雙排鋼板樁圍堰的影響因素研究及冗余度分析

楊 熠

（廣州市水務規劃勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510640）

在雙排鋼板樁圍堰設計中，支護結構穩定性計算一般按照平面問題處理，使用有限元計算時，一般也簡化為二維平面問題進行考慮[1]，較為安全與快捷，但是難以體現整體結構的空間效應以及拉桿的空間排布對其受力、變形與整體穩定性的影響。尤其是在討論不同結構設計方案時，由于二維模型的局限性，計算結果一般與實際情況有出入[2]，雙排鋼板樁圍堰結構的受力變形具有較明顯的空間效應。在軟件分析方面，黃建[3]通過Abaqus軟件建立雙排鋼板樁圍堰體系彈塑性有限元數值模型，分析了鋼板樁圍堰在加載過程中呈現的受力變形特征。吳清等[4]用Ansys對比分析考慮“路徑”和不考慮“路徑”的計算結果，能夠較大限度地提高結構在施工過程中的安全性。江杰[5]用Plaxis軟件進行全施工過程的模擬，在考慮不排水與排水情況下得出雙排鋼板樁圍堰在施工過程中的受力狀態為最不利狀態。本文利用Abaqus有限元分析軟件對雙排鋼板樁圍堰實例進行三維全工況的數值模擬，通過分析不同因素對計算結果的影響，研究雙排鋼板樁結構在不同設計方案下的受力、變形以及樁土作用機制，最后結合雙排鋼板樁圍堰冗余度的概念，量化結構對不同因素的敏感程度，對影響圍堰受力穩定的關鍵因素進行控制性設計，為類似工程設計及施工提供借鑒。

1 冗余度分析基本原理

水平支撐系統的冗余度不足、個別桿件失效后沒有足夠的傳遞路徑保證冗余荷載的傳遞，會導致整個支撐系統倒塌。將結構局部失效前后整體承載力變化的各種指標作為冗余度的測度[6]。構件冗余度越大，失效或參數變化對結構整體的影響越小，相反冗余度越小，整體結構對該構件的改變就越敏感，由此判斷方案設計中的關鍵因素。

利用容重增加法計算圍堰的整體穩定安全系數，在有限元計算中無須改變土體強度，而是增加土體自重荷載。一般以有限元計算不收斂作為判斷邊坡失穩的條件，通過觀察塑性應變區貫通位置以及水平位移突變位置確定滑坡面[7-8]。邊坡坡角度大于40°后，使用該方法計算的有限元計算結果與Spencer法十分接近[9]。雙排鋼板樁結構作為一類自立式支擋結構，在有限元穩定性計算中也可參考計算邊坡穩定的極限平衡法，且在有限元數值模擬中容重增加法操作簡便，其方法中以施加重力荷載的方式適用于擋水工況下承受荷載突然增大的雙排鋼板樁圍堰結構整體穩定性分析。

2 三維數值模擬

2.1 工況基本概述

工況取自南昌某圍堰擋水工況，斷面為長60 m的一段圍堰，鋼板樁距16.7 m，樁長21.86 m，入土深度12.36 m。導流工況時，迎水側水位至原地面距離為6.5 m，采用三層拉桿，樁間進行粉細砂加固及淤泥質黏土加固至現狀地面。

導流工況如圖1所示。

圖1 導流工況

2.2 模型建立

模型采用Standar/Explicit模型，原土層模型采用三維拉伸實體構件，將鋼板樁等效為慣性矩相等的矩形板[10]。鋼拉桿采用三維線單元建模，并為其指派梁截面屬性，選擇采用適用性較高的摩爾庫倫彈塑性模型建模[7]。在數值計算模型中，土層與基巖體系和樁間填土采用C3D8R減縮積分單元，雙排鋼板樁采用S4R減縮積分單元，剛拉桿系統則采用B31兩節點空間線性梁單元，整體模型的總單元個數為21 780個，節點個數為25 421個。設計水位高程為20 m，基坑開挖高程為7.75 m。

整體模型網格劃分如圖2所示。

圖2 整體網格劃分

模型樁-土接觸應用滑移公式，采用面-面接觸的方式，接觸時不排除鋼板樁殼構件的厚度。切向行為運用罰函數接觸算法，將樁土摩擦系數設置為0.4，樁-桿接觸（鋼板樁與鋼拉桿）采用綁定接觸。

2.3 數值模擬計算結果

2.3.1 鋼板樁圍堰結構的受力和彎矩

將基坑側鋼板樁作為內側鋼板樁，迎水側鋼板樁視作外側鋼板樁。在Abaqus/Cae后處理模塊中，為內外排樁分別建立兩條相同位置的節點路徑作為數據采集線，對其進行水平位移按施工工序輸出，得出各工況下內外排鋼板樁的水平位移沿樁身分布曲線。

全工況外排、內排鋼板樁歷程水平位移如圖3所示。

圖3 全工況外、內排鋼板樁歷程水平位移

最終工況下各層拉桿最大內力如圖4所示。

圖4 最終工況下各層拉桿最大內力

最終工況內、外排鋼板樁的剪力、彎矩對比如圖5所示。

圖5 最終工況內外排鋼板樁剪力、彎矩對比

2.3.2 整體穩定性分析

在邊坡穩定性計算中，重度增加法的計算原理是逐漸增加重力加速度，加大土體的自重荷載，利用有限元計算方法反復計算，直至邊坡達到臨界破壞狀態，此時對應的重度增加系數就是該邊坡超載概念的安全系數[7]，即FS=Gu/G0。

