方式：樁間土填土寬度較小時(shí)，樁間土體主動(dòng)土壓力相對(duì)迎水側(cè)荷載很小，可認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的水平推力都作用在后排樁上[9]，可將外側(cè)鋼板樁作為錨碇樁，內(nèi)側(cè)鋼板樁按錨碇式擋土墻設(shè)計(jì)[10]；圍堰寬度較大時(shí)，不能忽略樁間土對(duì)雙側(cè)鋼板樁的主動(dòng)土壓力，可將雙排鋼板樁簡化為單排鋼板樁加錨桿支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式。

如意坊隧道雙排鋼板樁圍堰頂寬7 m>5.3tan(45°-30°/2)，故采用理正深基坑中的單排樁加錨桿支護(hù)模塊進(jìn)行圍堰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算[1]。

計(jì)算時(shí)取外江側(cè)200年一遇高潮位7.79 m、內(nèi)河側(cè)水位取排干水后的河床高程3.50 m，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

2) 有限元法

有限元法是工程分析中廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視[11]。相比上述傳統(tǒng)驗(yàn)算方法的歸納簡化，有限元法主要考慮土體及結(jié)構(gòu)的本構(gòu)原理，不存在人為土壓力分配，可考慮空間效應(yīng)，更具有普遍性的適用性和精確性，相比上述半理論半經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)方法更科學(xué)。

計(jì)算通過GeoStudio的SIGMA/W模塊進(jìn)行，采用二維平面有限元模型，計(jì)算材料參數(shù)見表1，巖土參數(shù)選用摩爾-庫倫。其中鋼板樁采用梁單元模擬，拉桿采用桿件單元模擬，模型底部采用固定約束，兩個(gè)側(cè)面采用法向約束，計(jì)算模型見圖2。

圖2 圍堰有限元平面模型示意

由于鋼板樁幾何截面較復(fù)雜，本文在建模時(shí)，將其等效為每延米慣性矩相等的矩形截面[7]，拉森Ⅳ型鋼板樁每延米慣性矩為38 600 cm4，經(jīng)換算可等效為截面高度為16.7 cm的矩形樁。

施工過程為打鋼板樁→中部填砂→設(shè)拉桿→拉桿上方填砂→基坑內(nèi)排水。計(jì)算得各支擋結(jié)構(gòu)主要內(nèi)力參數(shù)見圖3～5所示，變形量見圖6～7所示。

圖3 前排樁彎矩示意

圖4 后排樁彎矩示意

圖5 拉桿軸力示意

圖6 圍堰水平位移等值線示意

圖7 圍堰沉降等值線示意

3) 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用傳統(tǒng)驗(yàn)算方法和有限元法的支擋結(jié)構(gòu)主要內(nèi)力設(shè)計(jì)值見表3。由表3可見，兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果差距不大，從偏保守安全的角度，選用傳統(tǒng)驗(yàn)算方法的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算。其中拉桿軸力作用在圍檁上，圍檁可看做為以拉桿位置為支點(diǎn)的連續(xù)梁，可簡化為簡支梁進(jìn)行圍檁彎矩計(jì)算[12]，計(jì)算公式為：

Mmax=0.1*Ra*l

(1)

式中Mmax為拉桿軸力產(chǎn)生的最大彎矩設(shè)計(jì)值，kN·m；RA為拉桿軸力設(shè)計(jì)值，kN；l為拉桿間距，m，本工程取2.0 m。

由表3可見，該圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)力設(shè)計(jì)均滿足各構(gòu)件安全穩(wěn)定要求。

5 實(shí)施效果及變形監(jiān)測

1) 該圍堰在填砂施工過程中，部分作業(yè)段出現(xiàn)靠近河床面高程處向兩側(cè)擴(kuò)張、形成“八”字形的變形，局部鋼板樁施工質(zhì)量較差密扣不嚴(yán)處出現(xiàn)漏砂現(xiàn)象，樁頂填砂下沉明顯，但后期變形收斂，并未出現(xiàn)失穩(wěn)及結(jié)構(gòu)破壞；而部分使用全新完好鋼板樁的作業(yè)段則未出現(xiàn)該現(xiàn)象。建議在以后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中可在下方增設(shè)一排拉桿，提高圍堰的整體性，防止因施工質(zhì)量問題造成圍堰漏砂失效。

2) 該圍堰在2019年建成投入使用，多次攔擋超過7.3 m高潮水位的情況下運(yùn)行良好。

3) 圍堰在施工及擋水使用過程中進(jìn)行了位移及沉降監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明在圍堰施工期間的變形主要以沉降為主，施工期間最大沉降高度約0.4 m，發(fā)生在樁頂處，經(jīng)分析主要由于堰基為未經(jīng)處理的淤泥及淤泥質(zhì)砂層排水固結(jié)引起；運(yùn)行期間最大水平位移約為0.15 m，傾向基坑側(cè)，與有限元計(jì)算值接近，發(fā)生在基坑排水后，但后期基本穩(wěn)定無變化。

6 結(jié)語

1) 計(jì)算雙排鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定時(shí)，可將其看作為整體的重力支擋結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮鋼板樁的支護(hù)及防滲作用，又能發(fā)揮樁間填土的重力穩(wěn)定作用。

2) 雙排鋼板樁圍堰堰頂寬度較大時(shí)(大于Htan(45°-Φ/2)時(shí))，可將雙排鋼板樁簡化為單排鋼板樁加錨桿支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。與有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)相比較，該計(jì)算結(jié)果略偏保守，可用于實(shí)際工程中。