不同工況下雙排鋼板樁圍堰內力變形研究

楊琴，方忠強，劉毅，涂齊亮

（1.中交隧道工程局有限公司，江蘇南京 211100；2.華設設計集團股份有限公司水下隧道智能設計、建造與養護技術與裝備交通運輸行業研發中心，江蘇南京 210014）

0 引言

鋼板樁圍堰是一種應用廣泛、形式多變、布置靈活的圍堰結構，其中：雙排鋼板樁圍堰形式由于剛度較大、插打方便、可回收重復利用、占地面積小、造價較低等優點，應用越來越多。

鋼板樁圍堰處于復雜工作環境中。圍堰外側水位隨時間變化幅度大，導致水壓力差異顯著；近年來極端天氣頻發，臺風、波浪、流水沖擊作用不容忽視；填筑階段的施工荷載、使用階段外界移動物體可能發生的撞擊等，不同作用產生的效應不同。目前雙排鋼板樁圍堰內力變形的計算方法仍以半經驗半理論為主，工程中使用較多的方法有：變位法、彈性地基梁法、數值模擬法［1］，已有研究更多的是分析雙排鋼板樁圍堰的計算理論和模型［2-6］。但無論采用何種方法，都需明確圍堰受到的各種荷載對圍堰作用機理，從而判斷圍堰施工和工作過程中最不利工況。

目前已有學者對帶內支撐的單排鋼圍堰或廣泛應用于橋梁深水基礎施工的雙壁鋼圍堰所受的波浪荷載、流水荷載等進行研究［7-15］，但關于懸臂式雙排鋼板樁圍堰受力機理的研究較少。吳留偉等［16］建議圍堰設計對水壓力和浪壓力進一步研究，確定最不利工況；崔春義等［17］分析圍堰外水位變化條件下鋼板樁圍堰加載過程中的力學特征，認為水位越低，外側鋼板樁和鋼拉桿變形越大、應力越大；陳香月等［18］對砂卵石中鋼板樁圍堰所受水平載荷進行現場試驗。

為了確定復雜受力條件下圍堰的受力變形產生機理，明確最不利工況，合理進行荷載組合，確保圍堰的安全性，指導工程設計。本文采用有限元法，以太湖隧道臨時圍堰工程為例，改變水位、荷載工況，對鋼板樁圍堰施工使用全過程的內力和變形規律進行分析，根據計算結果，分析圍堰受力和變形機理，為雙排鋼板樁圍堰設計提供理論指導。

1 工程概況

太湖隧道采用六車道高速公路標準建設，從無錫馬山鎮向東下穿太湖梅梁湖段至南泉鎮接地，隧道全長10.79 km，為堰筑隧道，線位如圖1 所示。

圖1 太湖隧道平面線位

隧道路線所經之處，湖底標高為-1.3～-0.2 m，基坑開挖深度為11～16 m，臨時圍堰大致沿路線方向平行布置，離基坑邊線距離控制在2 倍基坑深度之外，以避免圍堰和圍護結構相互影響。

本項目的土層劃分、各土層的物理力學參數指標以及選取的計算斷面土層厚度如表1 所示，整體性能較好。

表1 土層劃分及物理力學參數

本項目圍堰結構安全等級為一級，設計時水位重現期為20 年，設計洪水位為+2.794 m，多年平均水位為+1.214 m。鋼板樁采用15 m 長SP-IVw 拉森鋼，按外高內低形式布置，迎水側樁頂標高+4.6 m，背水側樁頂標高+3.8 m。鋼板樁圍堰兩排樁中心距6.0 m，堰芯黏性填土頂高程+3.8 m。拉桿采用GLG345-50 mm 圓鋼拉桿，位于填土面以下1.5 m 處；圍檁均為雙拼［32a 槽鋼。背水側堰腳處填筑黏性土，頂端寬6 m。雙排鋼板樁圍堰橫剖面如圖2 所示。

