任俊剛，高永勝，趙博文，蔣 楠

（1.湖南華中鐵水聯(lián)運(yùn)能源基地有限公司, 湖南 岳陽 414100；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074）

拉森鋼板樁因其優(yōu)異的止水圍護(hù)性能以及造價(jià)低廉、施工便捷、安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在岸坡碼頭工程、基坑工程等被大量采用。在岸坡碼頭工程中，工程項(xiàng)目緊鄰河道，為保證碼頭平臺(tái)沉樁施工條件下岸坡的安全穩(wěn)定，沿河道邊坡設(shè)置鋼板樁，這是當(dāng)下岸坡碼頭工程常用的施工手段。與此同時(shí)，碼頭平臺(tái)沉樁施工荷載會(huì)直接傳遞至鋼板樁上，可能造成鋼板樁的變形及失效，威脅岸坡安全。目前，尚沒有關(guān)于沉樁荷載作用下岸坡鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)的規(guī)范性文件，因此，研究沉樁動(dòng)力荷載作用下邊坡鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性及其安全穩(wěn)定性具有重要意義。

當(dāng)前，針對(duì)鋼板樁的動(dòng)力響應(yīng)以及安全穩(wěn)定性分析，研究人員已經(jīng)開展廣泛的研究。呂鵬等[1]利用1∶5 的模型試驗(yàn)，對(duì)U 型鋼板樁在橫向加載過程中的位移、土壓力響應(yīng)以及破壞模式進(jìn)行了詳細(xì)研究，在考慮土質(zhì)濕度、加載速率、埋置深度和加載高度等影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)U 型鋼板樁的位移和土壓力變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析。焉振等[2]建立了一個(gè)動(dòng)力分析模型，以探究在軟土循環(huán)弱化效應(yīng)下格型鋼板樁的最大孔壓增長規(guī)律以及相關(guān)的不排水強(qiáng)度削減特性。另一方面，雙排鋼板樁的穩(wěn)定性與應(yīng)用也受到關(guān)注。鄭國兵等[3]以土力學(xué)為基礎(chǔ)，從多個(gè)角度對(duì)雙排鋼板樁進(jìn)行了深入分析，通過理論計(jì)算提出了鋼板樁穩(wěn)定使用所需的最小入土深度計(jì)算公式。楊熠[4]對(duì)雙排鋼板樁圍堰在施工和運(yùn)行工況下的受力變形及穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究，提出了一種中空的雙排鋼板樁岸坡支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。此外，岸坡碼頭工程中的沉樁作用與動(dòng)力荷載特征也是重要的研究熱點(diǎn)。曹勝敏[5]構(gòu)建了一個(gè)Smith 樁-土耦合動(dòng)力學(xué)模型，以研究在錘擊荷載作用下基樁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為，系統(tǒng)研究了不同錘擊荷載、樁徑和樁入土深度等參數(shù)，揭示了樁在錘擊荷載作用下頂部和底部位移速度隨時(shí)間變化的特點(diǎn)。為解決樁-土動(dòng)力相互作用難題，王娜娜[6]在綜合分析目前樁-土相互作用研究方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于打樁下沉的動(dòng)力仿真模型，填補(bǔ)了現(xiàn)有研究的空白，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了有益的理論和實(shí)踐支持。

本研究通過動(dòng)力沉樁全過程振動(dòng)監(jiān)測分析，提出碼頭平臺(tái)沉樁作用下的荷載特性，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)岸坡雙排懸掛鋼板樁在沉樁動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行分析，以期為雙排鋼板樁在沉樁荷載作用下的安全性評(píng)價(jià)提供參考。

1 工程概況及現(xiàn)場測試分析

本工程位于長江右岸，碼頭平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)形式，平臺(tái)長461 m，寬23 m。江側(cè)前沿直樁采用外徑為1 200 mm、壁厚為18 mm 的鋼管樁，岸側(cè)的2 對(duì)叉樁采用直徑1 200 mm、壁厚150 mm 的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土（prestressed high-intensity concrete，PHC）與直徑940 mm、壁厚20 mm 的鋼管的組合樁，叉樁斜度6∶1，樁基持力層為全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。為保證項(xiàng)目正常施工和岸坡的穩(wěn)定，采用鋼板樁對(duì)岸坡進(jìn)行支護(hù)。擬定支護(hù)方案：雙排鋼板樁支護(hù)，第1 排采用12 m 長鋼板樁，沿馬道外側(cè)布置；第2 排采用18 m 長鋼板樁，距離第1 排5 m，沿江布置；在兩排鋼板樁頂部外側(cè)設(shè)置工20 型鋼作為圍檁，再通過5 號(hào)槽鋼焊接形成整體，5 號(hào)槽鋼間隔3 m 焊接一道，鋼板樁外側(cè)放坡開挖至標(biāo)高17.5 m（滿足打樁船吃水要求）。碼頭樁位、開挖區(qū)域及鋼板樁的相對(duì)位置如圖1 所示。

