深厚软弱土层中新型的双排钢板桩围堰结构设计

▍摘要

摘要：在沿海地区，地质、水文条件复杂，有深厚软土层，水位深度比较大的情况下采用一般传统的双排钢板桩+钢筋拉杆进行围堰设计。研究对实际工程应用有限元分析发现，双排钢板桩在深厚软土层地区的第一道拉杆在承受拉力的同时还需承受部分轴向压力才能满足设计要求。为解决相关难题，在第一道拉杆的外圈套一个小型钢管，使第一道拉杆在承受拉力的同时也能承受部分轴向压力，同时兼顾施工方便、简单快捷、重复利用的特点，为研究奠定基础，对工程实践具有指导意义。

关键词：双排钢板桩围堰；钢筋拉杆；拉力；压力

双排钢板桩围堰多为悬臂式结构，其间回填中粗砂，钢板桩之间通过拉杆连接形成一种桩土复合围堰，具有结构整体性强、体积小、影响范围小、受力性能好、止水可靠、能承受较大变形和施工效率高等特点。在港口、市政、水利工程的基坑围护、围堰中应用广泛。通过某工程实例对双排钢板桩围堰在特殊地质条件下进行有限元分析发现，在沿海地区，深厚软土层下直接为硬土层或中间夹一薄层硬塑层的地质情况下，钢板桩之间的第一道拉杆在承受轴向拉力的同时还需承受部分轴向压力才能满足设计要求。传统的双排钢板桩围堰拉杆仅能承受轴向拉力，抵抗双排拉森钢板桩向外侧位移，无法承受轴向压力。为适应工程需要，对普通的双排钢板桩拉杆进行改造，在第一道拉杆的外圈套一个小型钢管，使第一道钢筋拉杆能同时承受轴向拉力和部分轴向压力。依据相关的行业规范对围堰结构进行荷载计算、稳定性和结构内力分析，得出围堰结构安全可靠的结论。

▍1 工程概况

工程位于中山市翠亨新区翠海道，为一4舱综合管廊项目，全长约9.2 km，穿越4条河涌，西依五桂山，东临珠江口，北接火炬开发区，南连珠海市。考虑管廊系统的连续性和景观桥的美观性，综合管廊采用下穿河涌过河方式，其中横八涌需保障通航要求，必须采用导流围堰施工方式。横八涌宽约120 m，河床底标高最低为-5.53 m，5 a一遇洪水位为3.154 m，围堰顶标高为3.654 m（施工期间围堰高度按照0.5 m的超高考虑），最大挡水深度为9.184 m。采用双排钢板桩+2道钢筋拉杆进行围堰设计，钢筋拉杆采用直径为40 mm、70 mm的钢筋，两端通过工字钢或角钢、螺母、垫片及弹簧圈进行固定而成。围堰平面布置见图1。

▍2 地质条件

根据岩土工程勘察报告，双排钢板桩围堰穿过的土层从上至下依次为：①2素填土，土层厚度5.798m；②1淤泥，土层厚度18.7m；④2砂质黏性土，土层厚度1.6m；⑤2强风化花岗岩，4.4m。

双排钢板桩落入强风化花岗岩中，具体土质参数见表1。

 ▍3 双排钢板桩围堰结构设计

3.1围堰方案介绍

工程采用双排钢板桩+2道钢筋拉杆围堰体系，钢板桩之间水下填筑中粗砂形成一个整体受力围堰结构，围堰剖面见图2。围堰拟建处河底最大高程为-5.53 m，由于缺少5 a一遇的水位资料，设计考虑采用30 a一遇水位（设计水位为3.154 m）

作为施工导流标准，考虑一定超高，围堰设计顶高程为3.654 m。钢板桩采用密扣拉森Ⅳ型，临江侧桩顶标高为3.654 m，背水侧桩顶标高为1.5 m。考虑到在枯水期施工，为减少钢板桩用量，高程1.5 m以上使用袋装沙包围堰。围堰几何尺寸如下：围堰顶宽6 m，前排钢板桩长26 m（进入强风化岩0.5 m），后排钢板长24 m（进入强风化岩0.5 m），分别在高程1.0 m和-1.0 m处设置拉杆，拉杆水平间距为1.5 m。为了减少围堰两侧不平衡受力，临江采用侧抛石反压措施，反压宽度为8 m，顶标高为-2.53 m，坡比1 2.0。围堰内整平面标高为0.00 m。