圖2 雙排鋼板樁圍堰橫剖面圖（單位：cm）

2 有限元模型

2.1 工況分析

本文旨在研究水位和各類型荷載對圍堰的內力、變形影響，水位主要體現在高低不同；由于永久荷載不變，所以荷載差異在可變荷載，主要為方向的差異，而設計階段需考慮最不利條件，所以水平向可變荷載的方向按與水壓力方向一致考慮。根據項目水文資料，高水位取+2.794 m，低水位取+1.214 m。本隧道考慮實際條件，不會出現冰壓力，通過采取措施，避免沖擊力、撞擊力的出現，本文考慮的可變荷載如表2 所示。

表2 臨時圍堰所受荷載

豎向施工荷載Fc為填土階段圍堰頂施工車輛荷載及碾壓作用，取20 kPa；堰頂臨時堆土荷載Fs為考慮100 年一遇洪水時通過堆填1 m 高袋裝土加高圍堰產生的荷載，取20 kPa。水平可變荷載包括風荷載w、波浪荷載Fw和流水荷載Ff，根據《鋼圍堰工程技術標 準》（GB/T 51295—2018）附 錄A.2.1、A.2.2 和A.2.5 條款以及《港口與航道水文規范》（JTS 145—2015）10.1.4 條款進行計算，高水位和低水位下計算結果如圖3 所示。

圖3 水平可變荷載分布圖（尺寸單位：cm）

本文分別對高水位-水平向可變荷載、高水位-豎向可變荷載、低水位-水平向可變荷載、低水位-豎向可變荷載4 種工況各施工階段下鋼板樁圍堰的內力變形規律進行研究。

2.2 模型建立

本文使用Midas GTS NX 軟件，因為隧道圍堰縱向距離較長，整體呈長條狀，因此選取典型斷面，建立平面模型如圖4 所示。雙排鋼板樁圍堰構件和土層的材料參數、屬性參數根據表1 設置，土層用平面應變單元模擬，采用Mohr-Coulomb 模型，鋼板樁和鋼拉桿用1D 梁單元模擬，采用彈性模型。根據圍堰周邊受影響土體范圍確定計算地層范圍，寬54 m、深15.5 m，圍堰位于模型中心。整個模型共計3 348 個單元，模型兩個側邊法向約束，底面固定約束，水位根據實際工況設置。

圖4 有限元模型

本文模型劃分為7 個施工階段，如表3 所示。根據實際情況，施工階段S4，需考慮Fc；施工階段S7，施加的豎向可變荷載僅為考慮100 年一遇洪水時堆填袋裝土產生的堰頂臨時堆土荷載Fs；水平荷載包括風荷載w和波浪荷載Fw等。施工階段S5，抽水后背水側水位高程等于湖底高程。

表3 施工階段劃分情況

3 結果分析

打設鋼板樁，未填筑黏土之前，鋼板樁的內力、變形較小，可忽略不計，從S3 階段開始分析。

3.1 圍堰變形計算結果分析

不同工況和施工階段下鋼板樁圍堰的迎水側和背水側鋼板樁水平位移結果如圖5、6 所示。填土至鋼拉桿位置時，高水位條件下，鋼板樁變形最大值位于湖底以下，迎水側為1.42 cm，背水側為-1.47 cm；低水位條件下，鋼板樁最大位移迎水側為0.75 cm，背水側為-0.97 cm，比高水位下位移小，鋼板樁向填土側擠壓。填筑拉桿以上黏土時，高水位條件下，迎水側水平位移計算值最大值為0.90 cm，背水側為-1.05 cm，變形減??；低水位條件下，迎水側最大位移為1.09 cm，背水側為-1.34 cm，均位于鋼板樁頂部，鋼板樁明顯向兩邊鼓出。

圖5 高水位下鋼板樁水平位移

圖6 低水位下鋼板樁水平位移

抽水后，高水位條件下迎水側鋼板樁最大位移增加到11.13 cm，圍堰整體向背水側偏移約3 cm；低水位條件下迎水側鋼板樁最大位移增加到6.04 cm，圍堰整體向背水側偏移約2 cm。抽水施工導致雙排鋼板樁圍堰產生較大的偏向背水側的位移，并且高水位下位移大于低水位下。抽水后圍堰內側堰腳處的堆土對圍堰位移影響不大，位移增量為0.5 cm左右。

