雙排鋼板樁圍堰板樁墻位移計(jì)算方法探討

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雙排鋼板樁圍堰板樁墻位移計(jì)算方法探討
馬金寶1 田鵬2 楊奕健2

摘要：雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在近年來(lái)的圍堰工程中，并且取得了很大的成功，但實(shí)際上其設(shè)計(jì)計(jì)算的理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于應(yīng)用。在設(shè)計(jì)中，對(duì)于板樁墻位移計(jì)算，目前沒(méi)有很成熟的計(jì)算方法。本文結(jié)合雙排鋼板樁模型試驗(yàn)，闡述目前雙排鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)中板樁墻位移常用的近似計(jì)算方法，并將其計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并簡(jiǎn)單探討了這些方法在各種情況下的適用性，為以后雙排鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：雙排鋼板樁；位移；m法；重力式結(jié)構(gòu)
中圖分類號(hào)：TU4
1 引言
雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)在近年來(lái)國(guó)內(nèi)外船塢建造工程中，許多項(xiàng)目已取得了很好的效果。雙排鋼板樁圍堰和單排鋼板樁圍堰相比，具有剛度大，成本低，施工簡(jiǎn)便，對(duì)場(chǎng)地要求較低等的優(yōu)點(diǎn)[1]。該結(jié)構(gòu)形式雖然應(yīng)用較多，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至今仍沒(méi)有成熟的計(jì)算理論，設(shè)計(jì)時(shí)通常采用單排樁的計(jì)算理論或重力式結(jié)構(gòu)計(jì)算理論，并輔以工程經(jīng)驗(yàn)，因此對(duì)該結(jié)構(gòu)的可靠性分析存在較大的經(jīng)驗(yàn)性和局限性。本文利用模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)現(xiàn)有計(jì)算方法進(jìn)行探討。
2 常用計(jì)算方法
2.1 采用單排樁計(jì)算理論
將開(kāi)挖側(cè)板樁視為板樁墻，另一側(cè)板樁視為板樁墻的錨碇板樁，中間用拉桿連接，采用極限地基反力法或彈性地基反力法（如m法）對(duì)兩排板樁位移進(jìn)行計(jì)算。
2.1.1 極限地基反力法（極限平衡法）
極限地基反力法事先假定土處于極限狀態(tài)時(shí)地基反力的分布形狀，根據(jù)作用在樁上的外力及樁的平衡條件來(lái)求樁的橫向抗力，適用于入土較淺的剛性樁。按假設(shè)土壓力分布規(guī)律分為：1）土壓力按二次曲線分布的方法；2）土壓力按直線分布的方法；3）土壓力為任意分布的方法[2]。
2.1.2 彈性地基反力法（彈性地基梁法）
彈性地基反力法假定土為彈性體，認(rèn)為樁身任一點(diǎn)的土抗力與該點(diǎn)的橫向位移成比例。具體的解法分為三種：1）先利用數(shù)學(xué)方法求解樁受荷后的彈性撓曲微分方程，再根據(jù)力平衡條件求得樁的內(nèi)力及位移，如m法；2）將樁分為有限段，用差分式近似代替樁的彈性撓曲微分方程中的各階導(dǎo)數(shù)，即有限差分法；3）將彈性樁分為有限個(gè)單元的離散體，根據(jù)力平衡和位移協(xié)調(diào)條件，解得樁各部分的內(nèi)力和位移，即有限元法[3]。
2.2 采用重力式結(jié)構(gòu)計(jì)算理論
在平行雙排鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)圍堰寬度、板樁入土深度及板樁截面厚度。在設(shè)計(jì)中，兩排板樁之間的土體重力及板樁入土段的被動(dòng)土壓力提供墻體的抗滑力和抗傾覆力矩[4]。也就是說(shuō)，把兩排板樁及它們之間的土體視為整體重力式檔墻。位移使用“剛性攔土墩”法計(jì)算[5]，重力式擋墻的剛度無(wú)限大時(shí)，在墻后土壓力的作用下，墻體將產(chǎn)生平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，先計(jì)算出開(kāi)挖面的水平位移及轉(zhuǎn)角，然后推算出整個(gè)墻體的水平位移。
3 模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介
雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)受力分析的關(guān)鍵是正確掌握樁—土的相互作用機(jī)理。為了避免模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)成果失真，實(shí)施方案要最大限度符合工程實(shí)際受力狀況。模型土采用均質(zhì)海砂，室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得海砂內(nèi)摩擦角φ=31°，重度γ=18kN/m3；板樁采用鋼板制作成與原型板樁相似斷面形狀。
如圖1所示，模型試驗(yàn)中在斷面測(cè)點(diǎn)上安裝變形桿測(cè)定板樁的位移。模型試驗(yàn)采用逐層開(kāi)挖板樁一側(cè)的土層來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)基坑開(kāi)挖過(guò)程。每次開(kāi)挖土層厚度為50cm，在開(kāi)挖前測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，在開(kāi)挖后，待土體變形穩(wěn)定后再次測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，然后再進(jìn)行下一層開(kāi)挖。當(dāng)開(kāi)挖至板樁墻前后土體高差為2.5m時(shí)，根據(jù)目測(cè)土體有可能失穩(wěn)，故不再繼續(xù)開(kāi)挖，至此試驗(yàn)結(jié)束。

