双排钢板桩围堰的理正深基坑软件模拟计算方法研究

于孟娟

(宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

双排钢板桩围堰具有占地面积小、施工及拆除方便、对水域影响小等特点，在水利工程中应用越来越广泛，在实践中积累了多种简化方法，但通常较为复杂或偏差较大[1-3]，其中有限元法对围堰断面的内力变形及稳定性研究较为精确[4-6]，杨熠[6]利用其对拉杆、桩间距、桩间地基土加固等因素进行研究，对各参数合理选取提出参考及建议，但此法对软、硬件要求较高，在中小型水利工程中应用较少。

目前没有专门的双排钢板桩围堰设计工具，造成设计工作效率较低、安全度及技术经济标准参差不齐。根据GB/T 51295—2018《钢围堰工程技术标准》[7](下文简称“国标法”)、T/CWEA12—2020)《水利水电工程钢板桩围堰技术规范》[8](下文简称“团标法”)，双排钢板桩围堰的结构设计与JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》(下文简称“部规法”)中基坑工程双排桩[9]的基本相同，主要通过对围堰宽度的等效选取、风浪荷载简化、挡水侧水体物理力学参数转化、桩间土对前排桩的桩侧压力模拟等，从稳定性、结构强度两个角度，利用理正深基坑软件中的双排桩模型分别建模进行验算，确定双排钢板桩围堰宽度和桩长，为类似水利工程围堰设计提供有益的参考，具有一定的实用推广价值。

1 双排钢板桩围堰的模拟计算方法

1.1 双排钢板桩围堰稳定和结构计算理论依据

双排钢板桩围堰的计算主要包括稳定性和结构强度验算，用来进行钢板桩围堰宽度、嵌固深度和抗弯强度设计。

稳定验算主要包括整体抗滑稳定和抗倾覆稳定验算，“国标法”与“团标法”和“部规法”中，整体抗滑稳定验算均采用瑞典圆弧条分法，双排钢板桩围堰的抗倾覆稳定验算公式与基坑双排桩的嵌固稳定性验算公式稍有差别，但原理相同[7-9]。

双排桩结构强度可按照“部规法”双排桩的平面钢架结构模型，根据前、后排桩所受土反力及桩间土对桩侧的压力，采用平面杆系结构弹性支点法进行计算。根据双排桩受力规律，前排桩的结构内力——弯矩和剪力大于后排桩，且随着双排桩排距减小而增大，故可仅对前排桩进行结构强度验算。

1.2 双排钢板桩围堰的稳定验算模拟模型及方法

整体抗滑稳定验算与围堰的支护深度、嵌固深度和围堰后的土(水)体性质及风浪荷载有关，可直接与基坑双排桩模型等效。

抗倾覆稳定验算不仅与围堰后的土(水)体性质及风浪荷载有关，还与围堰自身结构有关，故需与基坑双排桩嵌固稳定性验算模型进行等效设计。

在桩长相同的条件下，双排钢板桩围堰抗倾覆稳定验算模型模拟需要解决的简化问题及解决对策为：

(1)围堰宽度B与基坑双排桩排距sy的等效

“部规法”中基坑双排桩的抗倾覆稳定验算公式如下：

(1)

“团标法”中双排钢板桩围堰的抗倾覆稳定验算公式如下：

(2)

以上两公式中，GaG和G′R—支护双排桩、钢架梁和桩间土的自重之和对前排桩桩端的力矩，围堰的双排钢板桩、桩间土的自重之和对前排桩桩端的力矩[7-9]，两者意义相同，公式左侧其它各项为桩两侧土压力、水压力、风浪压力等水平力对前排桩桩端的力矩，在桩的悬臂段和嵌固段长度均相等的情况下可自动等效，故双排钢板桩围堰的抗倾覆稳定验算模拟主要体现在围堰自重对前排桩桩端力矩项的等效，即

GaG=G′R

(3)

首先将沿轴线方向单米长度的单排钢板桩、灌注桩的自重分别等效为相应宽度B1、B2的桩间土自重(容重按18kN/m3计)，得到双排钢板桩围堰、基坑双排桩结构折算为桩间土的总宽度分别为

B′=B-2h1+2B1

(4)

B″=sy-d+2B2

(5)