考慮100 年一遇洪水時豎向堰頂臨時堆土荷載20 kPa 后，鋼板樁的水平位移增量較小。若考慮風荷載、波浪荷載等水平向荷載，相對于S6 堰腳堆土階段，鋼板樁頂部產生較大變形，高水位下迎水側鋼板樁頂部位移增大到14.22 cm，背水側增大到11.33 cm；低水位下迎水側鋼板樁增大到9.26 cm，背水側增大到6.19 cm。水平荷載作用使雙排鋼板樁上部發生較大位移，尤其是高水位下。

對上述結果進行分析，地層條件都一樣，圍堰位移受水位高低和荷載工況影響。雙排鋼板樁圍堰填土階段水平位移較小，若水位較高，在圍堰兩側水壓力Pw作用下，兩側樁相向變形，填土受擠壓，水壓力Pw分布示意如圖7（a）所示；若水位較低，圍堰兩側水壓力小，在填土自重、施工荷載和鋼拉桿約束下，鋼板樁呈鼓出形狀，水壓力Pw和豎向荷載Fc示意如圖7（b）所示。抽水后，在外部水壓力的作用下，雙排鋼板樁圍堰整體向基坑側發生側移，水位越高，水平位移越大，水壓力Pw和豎向荷載Fs示意如圖7（c）所示。圍堰背水側堰腳堆土和豎向可變荷載對圍堰水平位移影響很小，但水平向荷載對圍堰變形影響很大。雙排鋼板樁圍堰位移的最不利工況為高水位-水平向可變荷載（圍堰抽水后的階段）。

圖7 圍堰所受水平向、豎向可變荷載示意圖

3.2 鋼拉桿軸力計算結果分析

不同工況和施工階段下鋼板樁圍堰的鋼拉桿軸力計算結果如表4 所示。填土至鋼拉桿處時，鋼拉桿處于受壓狀態，并且高水位下壓力更大。填土至設計標高，同時施工荷載條件下，鋼拉桿軸力陡增處于受拉狀態，并且低水位下拉力大于高水位下。抽水工況導致高水位下拉桿拉力增大，低水位下拉桿拉力減小。背水側堰腳堆土對鋼拉桿軸力影響小?？紤]水平向荷載后，鋼拉桿的拉力減??；考慮豎向荷載后，鋼拉桿的拉力明顯增大。低水位下拉桿拉力大于高水位下，鋼拉桿的最大拉力出現在低水位-豎向可變荷載工況。

表4 鋼拉桿軸力計算結果

經分析，堰芯填土和豎向荷載對雙排鋼板樁圍堰鋼拉桿拉力有較大的影響。S4 階段填筑鋼拉桿以上黏土時，在填土自重和施工荷載作用下，以及S7 階段考慮100 年一遇洪水時堰頂臨時堆土荷載作用下，鋼拉桿上部黏土產生較大的豎向變形，鋼拉桿隨之產生較大的向下彎曲變形，如圖8 所示。鋼拉桿的彎曲變形導致鋼拉桿拉力增大。

圖8 低水位下豎向位移云圖（單位：m）

另外，水壓力和水平荷載通過平衡填土側向土壓力有利于減小鋼拉桿拉力。低水位時，外側水壓力較小，對圍堰雙排樁之間的填土產生的側向土壓力平衡作用小，正如上一節位移計算結果所示，低水位時在填土作用下，鋼板樁會向兩側隆起，而鋼拉桿對鋼板樁產生約束作用，從而鋼拉桿的拉力也隨之增大。高水位下抽水后，背水側水壓力消失，導致鋼拉桿拉力增大；而低水位鋼拉桿降低是卸掉填土階段施工荷載和卸掉水壓力的疊加結果。鋼拉桿計算的最不利工況為低水位下僅考慮豎向可變荷載作用。