圖1 擬定邊坡開挖及支護(hù)方案Fig.1 Proposed slope excavation and support plan

為了確定碼頭平臺(tái)沉樁荷載作用下雙排鋼板樁的穩(wěn)定性，采用現(xiàn)場振動(dòng)測試獲取錘擊施工過程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場振動(dòng)測試點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場測試點(diǎn)布置Fig.2 Field test point layout

監(jiān)測現(xiàn)場共進(jìn)行60 次監(jiān)測，每次監(jiān)測均為一根錘擊貫入樁的完整施工過程，典型的峰值振動(dòng)速度（peak particle velocity，PPV）數(shù)據(jù)如表1所示。由表1 可知，測點(diǎn)峰值振動(dòng)速度隨著測點(diǎn)遠(yuǎn)離錘擊點(diǎn)而逐漸減小，而且在不同測試中，測點(diǎn)達(dá)到峰值振動(dòng)速度的時(shí)刻基本一致，且對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)（N）幾乎相同。

表1 現(xiàn)場振動(dòng)測試數(shù)據(jù)Table 1 Field vibration test data

2 雙排懸掛鋼板樁動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值建模

2.1 雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)岸坡計(jì)算模型

為滿足安全分析的需求，考慮到鋼板樁變形監(jiān)測難度較大，采用LS-DYNА 動(dòng)力有限元軟件建立數(shù)值模型，研究錘擊動(dòng)力荷載作用下鋼板樁的動(dòng)力響應(yīng)特性。選擇該工程的典型截面作為建模分析區(qū)段，采用八節(jié)點(diǎn)SOLID164 實(shí)體單元?jiǎng)澐?，按?∶1 的比例建立岸坡三維計(jì)算模型[7]，尺寸為65.2 m×20.0 m×32.7 m，共劃分3 134 322 個(gè)單元，采用cm-g-μs 單位制；設(shè)研究范圍內(nèi)的地層性質(zhì)連續(xù)，數(shù)值計(jì)算模型以及頂面及其他面的邊界條件如圖3[8]所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model

2.2 模型材料選取

由于巖土體介質(zhì)本身的諸多特性難以定量化，目前還沒有一種數(shù)學(xué)方程可以直接描述巖土體，因此，假設(shè)巖土體是連續(xù)的、各向同性的彈塑性材料，在所研究的范圍內(nèi)為全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。根據(jù)LSTC 提供的材料模型[9–10]，本研究中的巖體模擬采用*MАT_PLАSTIC_KINEMАTIC 材料模型，具體表達(dá)式為

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以及待開挖邊坡部分的材料選用*MАT_DRUCKER_PRАGER 材料模型[11]，該模型主要針對(duì)顆粒狀材料，并有斷裂和壓碎選項(xiàng)，用于定義的參數(shù)是屈面的巖土參數(shù)，即摩擦角、黏度系數(shù)。其具體力學(xué)參數(shù)如表2 所示，其中：ρ 為密度，E0為彈性模量，μ為泊松比。對(duì)于待開挖邊坡黏土，σ0取0.19 GPa；對(duì)于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，σ0取0.15 GPa。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)Table 2 Numerical simulation parameters

雙排鋼板樁僅受土體和錘擊樁的作用，不存在受熱變形情況，故選擇忽略熱變形的簡化Johnson-Cook 模型對(duì)鋼板樁材料進(jìn)行模擬。該模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以盡可能真實(shí)地模擬拉森鋼板樁所用鋼材，無需定義其狀態(tài)方程。因此，拉森鋼板樁材料以及鋼板樁之間焊接金屬連接桿材料的模型選擇*MАT_SIMPLIFIED_JOHNSON_COOK 材料模型[12]。Johnson-Cook 本構(gòu)關(guān)系為