其中，B1、B′—单排钢板桩折算为桩间土的宽度、桩身折算为桩间土的总宽度，m；B1、B″—基坑单排支护桩折算为桩间土的宽度、桩身折算为桩间土的总宽度，m；h1—单排钢板桩的桩身厚度，m。

考虑到一般情况下桩长较长，刚架梁自重在三者中占比很小，可忽略。将公式(4)、(5)代入公式(3)，得到

B(B-2h1+2B1)=(sy+d)(sy-d+2B2)

(6)

对公式(4)进行一元二次方程求解，得到

(7)

此外，根据下文中“围堰迎水侧水体模型等效为土体模型”，在基坑双排桩模型中，围堰迎水侧水体深度范围内的桩间土采用水体自重，比实际桩间土自重小，对稳定验算来说偏安全。

(2)围堰迎水侧水体模型等效为土体模型

与稳定计算有关的土体模型参数包括层厚h、重度γ、浮重度γ′、粘聚力c(水上、水下)、内摩擦角φ(水上、水下)、土的水平反力系数的比例系数m，可将水体的质量、重力及粘滞性等物理力学性质进行等效换算。

①层厚h：即围堰设计水位以下水体深度，考虑到超高范围内的风压力、浪压力等荷载作用，一般情况下水体层厚h以桩顶至水底的高度计，m。

②重度γ、浮重度γ′：重度即为水体重度9.8kN/m3，浮重度为0。

③粘聚力c(水上、水下)、内摩擦角φ(水上、水下)：根据粘聚力与内摩擦角的定义，粘聚力可对应水体的粘滞力τ，考虑常温水(20℃)单位变形条件，则可换算为1×10-6kPa，考虑到软件输入限值，且此数值很小，对土反力的位移项影响可忽略不计，故实际应用中可输入为1×10-3kPa；水体内摩擦角为0°。

④水平反力系数的比例系数m：由“部规法”可知，m值可根据粘聚力c、内摩擦角φ由经验公式计算得到[9]。

通过以上模型转化，双排钢板桩的整体抗滑稳定和抗倾覆稳定验算即可利用理正深基坑软件的双排桩模型进行计算。

1.3 双排钢板桩围堰的结构强度验算模拟模型及方法

双排钢板桩围堰的结构强度验算包括钢板桩和桩间拉杆。

根据前文所述理论依据，仅需对前排钢板桩进行抗弯强度验算，其截面抗弯验算公式为

(8)

其中，σ—桩体截面应力，MPa；M—桩体所受弯矩，kN·m；W—桩体抗弯模量，cm3；f—桩体抗弯强度设计值，Mpa；W、f可由钢板桩型号查得。

前排桩受力主要包括嵌固段土反力、桩间土侧压力，分别按“部规法”第4.1.4条和第4.12.2条确定[9]，前者可根据嵌固段土层特性计算，后者与桩间土宽度和各土层物理力学性质有关，故需对桩间土宽度和桩间回填土段即迎水侧水体层厚h段土层物理力学性质进行等效分析。

(1)围堰宽度B与基坑双排桩排距sy的等效

按照桩间土净宽相等原则进行等效。双排钢板桩、基坑双排桩的桩间土净宽分别为

b1=B-2h1

(9)

b2=sy-d

(10)

由以上两式相等得到

sy=B-2h1+d

(11)

(2)围堰桩间回填土段物理力学性质

与稳定计算不同，在结构强度计算中，围堰桩间回填土段即采用回填土的物理力学性质输入软件。

双排钢板桩围堰的拉杆采用钢拉杆，主要承担由前、后排钢板桩水平位移差值Δ1引起的拉力p=kcΔ1，可对应基坑支护双排桩的刚架梁的抗拉作用，即刚架梁的轴力F，应满足

F

(12)

其中，F—刚架梁的轴力，kN；A—钢拉杆截面积，mm2；fy—钢拉杆抗拉强度设计值，MPa。

1.4 总结

分别采用以上两个模型对双排钢板桩围堰的稳定和结构强度进行模拟验算，同时满足以上两个模型的围堰宽度和钢板桩桩长即可作为围堰断面设计值。

2 工程实例分析

2.1 双排钢板桩围堰及地基土层结构

宁波市甬江提防上某闸站工程中，外江侧布置双排钢板桩围堰，钢板桩型号为SP-Ⅳ拉森钢板桩，桩长15m，围堰宽度为4m；基坑侧地面高程为-2.27m，临水侧地面高程为-0.6m，围堰顶高程为3.0m，桩间回填场地开挖土至桩顶，桩顶设置高1.13m袋装土安全加高至4.13m，桩与回填土间以及袋装土间设置防渗复合土工膜，在2.5m高程设置一排φ40钢拉杆@1.5m，围堰两侧设置抛石护脚。

