墙后堆载下高桩承台式防汛墙变形规律研究

张琳琳，石永超，袁 昊

(上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092)

墙后堆载下高桩承台式防汛墙变形规律研究

张琳琳，石永超，袁 昊

(上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092)

上海市防汛墙墙后堆载问题客观存在，且因此造成的防汛墙损坏近年来时有发生。如何解决墙后堆载带来的安全隐患是上海市水务管理部门亟待解决的问题。通过理论分析，从堆载的影响因子和非堆载的影响因子两方面，研究并得出了墙后堆载下高桩承台式防汛墙的变形规律，为上海市制定防汛墙墙后堆载限制要求提供理论基础。

堆载；高桩承台；防汛墙；变形

1 概 述

高桩承台式防汛墙是目前上海市区防汛墙结构中主要采用的结构型式之一。一般岸段的高桩承台式结构在其设计过程中只考虑防汛通道范围内5 kN/m2的均布荷载，然而现实中受到用地紧张、岸段使用性质、工程需要等影响，防汛墙墙后往往有堆载（例如堆土、堆货等），且因墙后堆载造成的防汛墙出险的案例也时有发生，诸如2009年闵行区梅陇镇淀浦河右岸防汛墙因堆土而导致的防汛墙破坏、2013年闵行区浦江镇跃进河左岸防汛墙因墙后堆土导致115 m防汛墙坍塌等。防汛墙墙后堆载是三维空间问题，采用三维有限元分析更为合适，有文[1]指出二维分析在桩基计算中桩基内力基本一致，因此关于防汛墙墙后堆载的研究主要是二维分析为主，但研究内容较少且针对性较强[2-3]，另外现有规范条文上涉及防汛墙墙后堆载的相关内容存在管理上和执行上的盲区[4-5]，故开展墙后堆载下高桩承台式防汛墙变形规律的研究是十分必要的，具有很强的指导意义。墙后堆载下防汛墙的水平变形是防汛墙安全的主要控制指标之一，对于高桩承台结构而言，防汛墙墙后堆载作用下，墙身向临水侧倾斜，《黄浦江防汛墙工程设计技术规定（试行）》（2010）7.8条规定承台的水平位移不宜大于10 mm。因此，本次堆载下防汛墙的变形规律研究主要依据防汛墙水平变形指标。

2 数值分析

2.1 有限元分析模型

本文选择大量上海市高桩承台防汛墙典型断面型式，采用PLAXIS 2014有限元软件，分别建立了二维仿真分析的有限元模型，模型尺度足够大以确保计算范围的合理性。图1所示的为上海市某典型岸段高桩承台防汛墙二维有限元模型。

图1 某典型岸段高桩承台防汛墙二维有限元模型

2.2 土体本构及计算参数

本次研究的土体本构模型选取Hardening-Soil模型，HS模型为PLAXIS软件内置的一种本构模型，由Schanz等[6]提出，在上海地区应用较广[7]。计算的土体参数的选取按照王卫东等[8]的研究成果取值。

2.3 桩基的模拟简化模型

桩基模拟的是数值仿真分析的关键要素之一，二维仿真分析无法考虑到桩基间距问题，为此采用文献[9]提出的方法进行简化，将桩基等效为板桩，等效板桩的弹模按下式计算：

式中：Ep为桩基弹模；Es为土体弹模；u为相邻桩的中心距；d为桩径。

3 数值模拟结果与分析

3.1 堆载的影响

结合工程经验，本文研究的堆载影响因子包括堆载形式、堆载顺序、堆载宽度以及堆载位置。

3.1.1 堆载形式的影响

防汛墙墙后堆载的类型较多，从堆筑材料刚度的角度可将其划分为刚性堆载（例如钢板、集装箱等）和柔性堆载（例如土、砂、煤炭等）两类。为了准确模拟墙后堆载的实际情况，柔性堆载采用实体单元模拟，刚性堆载采用等效荷载模拟，如图2所示。对比柔性堆载和刚性堆载的结果可知：虽然两者是静力等效的且其余计算条件一致，但是明显柔性堆载导致防汛墙的变形较小（见表1）。究其原因，是因为相对于刚性堆载，柔性堆载能较好地适应地基的变形，有助于应力的扩散。