3.2围堰荷载及稳定计算

工程围堰的不利工况如下。

1）工况一：双排钢板桩间填砂至顶面1.50 m高程、围堰内降水至0.00 m高程，河涌中水位降低为历史最低水位-0.63 m高程。

2）工况二：围堰内降水至0.00 m高程，围堰外侧水位为30 a一遇水位3.154 m高程。

3）主要荷载包括钢板桩围堰上部自重、堰顶堆载、水压力和土压力。其中，堰顶堆载按10 kPa考虑，水位按每种工况的最危险组合进行计算，土压力采用肯朗公式计算。围堰荷载计算见图3～图4。根据文献所述的稳定性分析，对钢板桩围堰分别进行钢板桩入土深度、整体稳定和抗倾覆验算。经计算，钢板桩入土深度安全系数：前排钢板桩为1.39，后排钢板桩为1.52，满足系数1.35的要求；钢板桩整体稳定系数为2.23，满足系数1.30的要求；抗倾覆稳定系数为6.18，满足系数1.50要求。

3.3“有限元法”数值模拟计算

为了准确直观地呈现双排钢板桩+钢筋拉杆的应力-应变状态，使结构设计更加安全、经济，采用Midas GTS NX软件，按照工程实际受力情况进行数值模拟。模型左、右边界处施加法向约束，底部施加固定约束，围堰各部分外部受力按照主动土压力计算，围堰自身由填砂引起的土压力按照附加水平应力计算。围堰结构各部分的模拟单元分别为：双排钢板桩采用2D梁单元[7]模拟，内部拉杆采用杆单元模拟，其单元参数按照钢材参数选取。双排桩之间的回填砂采用2D实体结构单元模拟。围堰外抛石等效为荷载施加在相应位置上，水位变化引起的围堰内、外水压力差采用线性压力荷载施加在拉森钢板桩（梁单元）上。有限元计算模型见图5。

按照施工顺序,对模型进行加载模拟计算，考虑钢板桩内部水土压力在2种工况下的计算结果见图6～图9。不同工况下的最大内力计算汇总见表2。

计算结果显示，在深厚软弱土层地区，双排钢板桩间的第一道拉杆在承受轴向拉力的同时，也承受部分的轴向压力。

3.4围堰拉杆结构计算

为解决第一道拉杆受压问题，在普通双排钢板桩的第一道拉杆外套小钢管。小钢管一端与钢腰梁焊接固定，另一端自由，帮助第一道钢筋拉杆同时承受轴向拉力和轴向压力，抵抗双排钢板桩向内、外侧的位移。拉杆平面见图10。

2种不利工况下，由表2获得第二道拉杆轴向拉力最大值为413.0 kN，第一道拉杆轴向压力最大值为55.7 kN，前排钢板桩弯矩最大值为79.2（kN·m），后排钢板桩弯矩最大值为93.0（kN·m）。第一道拉杆外套钢管轴向压力Nk为55.7 kN，采用拉杆40 mm钢筋外套φ60 mm×6 mm钢管，根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》和GB 50017—2017《钢结构设计标准》,经计算，钢管最大应力为102.6 N/mm2,满足设计要求。第二道拉杆每延米轴向拉力Nk为413.0 kN,根据JTS 167—2018《码头结构设计规范》，经计算，拉杆轴向拉力RA为619.5 kN，拉杆直径d为67.0 mm，第二道拉杆采用70 mm满足要求。

 ▍4 结语

研究结合具体工程对双排钢板桩围堰稳定性和内力进行分析，并利用有限元对双排钢板桩围堰进行数值模拟计算。经计算发现，在深厚软土层地质情况下，与传统双排钢板桩不同，第一道拉杆在承受拉力的同时，也承受部分轴向压力。为适应这种工程需要，在普通的双排钢板桩第一道拉杆外套小钢管，钢管一端与钢腰梁焊接固定，另一端自由，使第一道钢筋拉杆在承受拉力和压力的同时，抵抗双排钢板桩向内、外侧的位移。通过具体工程的运用，验证新型围堰结构安全有效，兼顾施工方便、节省投资、重复利用。工程使用的双排钢板桩作为一种新型的围堰结构型式，其受力分析尚未得到一个统一的论证，结论可供同行作为一种设计参考，为以后的研究奠定基础。