以上双排钢板桩围堰地面以下土层从上至下依次为Ⅱ0粉质黏土、Ⅱ3淤泥质粉质黏土、Ⅲ1粉质黏土和Ⅲ2粉质黏土。

双排钢板桩围堰及地基土层结构见如图1所示。

图1 双排钢板桩围堰断面图

根据地质勘察资料，“稳定模型”和“结构强度模型”的各土(水)层物理力学参数取值见表1。

表1 各土(水)层物理力学参数表

SP-Ⅳ拉森钢板桩材料信息见表2。

表2 SP-Ⅳ拉森钢板桩材料信息表

双排桩围堰计算工况为分为以下两种：

工况1——设计挡水水位为10年一遇水位2.92m；工况2——度汛挡水水位为200年一遇水位3.63m。

2.2 简化后理正深基坑双排桩模型

在简化的深基坑双排桩模型中，桩体采用C25钻孔灌注桩，桩径0.8m，桩间距为1.0m，桩排距等效为3.238m(“稳定模型”)/4.46m(“结构强度模型”)，桩长15m，其中支护深度为5.27m，将袋装土加高折算为等宽的围堰，则支护深度增加至5.62m，嵌固深度仍为9.73m；钢拉杆简化为截面为1.0m×0.8m(宽×高)的矩形C25钢筋砼梁，基坑侧的降水深度为坑底以下0.5m。

将袋装土加高折算为等宽的围堰后，模型中桩顶高程为3.35m，高于工况1挡水水位，低于工况2挡水水位。考虑到超高范围内的风压力、浪压力等荷载作用，工况1的水体层厚h以桩顶至水底的高度计，工况2可将超过桩顶的水深简化为桩后超载进行计算。

简化后理正深基坑双排桩模型中基本信息见表3。

表3 深基坑双排桩模型基本信息表

工况2的超载信息见表4。

表4 工况2超载信息表

2.3 验算结果及应用分析

根据各土(水)层参数，按照以上理正深基坑双排桩模型，分别对工况1和工况2的“稳定模型”、“结构强度模型”进行验算，得到以下结果。

工况1：整体抗滑稳定系数Ks=3.622>1.30，抗倾覆稳定系数KQ=1.485>1.20，桩体最大弯矩为M=353.09kN·m<473kN·m，钢拉杆所受拉力不大于Fmax=143.89kN

工况2：整体抗滑稳定系数Ks=3.481>1.30，抗倾覆稳定系数KQ=1.40>1.20，桩体最大弯矩为M=370.44kN·m<473kN·m，钢拉杆所受拉力不大于Fmax=150.81kN

根据以上模型验算结果，此工程中宽度4m，桩长15m的钢板桩围堰结构满足整体抗滑稳定、抗倾覆稳定、嵌固深度、桩体和钢拉杆强度的规范要求。

以上工程通过了基坑方案评审，目前已基本完工，施工期间安全度汛，围堰整体保持稳定、钢板桩位移满足设计要求。此外，本文提出的双排钢板桩计算方法也在宁波其它地区类似项目中得到应用和检验，具有较好的实用性。

3 结语

(1)依据规范中双排钢板桩围堰和基坑双排桩在稳定性、结构强度等设计原理的相似性，提出了双排钢板桩围堰的理正深基坑软件模拟计算方法，满足类似中小型水利工程的设计要求，可操作性强，具有一定的实用推广价值。

(2)考虑到模型的差异性、其它未知因素及钢板桩长度规格，设计中可在验算基础上对桩长适当增加。

(3)本文方法以水体性质替代桩间土体及对风、浪荷载进行简化，存在精度不足的问题，在复杂工程中需同时采用有限元法进行研究；今后应根据双排钢板桩围堰结构的受力和变形的深入研究，对验算方法进行改进完善。