表1 柔性堆载和刚性堆载作用下防汛墙位移统计表

图2 柔性堆载和刚性堆载作用下防汛墙的变形云图

3.1.2 堆载顺序的影响

防汛墙墙后堆载一般是按照一定的顺序进行堆放的，主要可以分为两种方式：一是从靠近防汛墙一侧开始向远离防汛墙的方向进行堆载，即“后退法”；二是从远离防汛墙一侧开始向靠近防汛墙的方向进行堆载，即“进占法”。研究表明，防汛墙墙后堆载宜采用后退法堆载，原因如下：

（1）后退法堆载由于前期所堆荷载有一定的“镇压”作用，在一定程度上限制了防汛墙的水平位移，因此后退法计算所得防汛墙的水平位移（124.2 mm）较进占法（149.2 mm）小（见图3）。

图3 后退法和进占法堆载下防汛墙的水平变形云图

（2）考虑到部分堆载需涉及一定运输机械，诸如自卸汽车等，在采用进占法堆载后，运输机械存在在防汛墙后近距离行驶的可能，对防汛墙的自身安全不利。

（3）如果堆载导致防汛墙出现险情，后退法堆载下防汛墙出现的警示信号先突增然后逐步缓增至报警值，较进占法先逐步缓增后突增至报警值更加容易辨识，有利于及时发现并避免防汛墙险情的发生。

3.1.3 堆载宽度的影响

在墙后堆载位置确定、幅值不变的情况下，随着堆载宽度的增加，防汛墙底板的水平变形先增大后减小（见图4）。在荷载宽度较小的情况下，堆载导致正下方的小范围土体不均匀沉降，由于土体的泊松效应，从而导致防汛墙变形。随着宽度的增加，堆载的总作用力增大，导致土体的不均匀沉降进一步增大，进而增加防汛墙的水平变形量。然而堆载宽度增加至一定幅度后，虽然导致土体的竖向沉降量增大，但堆载导致土体间的不均匀沉降却变小了，从而导致防汛墙水平变形减小。即防汛墙自身的水平变形随墙后堆载宽度的增加先增加后有小幅减小。研究表明，高桩承台式防汛墙结构堆载宽度可以选择墙后10～30 m的范围内。

3.1.4 堆载位置的影响

在防汛墙墙后堆载宽度确定的情况下，随着堆载距防汛墙设计岸线距离的增大，防汛墙的变形逐渐减小且减小幅度呈递减趋势，如图5所示。

根据对防汛墙墙后堆载作用下防汛墙的变形规律进行曲线拟合，可得防汛墙墙后不同位置处的防汛墙变形规律：

式中：y为防汛墙底板的水平位移，mm；p为防汛墙墙后荷载，kPa；x为墙后荷载距防汛墙设计岸线的距离，m。

如图6所示，由拟合结果可知：拟合公式基本和实际情况吻合，防汛墙底板的变形随着堆载距防汛墙的距离的增加呈指数衰减，最终无限接近于0。根据实际出险案例以及公式（2），防汛墙墙后堆载问题的研究范围可以选择为0～50 m。

3.2 非堆载因素的影响

结合设计经验，本文研究的非堆载影响因子包括桩长、地质条件和墙前覆土标高。

3.2.1 桩长的影响

以某典型岸段为例，对比分析了墙后10～15 m范围内堆载作用下桩长对防汛墙变形的影响。在荷载作用下，由于土体的泊松效应，堆载下土体的水平位移基本以堆载为中心向两侧变形，且基本上呈对称分布。当桩长较小时，即桩的嵌入土体的长度较小，可视为“短桩”，即桩随土体发生平移，由于桩的平移量大于防汛墙墙身的平移量，继而会带动防汛墙水平位移进一步增加。桩长增长初期，防汛墙墙身的位移增加幅度较大。当桩长达到一定长度后，由于桩的嵌固长度较大，在桩端处的嵌固作用限制了桩身的位移，且桩长越长，限制越强，因而防汛墙位移越小。此即为防汛墙承台底板的位移变形规律基本是随着桩长的增加先增加然后减小的原因，具体的计算结果如图7所示。总体而言，在其余边界条件固定的前提下，桩长对防汛墙变形的影响较小。