計算結果不收斂時重度增加系數如表1所示。

表1 計算結果不收斂時重度增加系數

FS=2.505時土體塑性應變區云圖如圖6所示。

圖6 Fs=2.505時土體塑性應變區云圖

3 不同設計參數對雙排鋼板樁圍堰的影響

為了探討不同部分設計參數的改變對整體結構穩定性的影響，計算考慮到的改變因素有拉桿的標高與水平間距、鋼板樁間距以及樁間地基土加固區范圍。

通過Abaqus數值模擬分析各因素的改變對雙排鋼板樁圍堰結構的影響，結合冗余度探討各設計參數的合理取值范圍。

3.1 拉桿的設置對圍堰結構的影響及冗余度分析

本節計算使用兩種方案與原方案對比。原方案為圍堰三道拉桿；方案1只保留下兩道拉桿；方案2只保留標高20.86 m第一道拉桿。通過數值模擬計算，得出剪力、彎矩以及水平位移。

冗余度計算如表2所示。

表2 冗余度計算

在表2中方案2的各項冗余度均比方案1小，結合冗余度理論，結果說明了第二、三道拉桿在本次工程整體結構的強度、剛度與穩定性設計中占據了無法忽略的重要地位，應在施工與運行過程中進行重點監測。而從冗余度角度看第一道拉桿的強度冗余度雖然較高，但是剛度冗余度并不大，說明第一道拉桿對于結構的剛度的提升也起了不可忽略的作用。

3.2 拉桿水平間距對圍堰結構影響及冗余度分析

為具體探討拉桿間距對整體結構的穩定性影響，除原方案外分析了4種方案。對比最終結果發現，整體結構的荷載與形變的傳遞方式沒有明顯變化。間距加大時，鋼板樁的彎矩、剪力與水平位移都增大，即拉桿間距的增大造成了整體結構向基坑側的傾斜量增大，但增幅較小。

不同拉桿間距方案圍堰冗余度如表3所示。

表3 不同拉桿間距方案圍堰冗余度

拉桿間距增大對結構整體的穩定性與剛度沒有過大影響，穩定性與剛度冗余度變化雖大但仍保持在一個較高的數值，而鋼拉桿與鋼板樁的強度冗余度非常低。當拉桿水平間距增大至3 m時，拉桿雖然滿足強度驗算的安全系數要求，但結構的強度冗余度下降幅值較大，其中內排鋼板樁的強度冗余度最大降幅達到了84.15%，而拉桿的強度冗余度降幅為46.32%。

3.3 不同雙排樁間距對圍堰影響及冗余度分析

計算樁間距方案包括16.7 m樁間距、20.0 m樁間距、14.0 m樁間距、10.0 m樁間距、8.0 m樁間距。

樁間距的改變會同時改變樁間填土的尺寸，直接影響圍堰的受力變形特點，也會導致整體結構的穩定性發生明顯變化，對于材料強度冗余度的影響并沒有對結構的穩定性影響大。結合冗余度分析，在本圍堰工程設計中，可先行確定合適強度與剛度的材料，在保證樁間距設計值為14.0～16.7 m的同時，適當減小樁間距，以此縮短施工成本及時間。

不同樁間距圍堰冗余度如表4所示。

表4 不同樁間距圍堰冗余度

3.4 不同加固區范圍對圍堰結構影響及冗余度分析

選取內填土重力式雙排鋼板樁結構作為支護結構時，原狀土層的地基承載力不一定能使整體結構保持較好的穩定性，所以應選擇合適的樁間土體加固區范圍。

不同加固方案冗余度如表5所示。

表5 不同加固區方案冗余度

樁間軟土層地基的加固方案在本次圍堰工程方案設計中必不可少，且從安全性考慮，加固區的范圍不得小于10.0 m。從冗余度角度考慮，加固區范圍宜大于14.0 m保證結構具有充足的安全儲備應對施工中的不確定因素的影響，本次圍堰設計方案加固區取值范圍建議為寬度大于14.0 m。

4 結語

通過改變雙排鋼板樁內填土重力式圍堰的各部分方案設計參數，討論改變不同因素下對整體結構的影響，研究雙排鋼板樁圍堰的受力變形規律的同時，結合冗余度理論為方案設計提供了各項參數的建議區間。在圍堰方案中的擋水高度工況下，下兩道拉桿的布置必不可少，且需要在施工中重點監控，而第一道拉桿的布置也能有效約束樁頂位移，對于水平位移要求較為嚴格的永久工況，第一道拉桿的設置能夠為結構提供一定的剛度冗余。拉桿間距的變化主要影響結構間的土壓力的傳力路徑，拉桿間距減小時，傳力路徑減少，每道拉桿承受的軸力增大較為明顯，對于整體結構水平位移沒有太大影響。方案中拉桿水平間距的選取在2.0 m內，樁間距由原方案16.7 m間距開始減小時，所有計算參數都在原有的基礎上增大，且減小至10.0 m以內時整體結構已經開始發生失穩。結合冗余度分析，本工程圍堰設計方案樁間距的取值范圍宜在14.0～16.7 m之間。針對本次圍堰結構設計方案，結合冗余度理論，從安全儲備與成本的角度考慮，加固區范圍宜控制14.0 m左右。方案變化中，受力變形規律較為復雜，應適當加密監測點，增加監測手段。