4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較
1）參照單排鋼板樁計(jì)算理論，把前板樁視為單錨板樁，開(kāi)挖面以上位移按懸臂梁計(jì)算，開(kāi)挖面以下位移用m法計(jì)算；把后板樁看作錨碇板樁，采用m法計(jì)算[6]。取板樁產(chǎn)生最大位移的工況（板樁墻前后土體高差2.5m）進(jìn)行計(jì)算位移和實(shí)測(cè)位移比較。對(duì)于前板樁，如圖2所示，計(jì)算最大位移為68.0mm，位于深度0.95m處，樁尖附近出現(xiàn)微小的反向位移；實(shí)測(cè)最大位移達(dá)95.0mm，位于深度0.65m處，由于試驗(yàn)的原因，在高差2.5m時(shí)前板樁底部位移無(wú)法測(cè)量�？傮w而言，m法計(jì)算前板樁得到位移曲線與實(shí)測(cè)位移曲線形狀相似，但位移值偏小，產(chǎn)生最大位移的點(diǎn)也不相同，但板樁中部深度1.0m至2.0m范圍內(nèi)計(jì)算值與測(cè)量值比較接近。對(duì)于后板樁，計(jì)算最大位移90.0mm，位于樁頂；實(shí)測(cè)最大位移值80.5mm，樁頂及深度1.0m處�？傮w看來(lái)，m法計(jì)算得到后板樁位移曲線與實(shí)測(cè)位移曲線偏差較大，這個(gè)偏差在深度大于0.75m時(shí)尤其明顯。

單排樁的計(jì)算理論認(rèn)為后板樁的幾乎不動(dòng)，對(duì)前板樁起錨碇作用，從實(shí)測(cè)位移看來(lái)，這與實(shí)際情況相差較大。事實(shí)上，由于前后板樁間距較小，后板樁在前板樁墻后土體的主動(dòng)破裂面之內(nèi)，后板樁產(chǎn)生位移后影響了兩排樁之間的土體對(duì)板樁的作用，使得后板樁不能有效錨碇前板樁，致使前板樁產(chǎn)生較大的位移。
2）“剛性攔土墩”法把兩排鋼板樁及它們之間的土體視為整體重力式擋墻。在墻后及墻前土壓力共同作用下，計(jì)算得到最大位移132.0mm，均大于兩排樁的實(shí)測(cè)位移最大值。但從出現(xiàn)最大實(shí)測(cè)位移的深度開(kāi)始，隨深度增加，計(jì)算位移值越接近實(shí)測(cè)位移。
重力式理論不考慮兩排樁之間的土體與板樁的相互作用，認(rèn)為整個(gè)結(jié)構(gòu)是剛性的，兩排板樁有相同的位移，但實(shí)際上，結(jié)構(gòu)的剛度并不是無(wú)限大的，而且兩排樁之間的土體對(duì)后板樁的變形有阻礙作用，后板樁的位移會(huì)小于前板樁的位移。此外，按重力式擋墻計(jì)算理論得到位移最大值出現(xiàn)在墻頂，但由于拉桿的存在，前板樁拉桿附近位移應(yīng)較小，后板樁拉桿附近位移應(yīng)較大，從實(shí)測(cè)位移曲線中可以發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。
5 結(jié)論
從前面的分析可知，不管是采用單排樁計(jì)算理論還是重力式結(jié)構(gòu)理論，各有利弊。采用單排樁計(jì)算理論，前板樁的計(jì)算位移曲線雖然形狀與實(shí)測(cè)位移曲線類似，但位移值卻偏��；對(duì)于后板樁這個(gè)理論并不適用。采用重力式結(jié)構(gòu)理論，后板樁的計(jì)算最大位移值和實(shí)測(cè)最大位移值比較接近，但計(jì)算位移曲線與實(shí)測(cè)位移曲線的形狀不太一致；前板樁的計(jì)算位移曲線與實(shí)測(cè)位移曲線形狀相差較大，位移值也偏小。明確兩排板樁及其之間土體的相互作用關(guān)系是板樁墻位移計(jì)算的關(guān)鍵。
當(dāng)兩排樁間距較小時(shí)，兩排樁之間的土體并沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起太大的作用，結(jié)構(gòu)的工作性狀更接近于懸臂樁，位移計(jì)算采用懸臂樁的計(jì)算理論較為合適；兩排樁間距加大，它們之間有較寬的土體，這些土體自重對(duì)結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作用，此時(shí)結(jié)構(gòu)的工作性狀接近重力式結(jié)構(gòu)，但樁畢竟不是剛性墻，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)與真正的重力式結(jié)構(gòu)相比，有較明顯的柔性，但位移計(jì)算仍可用重力式理論進(jìn)行近似計(jì)算；兩排樁的間距進(jìn)一步加大，內(nèi)排樁前面的土體變形對(duì)外排樁產(chǎn)生的影響不大，此時(shí)后排樁完全可以看作前排樁的錨碇樁，結(jié)構(gòu)的工作性狀接近單錨樁的工作性狀，位移計(jì)算可用單錨樁理論進(jìn)行計(jì)算。
當(dāng)兩排板樁的距離介于三種情況之間時(shí)，樁間土體與樁相互作用很復(fù)雜，難以從一個(gè)模型試驗(yàn)得到明確的答案，它們之間的相互作用關(guān)系需要進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)
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