雙排鋼板樁在高邊坡基坑支護(hù)中的數(shù)值分析

周建方，張木云，酈 華，張 峰，蔡 煜

（1.丹陽市水利局，江蘇 鎮(zhèn)江 212300；2.丹陽市水利局延陵水利站，江蘇 鎮(zhèn)江 212300；3.丹陽市水利局陵口水利站，江蘇 鎮(zhèn)江 212300）

肖梁河閘是丹陽市九曲河備用水源地達(dá)標(biāo)建設(shè)項(xiàng)目先導(dǎo)性工程，是保護(hù)丹陽市飲用水源地、涵養(yǎng)生態(tài)的民生工程，社會(huì)面意義重大。該項(xiàng)目東側(cè)道路交通量大，河道邊坡高陡，地質(zhì)條件較差，基坑開挖難度較大，且汛期前水下施工必須完成，因此邊坡基坑支護(hù)安全性和快捷性就顯得尤為重要。基坑支護(hù)鋼板樁型式采用SP-ⅥL拉森鋼板樁，在基坑?xùn)|側(cè)縣道側(cè)采用U型鋼正反扣組成的連續(xù)鋼板墻作為基坑臨時(shí)支護(hù)，也保證基坑不受地下水過度滲漏引起局部塌方，給基坑安全帶來不利影響。

1 工程概況

肖梁河閘工程位于肖梁河北側(cè)河口，距肖梁河與九曲河交匯處80 m的位置。新建閘站工程集攔水壩、水閘、泵站于一體，水閘和泵站布置于攔水壩東、西兩側(cè)。工程實(shí)施后，主要功能為控制肖梁河水流匯入九曲河對(duì)九曲河備用水源地水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，同時(shí)兼顧肖梁河的排澇、灌溉及引水需求。有利于九曲河一級(jí)水源地水質(zhì)安全，提升工程區(qū)域內(nèi)水環(huán)境，保障肖梁河沿線農(nóng)田灌溉，保證丹陽地區(qū)備用水水源質(zhì)量和飲水安全。

2 水文地質(zhì)及地基處理方案

2.1 水文地質(zhì)

九曲河、肖梁河屬于湖西地區(qū)丹陽市境內(nèi)骨干河道，均是受長江引排潮影響的感潮河段，正常水位在▽3.50 m左右（吳淞高程，下同），肖梁河與肖梁河口閘處構(gòu)成河坡及基坑地質(zhì)條件見表1。

表1 鋼板樁穿入各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 工程地基處理方案

肖梁河口閘站底板底高程位于-0.40～0.30 m，閘站底板為20 m×24.4 m（長×寬），混凝土底板厚度70 cm?？紤]到土層③-1、③-2壓縮系數(shù)較大，導(dǎo)致軟弱地基承載后變形量較大。因此，工程底板下地基處理采用PHC300（70）—AB—C80預(yù)制管樁。

3 基坑降水、預(yù)制管樁施工工藝

肖梁河河岸東側(cè)縣道路肩寬約為2～2.5 m，路肩邊為水杉行道樹，閘站工程所處河道由于主要為淤泥質(zhì)黏土夾粉土類土質(zhì)，土質(zhì)狀況較差。自20世紀(jì)90年代末丹陽市九曲河湖西引排一期工程進(jìn)行過一次河道疏浚后，河道再未實(shí)施過清淤工程。目前項(xiàng)目處淤塞嚴(yán)重，冬季枯水期河道中心水深甚至不足1 m。

考慮本項(xiàng)目地質(zhì)水文情況，底板基礎(chǔ)處理方式必須經(jīng)基坑降排水才能有效實(shí)施，預(yù)制管樁和底板施工能否保證工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵在于降水是否到位，對(duì)地下水水位控制是否切實(shí)有效；同時(shí)也要注意避免過度降水短時(shí)間內(nèi)增大各土層容重，引起道路地面不均勻沉降，對(duì)公路行車安全帶來負(fù)面影響。因此，采用有效適合工程實(shí)地情況的降水組合方式是控制施工工期，確保工程實(shí)施成功與否的關(guān)鍵措施?；咏邓捎霉芫邓Y(jié)合輕型井點(diǎn)的方式，具體方案為：閘站基坑四角布設(shè)4根管井，配合開挖基坑輕型井點(diǎn)進(jìn)行基坑底部降水；同時(shí)沿基坑外沿河道上下游各設(shè)2排直徑φ300 mm管井，管井深度18 m，間隔15 m布置，管井布置共計(jì)12根。

基坑支護(hù)處理及預(yù)制管樁施工工藝流程：填筑施工圍堰→泥漿泵清淤→施工通道→履帶式壓樁機(jī)施工雙排U型拉森鋼板樁→基坑放樣→布置輕型井點(diǎn)+管井降水組合排水系統(tǒng)→挖掘機(jī)基坑開挖至河道底部1.50 m高程（預(yù)留1 m左右預(yù)制管樁施工保護(hù)層）→履帶式管樁壓機(jī)管樁施工→挖掘機(jī)開挖保護(hù)層土→混凝土墊層和預(yù)制管樁鋼筋籠接頭施工→綁扎底板鋼筋→監(jiān)理驗(yàn)收后澆筑底板混凝土。鋼板樁型號(hào)采用SP-ⅥLU型互扣后每延米慣性矩86 000 mm4，截面模量3 820 mm3。

