双排钢板桩围堰变形特性研究

司鹏飞，田利勇，张雨剑，孙陆军

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市水务局防汛减灾工程技术研究中心,上海 200061)

双排钢板桩围堰凭借其整体性强、止水可靠、能承受较大变形等特点，克服了传统单排桩支护形式所表现出的顶部水平位移较大、抗弯能力不足等缺点[1]，并在施工手段和经济成本上与单排桩围堰形式相差不大，目前已在港口、市政、水运工程的基坑围护中广泛应用[2-3]。

对于双排钢板桩围堰结构的设计分析，在已有的规范体系中，《钢围堰工程技术标准》是将双排钢板桩看作统一的整体结构，基于土压力理论和经验公式计算其整体稳定、水平抗滑稳定、抗倾覆稳定和内部剪切稳定等结构可靠性指标[4]。《干船坞设计规范》提供了2种计算方法：1)将双排钢板桩看作嵌固于基坑面以下0.5～1.0 m处的悬臂梁，按顶端拉杆处位移相等的条件，计算拉杆拉力和板桩的最大弯矩;2)将内、外钢板桩分别单独处理，按单排钢板桩计算板桩的最大弯矩[5]。但上述2种方法的前提假定均与实际情况存在一定的差异，难以准确反映钢板桩与土体的相互作用以及两排钢板桩之间的受力变形差异，无法给出内外钢板桩的水平位移变形，在结构设计分析阶段存在一定的局限性[6]。特别是当考虑较大挡水高度对围堰结构的影响时，须在规范推荐的经验简化计算方法的基础上，进一步采用更为精确的有限元数值模拟进行研究分析。目前已有一些学者针对双排钢板桩围堰的实际工程进行了有限元的建模和模拟分析工作，旨在验证结构设计的合理性，确保围堰工程满足安全稳定性等规范中的相关要求[7]，但尚缺乏对其影响因素的全面研究。

本文基于有限元数值分析，研究围堰宽高比、钢板桩插入比、钢板桩型号、拉杆布置等控制因素对双排钢板桩围堰结构变形特征的影响，为相关设计工作提供参考。

1 双排钢板桩围堰数值模型

为方便对比研究不同工况下围堰结构的变形规律，选取上海地区具有代表性的围堰横断面及模型网格划分(图1、2)。假定河底高程为0.00 m，临水侧挡水高度为h，堰顶安全超高按规范一般取0.5 m，即钢板桩的出土高度H1=h+0.5，入土深度为H2，围堰整体宽度为B，拉杆距桩顶距离为l。围堰建成后假定陆侧高程为0.00 m，水位降至内侧地面高程下0.5 m。在Plaxis有限元模拟中，根据实际工程情况，双排钢板桩围堰的施工顺序设置为：钢板桩施工→围堰内拉杆施工→回填土施工→陆侧地表降水。模型在左、右两侧边界对土体的水平方向位移进行约束，底部则同时约束土体水平方向和竖直方向的位移。

图1 双排钢板桩围堰横断面

图2 模型网格划分

表1 土体物理力学参数

内、外2排钢板桩均采用U型钢板桩，模型中采用板单元模拟，EI和EA根据所选取的钢板桩型号而定，其中E为钢板桩的弹性模量，I为惯性矩，A为截面面积；泊松比ν=0.3。围堰内钢拉杆采用点对点锚杆进行设置，钢拉杆的直径d=28 mm，轴向刚度EA=123.2 MN/m，水平间距2.0 m，材料类型设置为弹塑性，模拟过程中不允许拉杆承受压力。在有限元数值计算中，通过设置界面接触单元以模拟钢板桩、钢拉杆和土体间的相互作用。

2 模拟结果

2.1 围堰宽高比的影响

双排钢板桩围堰的宽度取值通常根据地基土和填土的情况而变化。根据钢围堰工程技术标准和干船坞设计规范要求，对于双排钢板桩围堰，宽高比建议取值为0.9～1.2。目前对于钢板桩围堰设计的变形控制尚无明确的规范要求，参照上海基坑工程技术标准，一般基坑变形的水平位移须控制在0.7%H1以内，但考虑到临水基坑对周围环境的影响较小，可适当放宽标准，钢板桩围堰水平位移一般可按不大于1%H1控制。

