双排钢板桩围堰结构加固优化分析研究

▍摘 要‍

摘要：双排钢板桩围堰是上海地区水利工程中普遍使用的围堰形式，通过比较钢板桩典型支护结构的有限元数值计算结果和理论计算结果，验证了有限元模型参数的准确性，并针对围堰两侧堆载、被动区土体加固、拉杆布置等加固措施对围堰受力及变形的影响进行了深入研究，结果发现临土侧设置堆载、被动区土体横向加固及适当降低拉杆位置可以获得有效且经济的围堰内力及变形控制效果。

关键词：钢板桩围堰；Plaxis加固优化；HSS模型‍‍

▍0 引 言

钢板桩围堰作为一种常见的临时围护结构，具有整体性强、止水性好、抗变形能力强等特点。双排钢板桩围堰相比较于单排钢板桩围堰结构，具有水平位移小、抗弯能力强等优点在水利、港口、市政等工程中有着广泛的应用。

针对双排钢板桩围堰结构的分析计算，根据相关规范，通常是将围堰结构简化成为一个整体，利用理论和经验公式判断其整体稳定性、水平抗滑稳定性、抗倾覆稳定性及内部剪切稳定性等可靠性指标，上述方法无法精确描述钢板桩结构的受力变形，无法对围堰设计方案的优化提出具体的指导意见。特别是当采用设置堆载、土体加固及调整拉杆布置等措施时，常规的理论及经验方法已经无法保证计算结果的准确性，因此需要采用有限元的手段对上述情况进行数值模拟分析，研究钢板桩围堰及变形特性并指导设计方案优化。

▍1 有限元分析与理论计算结果对比

随着有限元技术的不断发展，有限元数值模拟计算已经成为解决工程问题的有效手段。相比较于传统的计算方法和计算软件，有限元数值模拟更适用于计算复杂结构及结构局部的受力及变形行为。为了建立准确的有限元数值模型以进行钢板桩围堰的受力及变形特性及设计优化研究工作，本文首先对比了典型钢板桩基坑支护结构的有限元计算结果与理论计算结果。典型基坑支护结构设置为：单排钢板桩支护，开挖深度5m，在深度0.5 m处设置一道型钢支撑，所处土层为黏质粉土。

本文选用Plaxis软件进行有限元计算分析。Plaxis软件采用板单元模拟桩基，可以模拟在垂直于模型平面方向上具有一定间距的排桩。刚度属性针对单根桩输入程序将计算每米宽度的涂抹属性。该结构元件的特点为它不是直接与网格耦合，而是间接地通过线到线界面进行耦合（由弹簧和界面组成）。Plaxis采用界面单元来模拟土结构相互作用，界面单元采用Coulomb准则用以区别弹性性状（即在界面内可以出现小位移）和塑性界面性状（即可能出现永久滑动）。

本文选用同济启明星Frws软件进行该典型支护结构的理论方法计算。Frws中的支护结构变形分析理论方法主要为根据竖向弹性地基梁法，具体为将钢板桩简化为竖直放置于弹性地基中的基础梁，坑内开挖面以上的内支撑点以弹性支座模拟，被动区土抗力可通过一系列彼此孤立的弹簧来表示，而弹簧压缩系数就是土抗力系数。本文采用竖向弹性地基梁法中的m法进行计算。m法假定土的水平地基抗力系数K随深度成线性增加。根据本工程土体的性状及参数取m=2500。

Plaxis及Fims软件分别计算的钢板桩内力变形结果见图1〜图3，可以发现通过合理的土体参数选取，有限元数值模拟计算的位移、弯矩和剪力均与理论计算结果十分吻合，说明本文的有限元模型及土体参数等设置合理，该有限元模型可以比较准确的反映出实际工程中钢板桩围护结构的变形及受力情况，因此可以利用本模型的参数及设置对双排钢板桩围堰结构及其优化措施进行深入研究。

▍2 双排钢板桩围堰桩基受力变形分析

为了研究双排钢板桩围堰前后排桩基的受力变形情况，本文以上海市河道工程中典型的双排钢板围堰断面为例进行研究，围堰桩长15 m，围堰高度5.5 m，宽度3.0 m，挡水高度5.0 m,设置一道钢拉杆，距离围堰顶1.0m。有限元模型见图4，前后排钢板桩水平位移及弯矩计算结果见图5、图6。

