中交第四航务工程勘察设计研究院有限公司 广州 510640
摘要：以广州市区某处两水闸交汇处基坑围堰为研究背景，重点分析研究了滨海地区超深软土地质条件下的围堰超深基坑工程。对该围堰基坑工程在开挖、施工、回填等不同工况下钢板桩支撑的位移和内力，并对该结构进行了整体稳定性和安全性分析，为设计提供了可靠保证和有力支撑。
关键词：钢板桩，基坑围堰，稳定性及内力分析
1 引言
随着城市建设的飞速发展，自上世纪80年代以来，我国深基坑工程技术取得了长足进步。深基坑工程技术原本仅在我国的城市地下空间和高层建筑的基础等领域可见，如今在水利、城市防洪减灾和桥梁工程中都得到了广泛应用。目前水利工程施工围堰根据材料可以分为：土围堰、土袋围堰、套箱围堰、钢筋混凝土围堰、钢板桩围堰等[1-5]。由于钢板桩围堰施工方便快捷，同时钢板桩在刚度较大在允许一定变形的情况下仍然能够满足强度的要求，且可重复利用，经济成本低，因此在工程上的得到广泛的推崇和应用，进而钢板桩深基坑围堰设计俨然成为一种趋势。
深基坑围堰工程对周边居民和建筑物的安全产生了较大影响，一旦发生事故，不仅会带来重大的人员伤亡和巨大的经济损失，且造成不良的社会影响。尤其城市水利工程被誉为城市的生命工程，其破坏直接关系到人民的生活和财产安全。因此，基坑围堰工程的生产和设计逐渐受到相关部门的重视，其稳定性和安全性分析也成为一个比较重要的课题[6]。
2 工程概况
本项目位于广州市区某水闸和另一水闸共同出口合址位置。该水闸采用8孔开敞式宽顶堰型闸室结构，二孔一联，单孔净宽10m，总净宽80m，闸室段总宽95.2m，闸室底板总长24m，底板顶高程-3.50m，最大设计泄流量为345m3/s。现因工程征地等原因，需将原水闸和泵站整体向左岸平移8米，水闸和泵站的总体布置和剖面分别做相应的调整。为此需对调整后的方案进行稳定性和安全性分析。
2.1 场地地质情况
根据地表测绘及钻孔揭露，闸址区出露及钻孔揭露地层主要由下第三系莘庄村组（E1x）、第四系海陆交互相沉积层（Q4mc）及人工堆积层（Qml）组成。现由老至新分述如下：（1）下第三系莘庄村组（E1x），由紫红色砂砾岩、砂岩、粉砂质泥岩组成；（2）第四系海陆交互相沉积层（Q4mc）：（a）全新统海陆交互相沉积（Q4mc），①淤泥，层厚4.8～12.4m，②粉细砂，层厚0.8～4.50m，③中粗砂，层厚1.2～13.4m，④淤泥质粉质粘土，层厚6.2～18.8m，⑤砂砾石，层厚3.4～10.1m；（b）人工堆积（Qml）：分为堤身填筑土和右岸吹填砂，①填筑土，层厚2～4m，②吹填砂，以中砂为主，层厚2～3m。
2.2 岩土体强度参数选取
岩土体参数取值见表1，H型钢采用Q235钢材。
表1 岩土体参数取值
3 基坑围堰内力计算与稳定性分析
3.1 钢板桩围堰计算简图
该剖面位于一期围堰的最西侧，为船闸上闸首位置。该剖面特点为围堰外部为河道较深位置，因此围堰内地面高程略高于围堰外高程，因此相对安全性较高。为安全起见，取围堰内外高程一致。围堰典型断面图如图1所示，计算钻孔取ZK2-7，围堰外水位取度汛水位2.80m。
图2 基坑围堰计算简图
3.2 计算模型
为了计算基坑围堰汛期安全性和稳定性，建立基坑内体开挖，围堰施工及基坑围堰回填的二维分析模型。土层力学参数见表1。本模型重点分析基坑开挖，围堰施工等对钢板桩、支撑的影响，围堰采用膜袋砂围堰。基坑围堰计算模型如图3所示。设置边界条件，边界设置的范围为基坑开挖影响宽度为开挖深度的2~3倍[7]，取100m。
图3 基坑围堰计算模型
3.3 钢板桩位移及内力分析
采用midas GTS有限元软件进行分析，将围堰按平面应变模式分析，即认为围堰结构在纵向没有位移，只有在横断面方向产生位移，围堰各部分的模拟单元：
①钢板桩采用梁单元模拟，采用弹性模型。拉森式SP-Ⅳ型钢板桩的惯性矩为38600cm4/m，根据等刚度代换原则，建模时采用1m×0.167m的梁单元截面进行等效，单元参数（弹性模量，密度，泊松比）按钢材参数选取。②钢筋拉杆采用植入式桁架单元进行模拟，采用弹性模型，且设置该单元仅受拉而不受压。实际围堰每1.2m设置一根Ф40拉杆，在建模过程中，等效为每1m设置φ36的拉杆，单元参数（弹性模量，密度，泊松比）按钢材参数选取。
