刚性桩复合地基沉箱挡土结构数值模拟分析

田利勇，张雨剑，鄢亚军

(上海市水利工程设计研究院有限公司， 上海 200063)

上海市土地资源稀缺，围海造田是解决用地需求的重要工程手段。在高滩围垦岸线资源日趋紧张的情况下，在具备施工条件的浅海低滩开展围垦工程已经成为拓展城市版图的重要方法[1]。低滩围垦的地质条件和施工方法较高滩围垦有较大区别，因此围堤的结构形式也需要进行新的探索[2-3]。

沉箱结构在海港工程中运用十分广泛，近年来也被应用于圈围工程，可适用于低滩地区圈围工程。上海地处软土地区，沉箱结构由于上部结构荷载大，天然地基承载力及沉降位移变形较难满足要求，需对地基基础进行加固处理。本文针对上海某实际工程提出了一种刚性桩复合地基沉箱挡土结构，为验证该结构的安全性，通过PLAXIS有限元分析软件，使用HSS模型对该结构进行了数值模拟，分析了其沉降、变形及内力。

1 刚性桩复合地基沉箱挡土结构设计

本工程岸线处滩地高程约为-6.0 m(上海吴淞高程，下同)，根据防洪要求，围堤堤身高度近16 m。根据地质勘察成果揭示，拟建围堤沿线的地基浅表层分布为厚达10 m～15 m的高压缩性、高灵敏度软弱土层。为确保围堤稳定、变形可控、施工可行，本文提出一种刚性桩复合地基沉箱挡土结构，具体设计如下。

1.1 沉箱结构

沉箱采用钢筋混凝土矩形结构，沉箱底板宽度(垂直堤身方向)18 m，沉箱分段长度(顺堤身方向)15 m。沉箱顶部高程在满足施工水位要求的前提下，尽量降低，设为4.50 m。沉箱结构底板厚0.7 m，临水侧前趾宽1.0 m，临土侧后踵宽1.0 m。沉箱临水侧外壁厚0.5 m，其余三侧外壁厚0.35 m，每个沉箱内部被分隔为12个空箱，沉箱间垂直缝宽50 mm，箱体间采用对接头型式。单个标准沉箱体重约1 500 t。

1.2 上部防浪墙结构

沉箱临水侧顶部设置现浇钢筋混凝土防浪墙。防浪墙底板厚1.5 m，沉箱深入底板0.5 m，底板宽4.75 m，墙顶高程为11.0 m。墙身后侧设置10 m宽堤顶平台，其上布置防汛道路。为确保高潮位期间反向渗流稳定，堤顶后侧采用约1∶7缓坡放坡至围内场地标高。

1.3 反滤层设计

沉箱后侧设置减压排水棱体，排水棱体顶标高4.0 m。上方铺设反滤层。反滤层由0.5 m厚二片石、0.5 m厚级配碎石及400 g/m2无纺土工布组成，三种材料的界面坡度分别为1∶1、1∶1.25及1∶1.5。

1.4 护滩设计

在沉箱结构前侧布置25 m范围的抛石，顶标高-3.5 m～-4.5 m，厚度约2.5 m～1.5 m，抛石底部铺设砂肋软体排。抛石前方布置10 m范围的混凝土连锁块余排。

1.5 地基处理

本工程堤身结构竖向尺度达16 m，经计算基础底部平均应力高达300 kPa，天然地基承载力及沉降量都明显不能满足规范要求。通过施工可行性和经济性比较，采用B型PHC管桩进行地基处理，见图1。从前(临水侧)至后(临土侧)布置12排，采用等边三角形布置，桩间距3 m。第1排桩长17 m，桩径1 200 mm；第2～9排桩长17 m，直径1 000 mm；第10～12排桩长15 m，桩径1 000 mm。末排桩基后侧布置10排15 m长塑料排水板，间距1.5 m。

1.6 基床和褥垫层

在竖向力和水平力联合作用下，为充分发挥刚性桩复合地基中土的承载能力，可以在承台下铺设褥垫层，以实现桩、土共同承受荷载的目的。且由于本工程施工条件不利于将沉箱和桩基进行刚性连接，故采用设置褥垫层的过渡方式来解决两者间的受力传递问题。褥垫层底部采用300 mm碎石，上部再设置1 000 mm厚抛石。

刚性桩复合地基沉箱挡土结构设计断面见图2。

图1 标准段桩位布置图

图2刚性桩复合地基沉箱挡土结构断面图

2 有限元模型建立

刚性桩复合地基沉箱挡土结构是一种竖向、水平荷载联合作用下刚性桩复合地基(沉箱-褥垫层-桩基)结构体系，结构受力及传力体系比较复杂。近年来南文文[4]、刘汉龙等[5]、郑刚等[6]、刘光磊等[7]、梁发云等[8-9]对刚性桩复合地基在水平荷载作用下的承载性能进行了分析研究，其中有限元分析是一种比较实用可行的分析方法，本文将采用PLAXIS有限元分析软件对其开展分析研究。