图4 防汛墙墙后10 m、15 m、20 m处不同荷载宽度下典型岸段防汛墙水平位移变形规律

图5 防汛墙墙后不同位置处5m荷载宽度下防汛墙水平位移变形规律

图6 典型岸段防汛墙水平变形拟合结果

图7 桩长对防汛墙水平位移的影响

3.2.2 地质条件的影响

本报告以某典型岸段为例，进行地质参数的敏感性分析，此次参数敏感性分析结果是统一调整桩基所在土层模量的变化幅度所得。通过图8可知，在-20%～20%的变化，墙后堆载导致防汛墙的水平变形的变化幅度基本控制在1 mm之内，但是变化幅度超过该范围或者墙后荷载量值较大的情况下，防汛墙底边的变化幅度增加较为明显，尤其是变化幅度小于-20%。

图8 模量参数的敏感性分析

实际上，同一埋深且同种类型土层的地质参数可能相近，但是对于不同的区，地层的类型不尽相同，尤其是表层不同的地层类型对最终影响很大。每个岸段的防汛墙均是按照该地质条件进行设计，因此防汛墙墙后堆载的允许量值与该段场地地质条件直接相关。

3.2.3 墙前覆土标高的影响

在一定范围内，墙前覆土标高的增加可以限制防汛墙墙后堆载导致的变形。图9为不同墙前覆土标高下，典型岸段防汛墙墙后堆载导致防汛墙底板的水平变形。墙前覆土标高对防汛墙水平向变形的限制性较强，且随着防汛墙墙后堆载数值的增大，墙后堆载的限制性越强。所以，墙前覆土标高对防汛自身的影响需引起重视。

图9 墙前覆土标高对防汛墙水平变形的影响

4 结 语

本文通过有限元模型分析方法，从堆载影响因子和非堆载影响因子两个方面，研究了墙后堆载下对高桩承台式防汛墙变形规律的影响，得到结论如下：

（1）堆载形式。相较于刚性堆载，柔性堆载能较好地适应地基的变形，有助于应力的扩散，导致的防汛墙变形较小。

（2）堆载顺序。防汛墙墙后堆载后退法比进占法对防汛墙的变形影响小。

（3）后续研究中，堆载位置和宽度可以分别按照墙后0～50 m、宽度10～30 m选取。

（4）防汛墙桩长对其自身的水平变形影响较小。

（5）防汛墙墙后堆载的问题与该段场地地质条件、墙前覆土标高密切相关。

[1]魏汝龙,王年春,杨守华.桩基码头和岸坡相互作用[J].岩土工程学报，1992,14(6):38-49.

[2]汪国华,聂宁,张天波,肖燕.大件重载道路挡土墙结构有限元分析[J].公路交通技术，2013（1）:12-16.

[3]王根,杨欣,晏长根.路基柔性挡墙受力机理的有限元分析[J].福州大学学报(自然科学版)，2013,4(41):609-612.

[4]沪水务〔2010〕746号，上海市黄浦江和苏州河堤防设施管理规定[S].

[5]沪水务〔2003〕828号，上海市黄浦江防汛墙维修养护技术和管理暂行规定[S].

[6]SCHANZ T,VERMEER P A,BONNIER P G.The hardening soil model-formulation and verification[C].Proceedings of Beyond 2000 in Computational Geotechnics. Amsterdam: Balkema, 1999: 281-296.

[7]徐中华,王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择[J].岩土力学,2010,31(1):258-264.

[8]王卫东,王浩然,徐中华.上海地区基坑开挖数值分析中土体HS-Small模型参数的研究 [J].岩土力学，2013,6(34): 1766-1774.

[9]陈福全,杨敏.地面堆载作用下邻近桩基性状的数值分析[J].岩土工程学报，2005,27(11):1286-1290.

TV87

A

1009-7716（2017）03-0156-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.042

2016-12-30

上海市水务局科研项目：防汛墙墙后堆载对防汛墙安全影响的研究（沪水科2014-03）

张琳琳（1979-），男，上海人，高级工程师，从事水利工程设计和研究工作。