为了研究围堰宽高比对围堰体系变形的影响，选取上海市典型围堰断面，在不同挡水高度情况下，仅改变围堰的宽高比，进行数值模拟分析。钢板桩采用400 mm×170 mm×15.5 mm规格的U型钢板桩，钢拉杆设置距桩顶1.0 m。对于不同挡水高度，围堰超高保持0.5 m，双排钢板桩根据实际工程经验，对应3、4、5 m挡水位时分别采用3.5+5.5、4.5+7.5、5.5+9.5 m的桩长。模拟得到的围堰宽高比对钢板桩水平位移极值的影响作用见图3。

图3 钢板桩水平位移与围堰宽高比关系

由图3a)可知，在3 m挡水位情况下，双排钢板桩的支护效果很好，宽高比达到0.5时便可控制钢板桩的水平位移在0.7%H1以内，当宽高比增大到0.8之后，其对钢板桩水平位移的约束作用便不再显著。由图3b)可知，在4 m挡水位情况下，宽高比达到0.7即可控制钢板桩的水平位移在1%H1以内，水平位移减小到0.7%H1时对应宽高比约为1.0，当宽高比大于1.5之后，钢板桩水平位移便基本不再受到宽高比的影响。由图3c)可知，在5 m挡水位情况下，钢板桩的水平位移相比于低挡水位情况有明显的增加，可以看出想要控制钢板桩的水平位移在1%H1以内对应的宽高比为1.6左右，当控制钢板桩的水平位移在0.7%H1以内则需要围堰宽高比达到2.4，远大于规范中规定的宽高比取值0.9～1.2。

综上可知，围堰宽高比的合理取值与挡水高度有关，不能简单套用规范中的宽高比指标。当挡水高度在4 m左右时，模拟结果表明合适的宽高比取值范围为0.8～1.1。在不同挡水高度的情况下，增加围堰宽高比对控制位移变形是有利的，但当宽高比增加到一定程度后效果便不再明显，因此单纯通过增加宽高比来控制围堰变形是不合理的。

2.2 钢板桩插入比的影响

对于上海地区内河区域，挡水高度通常不超过4 m，所以选取临水侧挡水位为4 m。在前述研究的基础上，选择围堰宽高比为1.0，然后通过保持其他参数不变，仅调整钢板桩的入土深度以研究插入比对双排钢板桩变形的影响作用，结果见图4。

图4 钢板桩水平位移与插入比的关系

由图4可知，陆地侧和临水侧钢板桩的水平位移变化基本一致，在插入比η≤1.5的范围内，随着插入比的增加，钢板桩的水平位移逐渐减小，当插入比在1.1左右时便可控制双排钢板桩的水平位移在1%H1以内，当插入比达到1.5时可保证水平位移小于0.7%H1。而当η> 1.5之后，钢板桩的水平位移便不再受到插入比的影响。目前，许多规范给定钢板桩围堰的插入比建议取值在1.5～2.0之间。根据本文研究结果可知，规范中的建议取值偏安全，可能会到达如图4中所示的平稳段。实际工程中在保证支护结构稳定性的前提下可以适当减小钢板桩的桩长，以节省工程成本。

2.3 钢板桩型号的影响

为探讨双排钢板桩型号的合理选择，挡水高度设为4 m，围堰整体宽高比为1.0，结合前面给出的插入比建议取值，取入土桩长H2=7.5 m，然后保持其他参数不变，仅调整U型钢板桩的型号，以研究其对双排钢板桩变形稳定的影响，结果见表2。

表2 U型钢板桩型号对钢板桩水平位移的影响

由表2和图5可知，陆地侧和临水侧钢板桩均会受到钢板桩型号选取的显著影响，双排钢板桩的水平位移随着钢板桩抗弯刚度的增大而减小。采用400 mm×170 mm型号时临水侧钢板桩的水平位移为30.05 mm，比采用400 mm×100 mm型号时的水平位移减小了63.5%，并能将2排钢板桩的水平位移均控制在0.7%H1之内；而采用500 mm×225 mm型号时临水侧钢板桩水平位移为19.97 mm，相比400 mm×170 mm型号时的水平位移减小39.2%，此时安全余量已经较大。出于对工程安全性和经济性的全面考虑，建议对一般挡水情况下的围堰工程可优先采用400 mm×170 mm型号的U型钢板桩。