2.1 土的本构模型选择

用于岩土工程数值模拟的常见弹塑性土体本构模型有摩尔-库仑(MC)模型、基于MC模型修改的德鲁克-普拉格(DP)模型、修正剑桥(MCC)模型、应变硬化(HS)模型[10]、小应变硬化(HSS)模型等[11]。与上述其他本构模型相比，HSS(Hardening Soil Small-strain, HSS)模型可以反映土的硬化特征，并且可以体现应力历史和应力路径对土体变形的影响[12-14]，故采用HSS模型进行土体结构模拟。与HS模型相比，HSS模型增加了两个小应变特征参数，分别为小应变试验初始剪切模量G0和割线剪切模量降低至初始剪切模量的70%时所对应的阈值剪应变γ0.7。其余参数与HS相同，包括：

表1 土体HHS模型参数表

2.2 桩结构与界面单元模型

PLAXIS软件在岩土工程分析中有着十分广泛的应用。在实际工程案例中，通常使用板单元模拟板壳类混凝土结构，如挡墙、基础(筏板)及其他可以等效成板类的土工结构。建模时在板的属性中输入等效的重度、弹模等参数，并通过板单元的激活和关闭实现不同施工工况的模拟。

PLAXIS软件支持对桩单元的定义，本文采用Embedded pile单元实现对桩基础的模拟。Embedded pile单元为简化桩模型，桩侧摩阻力及桩底反力根据地勘资料输入到单元参数中，这样可以在模拟计算中较为方便的得到桩身轴力及侧摩阻力。

PLAXIS通过使用满足库仑准则的界面单元实现土与结构的相互作用，具体分为弹性阶段和弹塑性阶段：

当界面处于弹性阶段时，

τ<σntanφi+ci

(1)

当界面出现塑性时，

τ=σntanφi+ci

(2)

式中：φi和ci分别为界面的摩擦角和黏聚力。界面单元的强度属性与土体的参数有关，界面单元的强度由土体的参数和折减因子(Rinter)决定。

2.3 计算模型与网格划分

计算模型垂直方向深度为60 m；水平方向宽度为130 m。土体设置为等三角形15节点单元，沉箱及挡墙结构选用板单元建模，桩基础使用桩单元建模。通过单元的开关模拟施工步骤。网格划分后的有限元模型见图3。

3 计算结果分析

3.1 总体沉降分析

完工阶段的沉箱挡土结构沉降模拟结果见图4，根据计算结果可知，圩内填土沉降值控制在了900 mm以内。并且由于沉箱后侧桩基的作用，圩内与堤身的沉降差得到了良好的过渡。

图3计算模型网格划分图

图4总体垂直位移云图

3.2 沉箱结构变形分析

沉箱底板位移见表2。根据计算可知，沉箱底板最大沉降发生在前沿，为198.3 mm；最小沉降发生在后沿，为169.1 mm；沉降差为29.2 mm。底板水平位移为85.7 mm。底板最大沉降值及沉降差均满足相关规范及使用要求。

表2 沉箱底板位移表

沉箱前墙位移见表3。根据计算可知，前墙垂直沉降量为196.2 mm。前墙顶部水平位移最大，为106 mm，前墙底部水平位移最小，为85.9 mm，不均匀水平位移值为20.1 mm，竖向倾斜率为1.91‰。前墙倾斜变形较小，可满足相关规范及使用要求。

表3 沉箱前墙位移表

3.3 桩基变形分析

桩顶位移计算结果见表4。根据单桩变形分布模拟结果可知，单桩最大水平位移均发生在桩顶处，其中最大值为73.3 mm，发生在第7排(底板下方倒数第2排)桩。

表4 桩基位移、弯矩表

3.4 桩基内力分析

桩基弯矩计算结果见表4。根据计算可知，首排桩由于受沉箱前被动土压力作用最为突出，所承受的负向弯矩最大，达到1 633.5 kN·m，该排桩采用Φ1200B型PHC管桩，桩基抗裂弯矩为1 668 kN·m。其余桩基均采用采用Φ1000B型PHC管桩，桩基抗裂弯矩为1 003 kN·m，其中末排桩由于受圩内吹填土主动土压力作用最为突出，所承受的正向弯矩最大，达到708.9 kN·m；最大负弯矩出现在第3排桩，为832.2 kN·m。综上，该结构桩基承载力均满足要求。

4 结 论

(1) 沉箱挡土结构受圩内填土影响，总体呈现水平前移及墙体前倾变形。沉箱前墙底部最小水平位移量为85.9 mm，前墙顶部最大水平位移量为106 mm，水平位移差为20.1 mm，竖向倾斜率为1.91‰；沉箱底板前沿沉降量为198.3 mm，后沿沉降量为169.1 mm，沉降差为29.2 mm；沉箱总沉降量、沉降差及倾斜度均可满足正常使用要求。

(2) 沉箱挡土结构首排桩受墙前被动土压力作用最突出，所承受的负向弯矩最大；末排桩受圩内吹填土主动土压力作用最突出，所承受的正向弯矩最大。结构各桩基内力均满足承载力要求。

(3) 本文结合上海软土地区特点，提出的采用带褥垫层的刚性桩复合地基沉箱挡土结构在运行期间位移变形及结构内力均可满足要求，结构形式基本合理可行，为软土地区深水圈围工程提供一种新的结构形式，具有一定的应用前景。