4.1 鋼板樁嵌固穩(wěn)定性計(jì)算

4.1.1 單排樁嵌固穩(wěn)定性計(jì)算

依據(jù)基坑支護(hù)規(guī)范，懸臂式單排樁嵌固穩(wěn)定性計(jì)算公式為

式中：Epk、Eak分別為基坑側(cè)被動(dòng)土壓力、外側(cè)主動(dòng)土壓力；Zp、Za分別為相對(duì)應(yīng)力的力臂；Km為嵌固穩(wěn)定系數(shù)，本基坑為二級(jí)基坑，安全系數(shù)為1.2。

為計(jì)算安全系數(shù)，以下部預(yù)制管樁施工時(shí)進(jìn)行安全系數(shù)校核?；觾?nèi)側(cè)樁后側(cè)土高程▽3.50 m，計(jì)算得單排鋼板樁嵌固穩(wěn)定系數(shù)為1.25；基坑二次開挖后基坑內(nèi)側(cè)樁后側(cè)土高程1.50 m，嵌固穩(wěn)定系數(shù)為1.22，均滿足要求。

4.1.2雙排樁嵌固穩(wěn)定性計(jì)算

嵌固穩(wěn)定性計(jì)算公式為

式中：G為雙樁間土重；ZG為相對(duì)應(yīng)力的力臂。

依據(jù)基坑支護(hù)規(guī)范，雙排樁嵌固深度，對(duì)淤泥質(zhì)土不小于1.0h（h為第一排樁頂至基坑面高差）,淤泥不小于1.2h，一般黏性土、粉土、砂土不小于0.6h，本工程h=3.5 m，雙排樁嵌固深度分別為8.5 m、5 m，滿足要求；雙排樁間距一般為2d～5d（d為樁直徑，本工程雙扣鋼板樁折算半徑0.45 m），取為2.2 m，滿足要求。

考慮到雙排鋼板樁嵌固深度不同，為安全計(jì)，樁間土重計(jì)算以雙排樁包圍土體面積計(jì)算，土體底部以基坑外側(cè)樁底為界，以下部分不計(jì)入。預(yù)制管樁施工時(shí)，基坑內(nèi)側(cè)樁后側(cè)土高程▽3.50 m，計(jì)算得雙排鋼板樁嵌固穩(wěn)定系數(shù)為1.63；基坑二次開挖后基坑內(nèi)側(cè)樁后側(cè)土高程1.50 m，嵌固穩(wěn)定系數(shù)為1.26，均滿足要求。

4.2 支護(hù)樁數(shù)值模擬

目前支護(hù)樁計(jì)算方法主要有彈性地基梁法、等值梁法、有限元法等。彈性地基梁法局限在于土體相互作用及工程地質(zhì)因素復(fù)雜，不能簡單地用彈性力學(xué)分析來加以概括，彈性解析也未充分考慮土體的塑性變形，計(jì)算位移可能偏小，對(duì)基坑變形控制不利；等值梁法通過假定力矩平衡深度，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，得出關(guān)于平衡深度的多次方程式，求解得到支護(hù)樁的平衡深度。入土段假想支撐點(diǎn)的確定是等值梁法一個(gè)重要的假定［2］。支撐點(diǎn)到假想支撐點(diǎn)的這段梁視作簡支梁來計(jì)算支撐點(diǎn)的反力及支護(hù)樁的內(nèi)力、最大位移的計(jì)算，由于等值梁法沒有考慮入土段結(jié)構(gòu)位移的影響，因此該計(jì)算方法也有較大局限性，而且后期主動(dòng)土壓力不均勻荷載施加也是假想為均布荷載加入，對(duì)梁段應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算也有較大影響。

4.2.1 單、雙排樁計(jì)算模型

采用有限元法考慮樁、土體相互作用，基于彈塑性理論基礎(chǔ)，用土彈簧模擬樁后土的塑性變形。同時(shí)鋼板樁支護(hù)沿河向一般較長，簡化為平面應(yīng)變問題，將雙排鋼板樁對(duì)撐支護(hù)結(jié)構(gòu)簡易看成平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。為對(duì)比樁設(shè)置后變形，分別對(duì)基坑采用單排樁支護(hù)、雙排樁支護(hù)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析對(duì)比，單排樁頂高程考慮設(shè)置在▽6.00 m，雙排樁樁頂高程分別設(shè)置為▽3.50 m、▽7.00 m。同時(shí)為使計(jì)算結(jié)果偏于安全，樁后土寬度達(dá)1.5 m以上才考慮設(shè)置土彈簧，單、雙排樁計(jì)算簡圖見圖2～3。

圖1 單排樁計(jì)算簡圖（單位：m）

圖2 雙排樁計(jì)算簡圖（單位：m）

支護(hù)樁水平位移是支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，但由于樁、土體相互作用及工程地質(zhì)因素復(fù)雜，為充分模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，本項(xiàng)目采用ANSYS軟件數(shù)值模擬法模擬基坑開挖后鋼板樁位移及應(yīng)力情況。