③各层土采用二维实体单元模拟，本构模型采用摩尔-库伦模型。
④将水泥搅拌桩加固区看作一加固体，本构模型采用摩尔-库伦模型，参数取值：γ=18 kN/m3，c=20kPa，φ=20°，E=30MPa。回填砂参数：γ=17 kN/m3，c=2kPa，φ=18°，E=25MPa。
⑤竖直方向水压力直接作用在土体上，水平方向土压力作用在钢板桩上。钢板桩外水位取2.14m，钢板桩内水位按照水位差1/2考虑。
⑥边界约束条件：底部约束竖直（y）方向位移，两边约束（x）方向位移。
⑦通过钝化开挖处的单元来模拟开挖过程。
基坑围堰的整体变形图如图4所示。于第一排钢板桩桩顶处产生最大位移，其最大变形量为59.71mm。
图4 基坑围堰整体位移云图
当基坑比较深时，为了减少支护桩的弯矩，故在双排钢板桩之间设置三道锚杆内支撑。目前对对支撑结构的计算方法很多，一般有等值梁法（连续梁法）；支撑荷载的1/2分担法；逐层开挖支撑力不变法；有限元法等[8]。本文采用第四种方法建立模型，并进行二维数值模拟。钢板桩弯矩图如图5所示。由图可知，每延米钢板桩最大弯矩为127.31kN·m。
图5 钢板桩弯矩分布图
经计算分析可知，钢板桩的位移和弯矩均在其内力所允许范围内。满足强度要求和变形要求。
3.4 基坑围堰整体稳定性分析
采用理正计算软件，计算参数见表1。
整体稳定验算：采用瑞典条分法，计算得围堰的整体稳定安全系数为Ks=3.354。
抗倾覆稳定性验算：计算得抗倾覆稳定性系数Ks=2.814≥1.2，满足规范要求，Ks≥1.2。
抗滑移稳定性验算：抗滑安全系数为Kh = 4.240:
满足规范要求，Kh≥1.2。
4 结语
（1）本文基坑围堰设置了三道支撑，而且入土深度都较深，究其原因，随着汛期围堰水位的变化，作用在钢板桩上的水土压力不确定，且变化较大；对基坑围堰结构的强度和变形有显著影响。因此为了确保安全，故在弯矩和变形较大处设共设置三道拉杆支撑，嵌固深度分别为30m、33m、33m。
（2）钢板桩是一种较为新型的桩型，但在工民建、市政等行业临时支护上应用较为广泛，水利围堰上使用较少，但凭借其施工速度快、周转率高、既能挡土又能止水双重功能于一身的良好品质，相信在建筑行业各个领域都会加以推广采用[10]。
（3）利用有限元软件Midas GTS和理正深基坑软件能够较合理的计算基坑围堰结构的位移和内力及整体稳定性，可为工程设计、咨询提供科学的支撑和可靠的保证。
（4）该钢板桩+拉杆撑基坑围堰，在强度和变形及整体稳定等方面显然满足要求，但仍可继续优化设计和施工。
参考文献：
[1] 曹根祥.长江口深水航道治理整治建筑物施工与关键技术研究[D].南京：河海大学，2004
[2] 方 伟，邸哲敏，王志勇.土工织物在曹妃甸海滩路基工程中的应用[J].水运工程，2005，3：79~84
[3] 文 立.深水防波堤新型结构型式及其应用研究[D].大连：大连理工大学，2004
[4] 王国玉.特种防波堤结构型式及水动力特性研究[D].大连：大连理工大学，2005
[5] 王文杰，余祁文，宋立松.土工充泥袋抛坝促淤试验研究与实践[J].水利学报，2003，2：90~94
[6] 李大勇，龚晓南.软土地基深基坑工程邻近柔性接口地下管线的性状分析[J]. 土木工程学报，2003，36(2)：77~80.
[7] 沈细中.深基坑工程基本过程数值模拟及实时优化研究[D].武汉：武汉大学，2004
[8] 陈忠汉，程丽萍.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，1999
论文作者:范泽,刘惠康
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/17
标签：围堰论文; 基坑论文; 钢板论文; 位移论文; 弯矩论文; 稳定性论文; 模型论文; 《防护工程》2018年第30期论文;