3.3 鋼板樁彎矩計算結果分析

不同工況和施工階段下鋼板樁圍堰的迎水側和背水側鋼板樁彎矩結果如圖9、10 所示。填土至鋼拉桿階段，最大彎矩出現在高水位下，兩側鋼板樁出現向內側彎曲情況，最大彎矩約66 kN · m，位于湖底附近。填土至設計標高并碾壓，最大彎矩出現在低水位下，兩側鋼板樁向外彎曲，最大彎矩約100 kN·m，位于湖底以上。抽水后，迎水側鋼板樁外側受彎且彎矩增大，背水側鋼板樁在高水位時上部外側受彎，下部填土側受彎；低水位下外側受彎為主。S6 堰腳堆土階段對彎矩的影響較小。

圖9 高水位下鋼板樁彎矩圖

圖10 低水位下鋼板樁彎矩圖

添加水平荷載后，迎水側鋼板樁彎矩愈發增大，背水側鋼板樁湖底以上向外側彎曲，彎矩減小，湖底以下部分向填土側彎曲，彎矩增大。施加豎向荷載后，兩側鋼板樁彎矩都增大，尤其是圍堰堰芯填土層范圍內。

分析上述結果發現，鋼板樁湖底以上部分彎矩主要來自堰芯填土自重、豎向附加荷載產生的側向土壓力，湖底以下部分彎矩主要來自圍堰側向變形產生的地基反力作用，鋼板樁彎矩同時也受水位影響。當圍堰內部填土少，側向土壓力小，而外側水位高，產生的水壓力大，導致鋼板樁向填土側彎曲。當圍堰內部填土較高自重大以及施加豎向附加荷載，都會導致填土對鋼板樁的側向土壓力加大，鋼板樁向兩側彎曲，上部彎矩增大。如上述水平位移結果顯示，抽水工況會使得圍堰向背水側變形，從而兩側鋼板樁插入土中部分均受到朝向圍堰迎水側的地基反力，迎水側鋼板樁彎矩進一步增大，而且湖底以下鋼板樁向外側受彎的范圍進一步擴大；而背水側鋼板樁由于上部水壓力減小和下部地基反力增大綜合作用，導致彎矩分布和大小有差異。其中，高水位條件下，由于圍堰側向位移大，地基反力更大，導致湖底以下背水側鋼板樁向填土側彎曲，同時由于水壓力卸去，上部鋼板樁向基坑方向的彎矩增幅更大。水平向風荷載、波浪荷載同樣引起圍堰側向變形增大，土體對鋼板樁的地基反力隨之增大，導致鋼板樁下部彎矩越大。豎向堰頂臨時堆土荷載產生的側向土壓力主要作用范圍在鋼板樁上部，引起上部鋼板樁向兩側受彎的彎矩增大。

4 結論

本文通過有限元計算，研究雙排鋼板樁圍堰在不同水位、不同類型荷載工況下各施工階段的變形和受力規律，并進行機理分析，得到以下結論：

（1）填土階段兩側鋼板樁位移基本對稱，位移方向和大小受水位高低、堰芯填土和施工荷載影響，填土自重和施工荷載產生的側向土壓力使兩側鋼板樁向外側變形，水壓力則相反。抽水使得圍堰整體向背水側產生較大位移，與水壓力同向的水平荷載會加大位移，豎向荷載對位移影響較小。

（2）豎向荷載對鋼拉桿拉力影響很大，荷載使得堰芯填土產生沉降，進而引起鋼拉桿彎曲變形，從而導致拉力增大；水壓力和水平荷載通過平衡填土側向土壓力作用有利于減小鋼拉桿拉力。

（3）鋼板樁彎矩可分為湖底以上和湖底以下兩大部分，上部鋼板樁彎矩主要來自堰芯填土自重、豎向附加荷載產生的側向土壓力，下部鋼板樁彎矩主要來自抽水和水平荷載導致圍堰變形擠壓土體產生的地基反力。

（4）鋼板樁圍堰變形和受力最不利階段處于抽水后使用階段，水平位移最大值發生在高水位且受到與水壓力同向的水平荷載工況；鋼拉桿拉力最大值發生在低水位-豎向可變荷載工況；鋼板樁彎矩最不利工況需分迎水側、背水側單獨考慮，計算多種工況取最不利結果。