下排樁基坑側(cè)受被動(dòng)土壓力側(cè)土體的模擬用土彈簧采用COMBIN14單元模擬，土體彈簧系數(shù)根據(jù)土體物理力學(xué)參數(shù)，依據(jù)所在土層至開挖面高度決定?；觾?nèi)側(cè)土彈簧系數(shù)ks計(jì)算公式［3］為

式中：m為土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)，軟弱黏性土、粉土類系數(shù)為3 000～5 000 kN/m4，本項(xiàng)目取值4 000 kN/m4；z為計(jì)算點(diǎn)距地面深度；h為計(jì)算工況下的基坑開挖深度。

鋼板樁采用ANSYS軟件BEAM單元進(jìn)行模擬分析，雙排樁每間隔2 m用18號(hào)工字鋼和圍檁聯(lián)接加強(qiáng)，實(shí)際工況中工字鋼、圍檁只考慮承受軸向壓力，采用Link單元模擬。基坑外側(cè)樁土壓力采用主動(dòng)土壓力，主動(dòng)土壓力采用摩爾-庫侖土壓力公式進(jìn)行計(jì)算，通過ANSYS中SFBEAM表面輔助荷載定義命令進(jìn)行主動(dòng)土壓力分段不均勻荷載加載，盡最大程度模擬實(shí)際土壓力作用情況，提高模型計(jì)算的真實(shí)性和精度。

4.2.2 鋼板樁內(nèi)力位移計(jì)算

為使計(jì)算模型結(jié)構(gòu)和現(xiàn)實(shí)情況基坑開挖相吻合，在計(jì)算中，基側(cè)內(nèi)側(cè)鋼板樁底部采用水平滑移支座，基坑外側(cè)下排鋼板樁由于嵌固深度較大，水平位移不大，但為盡量模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，底部也采用水平滑移支座。圍檁、工字鋼支撐與鋼板樁連接采用耦合鉸接方式，鋼板樁樁間圍檁、工字鋼支撐與土體簡化用細(xì)連桿來模擬樁間土的作用。經(jīng)模型計(jì)算，在不同基坑深度計(jì)算樁水平位移結(jié)果見表2（雙排樁僅計(jì)算實(shí)際情況）；單排鋼板樁數(shù)值模擬彎矩、剪力計(jì)算結(jié)果云圖見圖4（僅列基坑計(jì)算深度4 m情況），最大拉應(yīng)力為75 MPa＜允許拉應(yīng)力σc=215 MPa；雙排鋼板樁數(shù)值模擬彎矩、剪力計(jì)算結(jié)果云圖見圖5。從數(shù)值模擬結(jié)果看，雙排樁有效地分擔(dān)了樁側(cè)主動(dòng)土壓力，邊坡變形控制相當(dāng)理想，和實(shí)際情況基本相吻合，達(dá)到了施工期保證道路和基坑安全的目的。計(jì)算結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了雙排鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)用性。

圖4 單排樁彎矩、剪力云圖

圖5 雙排樁彎矩、剪力云圖

表2 不同鋼板樁水平位移數(shù)值計(jì)算

4.2.3 鋼板樁水平位移監(jiān)測(cè)

作為安全等級(jí)為二類的基坑，必須進(jìn)行基坑水平位移和基坑側(cè)道路沉降檢測(cè)。道路側(cè)水平位移及沉降觀測(cè)，設(shè)置7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，基坑位置設(shè)置3個(gè)，基坑外側(cè)路邊設(shè)置4個(gè)。基坑外側(cè)4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)水平位移在工程實(shí)施前后，基本無水平位移。基坑位置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，最大水平位移12.3 mm，最大沉降位移為9.1 mm，滿足二類基坑對(duì)水平位移和沉降的要求［4］。經(jīng)工程前后對(duì)比，基坑側(cè)X201縣道瀝青路面基本無沉降和開裂現(xiàn)象。

5 結(jié)語

（1）基于彈塑性理論的數(shù)值模擬法能較好地模擬樁土復(fù)合體間相互作用，能較好地模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體作用機(jī)理，考慮了雙排樁結(jié)構(gòu)的整體位移協(xié)調(diào)。模型參數(shù)選取根據(jù)相似基坑支護(hù)工程應(yīng)用論證后，可更好地模擬工程實(shí)際情況。

（2）雙排鋼板樁有效地解決了場(chǎng)地狹小、不阻斷交通的難題，縮短施工工期，提高了高邊坡深基坑的邊坡穩(wěn)定性；經(jīng)數(shù)值分析，雙排樁水平位移較單排樁明顯減小，增加了基坑的穩(wěn)定性，提高了樁基的嵌固穩(wěn)定，另外施工中要嚴(yán)格按基坑監(jiān)測(cè)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。同時(shí)要加強(qiáng)汛期上部工程施工時(shí)河坡安全動(dòng)態(tài)觀測(cè)，確保工程整個(gè)施工期基坑支護(hù)穩(wěn)定。