在數(shù)值模擬中選擇合適的巖土體參數(shù)是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵之一。巖土體參數(shù)的選取通常需要考慮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式、文獻(xiàn)研究和專家判斷等多方面因素。本研究中，巖土體參數(shù)主要來自岸坡巖土樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中包括現(xiàn)場和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以提供巖土體參數(shù)的直接參考；鋼板樁參數(shù)來自于經(jīng)驗(yàn)公式和文獻(xiàn)研究。在建模后的靈敏度分析中，嘗試不同的參數(shù)取值，觀察模擬結(jié)果的變化，在合理范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)值，最后根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3 錘擊荷載確定

錘擊管樁貫入土體的全過程是非常復(fù)雜的非線性動(dòng)力問題，涉及土體大變形等問題，通過數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得錘擊沉樁過程中樁對(duì)土體的作用力是非常困難的。目前，大多通過等效荷載計(jì)算錘擊力曲線。結(jié)合已有文獻(xiàn)與數(shù)值模擬計(jì)算[13]，得到錘擊力曲線，如圖4 所示。

圖4 錘擊力荷載曲線Fig.4 Hammer loading force curve

2.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的布置，在數(shù)值模型中取相同位置質(zhì)點(diǎn)處的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，為后續(xù)開展數(shù)值模擬研究提供可靠性依據(jù)。各監(jiān)測點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果的對(duì)比如表3 所示。根據(jù)表3，現(xiàn)場監(jiān)測的峰值振動(dòng)速度略大于數(shù)值模擬結(jié)果，最大相對(duì)誤差為28.9%，最小相對(duì)誤差僅7.7%，誤差在合理范圍內(nèi)[14]。

表3 質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度對(duì)比Table 3 Comparison of PPVs

監(jiān)測點(diǎn)P1 在x方向上的振動(dòng)速度vx與合振動(dòng)速度v如圖5 和圖6 所示。實(shí)際監(jiān)測的x方向振動(dòng)速度和合振動(dòng)速度的波形基本與數(shù)值模擬結(jié)果一致，衰減規(guī)律也大致相同；現(xiàn)場監(jiān)測的振動(dòng)速度峰值略小于數(shù)值模擬結(jié)果；然而，數(shù)值模型的衰減速度明顯高于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果。主要原因是巖石中存在的各種結(jié)構(gòu)面影響了爆破應(yīng)力波的傳播和頻率衰減。以上分析驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型的可靠性，可用本數(shù)值計(jì)算模型對(duì)雙排懸掛鋼板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)P1 的合振動(dòng)速度對(duì)比Fig.6 Resultant velocity comparison at monitoring point P1

3 雙排懸掛鋼板樁動(dòng)力響應(yīng)及穩(wěn)定性分析

3.1 鋼板樁位移分析

當(dāng)施加連續(xù)的錘擊荷載時(shí)，雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生位移變化，過大的位移會(huì)影響整體岸坡結(jié)構(gòu)的安全性，因此分析連續(xù)錘擊荷載作用下的鋼板樁結(jié)構(gòu)位移具有十分重要的工程意義。在數(shù)值模型中，將錘擊荷載施加于待開挖邊坡后端的土層中點(diǎn)上，對(duì)上、下雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)沿水平方向各取20 個(gè)位移測點(diǎn)，位移測點(diǎn)布置如圖7 所示，鋼板樁結(jié)構(gòu)的峰值位移分布如圖8 所示。

圖7 位移和應(yīng)力測點(diǎn)的布置Fig.7 Layout of displacement and stress measurement points

圖8 鋼板樁結(jié)構(gòu)的峰值位移分布Fig.8 Peak displacement distribution of steel sheet pile structure

由圖8 可知：鋼板樁位移沿水平方向的變化不大；邊界處的測點(diǎn)可能由于邊界效應(yīng)與其他測點(diǎn)存在較大差異；中部測點(diǎn)的峰值位移相近，可能是由于上下排鋼板樁通過剛性連接在一起，提供了良好的抵抗變形的能力，同時(shí)，鋼板樁較大的彈性模量對(duì)于抵抗變形也發(fā)揮了一定的作用。經(jīng)分析，下排鋼板樁的最大位移為3.14 cm，上排鋼板樁的最大位移為2.51 cm，上、下排鋼板樁的允許撓度分別為45 和30 mm，未超出允許值，考慮到雙排鋼板樁之間存在剛性連接，允許撓度將大于理論值，因此，就當(dāng)前的錘擊荷載來說，雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)是安全的。