图5 钢板桩水平位移与钢板桩型号的关系

2.4 拉杆布置的影响

为保持双排钢板桩的变形协调，通常会在钢板桩之间设置钢拉杆以提升围堰的整体稳定性。目前针对双排钢板桩钢拉杆布置优化的研究分析较少，相关规范中对于拉杆布置数量、拉杆距桩顶距离等具体设置也尚未给出明确要求。基于前述模型设置，即假定挡水高度为4 m，钢板桩出土高度H1=4.5 m，入土深度H2=7.5 m，采用400 mm×170 mm型号的U型钢板桩，围堰高宽比为1.0，研究分析不同拉杆布置条件下拉杆的受力情况及其对钢板桩变形的约束作用。考虑单根拉杆布置的8种工况以及双根拉杆布置的3种工况，模拟计算结果见表3，钢板桩水平位移与拉杆布置的关系见图6。

表3 拉杆布置对钢板桩水平位移的影响

图6 钢板桩水平位移与拉杆布置的关系

由表3和图6共同分析可知，当双排钢板桩之间只布置1根拉杆时，随着拉杆的垂直位置与桩顶距离的增加，临水侧钢板桩的水平位移不断减小；而陆地侧钢板桩的水平位移则呈现先减小后增大的趋势，当拉杆距桩顶2 m左右时，陆地侧钢板桩的水平位移达到最小值，为27.16 mm，此时内外2排钢板桩的水平位移极值基本一致；当拉杆距桩顶大于2 m后，内外2排钢板桩之间的位移差则逐渐增大，不利于围堰的整体变形协调。此外，由表3可知，拉杆距桩顶越远，所承担的拉力作用越大，其功能发挥越充分。从表3可知，布置2根拉杆的情况与布置1根拉杆相比，并未对双排钢板桩的水平位移有明显的进一步约束作用。布置2根拉杆时，距离桩顶较近的拉杆所承受的拉力值较小，未能充分发挥其拉力作用，因此在挡水高度不大的围堰工程中，可优先考虑布置1根拉杆，并在保证围堰整体稳定性的前提下适当降低拉杆的位置。

3 结论

1)在不同挡水高度情况下，双排钢板桩的水平位移随宽高比的增加而减小，当宽高比增大到一定数值时，便难以再对钢板桩的水平位移产生进一步的约束。对于3 m挡水高度，双排钢板桩围堰的安全系数较高，宽高比达0.5即可满足位移限制要求；对于4 m挡水高度，围堰宽高比取0.7～1.5可较好地满足结构安全性与工程经济性要求；对于5 m以上的挡水高度，计算得到的钢板桩水平位移较大，此时需要采取的宽高比值为1.6以上，实际工程中可考虑适当增加钢板桩的插入比并选取抗弯刚度较高的钢板桩型号以满足围堰体系的变形要求。

2)挡水高度在4 m左右时，当插入比小于1.5时，双排钢板桩的水平位移随插入比的增加而减小；插入比超过1.5之后，增大插入比则对围堰水平位移的影响较小。建议插入比取值为1.1～1.5。

3)针对上海地区的常见双排钢板桩围堰工程，挡水高度为4 m左右时，400 mm×170 mm型号的U型钢板桩性价比较高，能够有效控制围堰水平位移，经济性较好。

4)在4 m挡水情况下，双排钢板桩间拉杆的垂向布置存在最优位置。当拉杆布置在最优位置以上时，两侧钢板桩的水平位移均会随拉杆与桩顶距离的增加而减小；而当拉杆处于最优位置以下时，两侧钢板桩的水平位移差会逐渐增大，不利于围堰体系的整体变形协调。此外，布置2根拉杆对围堰水平位移的约束作用不大，挡水高度不高时建议优先考虑只布置1根拉杆。