通过图5、图6的计算结果可以看出，由于钢拉杆的变形协调作用和围堰内部填土的作用，前后排钢板桩位移趋势基本一致，位移最大值均为0.12 m左右；临水侧钢板桩位移略小于临土侧；临水侧弯矩最大值155 kN·m，临土侧弯矩最大值198 kN·m。临土侧钢板桩的位移值和弯矩值均大于临水侧钢板桩，因此下文在研究双排钢板桩加固措施时，仅针对临土侧钢板桩的变形及内力计算结果进行讨论。

▍3 双排钢板桩围堰优化加固研究

在实际工程中，常常将基本的围堰结构进行优化加固，以满足变形及内力的控制要求。本文针对工程中常见的两侧堆裁、被动区土体加固及调整拉杆布置等加固措施进行数值模拟计算，对加固结果进行比较。

3.1 围堰两侧堆载

围堰两侧设置堆载是常见的一种优化方案是两侧堆载、临土侧堆载两种方案。在上节的模型基础上，设置顶宽2m高2m的堆载，土体参数同围堰内部回填土体，单侧堆载模型见图7。未设置堆载、单侧堆载、双侧堆载的双排钢板桩围堰临土侧钢板桩位移及弯矩见图8、图9。

通过图8、图9可以发现，围堰两侧设置堆载可以很好地控制围堰的变形和弯矩，对于临土侧钢板桩，未设置堆载时最大水平位移为0.119 m，设置临土侧、双侧堆载时最大水平位移为0.058m和0.064m；未设置堆载时最大弯矩为198 kN·m，设置临土侧、双侧堆载时最大弯矩为93.7N·m和99.2 kN1m。因此，从桩基受力变形的角度分析在临水侧设置堆载是没有必要的，仅需在临土侧设置堆载即可。

3.2 被动区土体加固

当施工空间等条件受限时，对被动土区进行水泥土加固是一种有效的控制围护结构内力变形的手段。本文针对不同被动区土体加固形状对桩基受力变形的影响进行研究，设计两种水泥土搅拌桩加固方案，—种加固范围为临土侧6m宽2m深（加固方式1），有限元模型见图10，另一种加固范围为2 m宽6 m深（加固方式2）。单延米加固体积均为12m³，加固土体参数见表1。未加固、加固方式1、加固方式2的双排钢板桩围堰临土侧钢板桩水平位移及弯矩计算结果见图11、图12。

从图11、图12可以看出，土体加固可以很好的控制围堰钢板桩的变形和弯矩对于临土侧钢板桩末进行土体加固时最大水平位移为0.119m,设置土体加固方式1、土体加固方式2时最大水平位移为0.049 m和0.055 m；未设置堆载时最大弯矩为198kN·m,设置土体加固方式1、土体加固方式2时最大弯矩为112.3 N·m和119.2 N·m。水平向土体抽条加固对控制钢板桩的变形和受力效果更好。

3.3 调整拉杆布置

调整围堰拉杆的布置也是工程中常见的加固措施。本文针对拉杆的数量和布置位置进行研究，设计了三种拉杆布置形式：上拉杆(拉杆位置距围堰顶1.0 m)、下拉杆(拉杆位置距围堰顶2.5m)、双拉杆(同时布置上下两根拉杆)。设置双拉杆围堰的有限元模型见图13，上拉杆、下拉杆、双拉杆的双排钢板桩围堰临土侧钢板桩水平位移及弯矩见图14、图15。‍

通过图14、图15可以看出，降低拉杆的位置可以很好的控制围堰钢板桩的变形和弯矩。对于临土侧钢板桩，采用上拉杆时最大水平位移为0.119m，采用下拉杆和双拉杆时，最大水平位移为0.108 m；采用上拉杆时最大弯矩为198 kN·m，采用下拉杆和双拉杆时最大弯矩为166.4kN·m。当采用双拉杆时，所有拉力由下拉杆承担，上拉杆不受拉，因此，常见工况下采用双拉杆是没有必要的。

▍4 结 论

本文首先验证了Plaxis模拟钢板桩围护结构的准确性，然后针对两侧堆载、被动土区加固、拉杆布置等围堰加固方案进行有限元数值模拟分析，得到如下结论：

(1) 本文所选用的有限元模型可以比较准确的反映出钢板桩围护结构的变形及受力情况，可以和理论计算结果互为验证。

(2) 围堰临土侧设置堆载可以很好的控制钢板桩围堰的位移和弯矩，常见工况下临水侧设置堆载是没有必要的。

(3) 被动区土体加固可以很好的控制钢板桩围护结构的变形和弯矩，并且在同等加固体积的情况下水平向土体加固效果更好。

(4) 适当降低泣杆的位置可以很好的控制钢板桩围堰的变形和弯矩，常见工况下设置两根拉杆是没有必要的。

来源：《城市道桥与防洪》

作者：张雨剑