3.2 鋼板樁動(dòng)應(yīng)力分析

如果鋼板樁樁身的應(yīng)力超過材料的容許應(yīng)力，則可能導(dǎo)致鋼板樁破壞，進(jìn)而使整個(gè)岸坡結(jié)構(gòu)趨于危險(xiǎn)破壞，因此，鋼板樁樁身的動(dòng)應(yīng)力分析也是鋼板樁動(dòng)力響應(yīng)特性研究的重要內(nèi)容。選取模型中部鋼板樁數(shù)個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行分析可知，鋼板樁樁身的最大主應(yīng)力在20 MPa 以內(nèi)，且各點(diǎn)的應(yīng)力差值不大，遠(yuǎn)小于鋼板樁材料Q239 鋼可以抵抗的最大許用應(yīng)力218.52 MPa[15]。因此，對(duì)于錘擊樁施工過程，在鋼板樁的最大主應(yīng)力方向上結(jié)構(gòu)是安全的，典型測點(diǎn)的最大主應(yīng)力如圖9 所示。

圖9 典型測點(diǎn)的最大主應(yīng)力Fig.9 Maximum principal stress at typical measuring points

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力允許值分析，僅對(duì)最大主應(yīng)力分析是不夠的。在數(shù)值模擬中，為了綜合考慮各向異性材料的多個(gè)主應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，常常引入Mises 應(yīng)力進(jìn)行受力分析，通過綜合比較最大主應(yīng)力和Mises 應(yīng)力，可以更好地評(píng)估動(dòng)力荷載對(duì)鋼板樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響。

由于Mises 應(yīng)力會(huì)考慮各個(gè)方向的應(yīng)力，因此分析沿水平方向各測點(diǎn)的最大Mises 應(yīng)力可以獲得規(guī)律性認(rèn)識(shí)。Mises 應(yīng)力測點(diǎn)的選取與位移測點(diǎn)一致，見圖7。Mises 應(yīng)力沿水平方向的分布如圖10 所示。排除邊界效應(yīng)所導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)（前后各3 個(gè)測點(diǎn)），越靠近錘擊點(diǎn)與鋼板樁的垂直連線，Mises 應(yīng)力越大；上、下排鋼板樁的最大Mises 應(yīng)力分別為20.85、25.40 MPa，均遠(yuǎn)小于鋼板樁材料Q239 鋼可抵抗的最大許用應(yīng)力218.52 MPa。綜合最大主應(yīng)力和Mises 應(yīng)力分析，此雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)。

圖10 Mises 應(yīng)力沿水平方向的分布Fig.10 Mises stress distribution along the horizontal direction

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場監(jiān)測與動(dòng)力有限元數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，分析了樁錘作用荷載下岸坡雙排懸掛鋼板樁的動(dòng)力響應(yīng)特性，得到如下主要結(jié)論：

(1) 現(xiàn)場振動(dòng)監(jiān)測顯示，在樁錘荷載作用下岸坡最大合振動(dòng)速度為2.045 cm/s，振動(dòng)速度隨著遠(yuǎn)離管樁施工位點(diǎn)而不斷衰減，且出現(xiàn)最大合振動(dòng)速度的時(shí)刻基本一致；

(2) 對(duì)比現(xiàn)場監(jiān)測合振動(dòng)速度與數(shù)值模擬結(jié)果，兩組數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差在可接受范圍之內(nèi)，最大相對(duì)誤差為28.9%，最小相對(duì)誤差僅為7.7%，驗(yàn)證了數(shù)值模型及參數(shù)的可靠性；

(3) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，鋼板樁位移變形與錘擊位點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系不大，下排鋼板樁的最大位移為3.14 cm，上排鋼板樁的最大位移為2.51 cm，雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)的位移變形均未達(dá)到極限允許撓度，處于安全范圍內(nèi)；

(4) 雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力與錘擊位點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系不大，上、下排鋼板樁的最大主應(yīng)力均小于20 MPa，Mises 應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鋼板樁與錘擊點(diǎn)垂直連線處，上排鋼板樁的最大Mises 應(yīng)力為20.85 MPa，下排鋼板樁的最大Mises 應(yīng)力為25.40 MPa，均小于鋼板樁Q239 鋼的最大許用應(yīng)力218.52 MPa，從應(yīng)力角度看，鋼板樁處于安全范圍內(nèi)。