拉锚式钢板桩护岸结构的土压力现场试验研究

郑雨晴， 刘 军， 张福海， 宗国营， 赵伏田

（1.河海大学土木与交通学院，南京 210098； 2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；3.河海大学安全与防灾工程研究所，南京 210098； 4.连云港市水利规划设计院有限公司，江苏连云港 222000）

近年来，由于我国内河航运事业的飞速发展，在经济较为发达的苏南地区，原本的四级航道已无法满足发展的需求，迫切需要升级为三级航道. 但是在该航道区域范围内普遍存在着征地费用高、征地难或无法征地的问题，相对于传统的浆砌块石、钢筋混凝土护岸结构，钢板桩护岸结构具有施工快、占地面积小等显著优势，因此在该航道区域内具有更高的经济适用性. 随着我国对土地资源的重视和航道的发展，为充分发挥冷弯钢板桩护岸在内河高级航道中的作用，开展钢板桩护岸结构的研究显得越发重要［1］. 在已公开的文献中，关于钢板桩的研究多集中于以下几个方面：就钢板桩的用途而言，多将其应用于基坑和围堰中［2-3］；研究手段多集中于结构设计和数值模拟［4-9］；研究对象主要包括结构的位移变形、防腐、施工工艺等方面［10-12］，其中涉及土压力的相关文献比较少见. 陈玮等［13］通过建立钢板桩围堰，并设置了内支撑，运用有限元软件模拟分析了在危险情况下的钢板桩围堰的变形应力情况，结果表明当钢板桩进入粉质黏土土层深度为2 m时，完全可以满足最小入土深度安全性要求. 刘芳［14］通过室内缩尺模型试验，建立了钢板桩挡墙数值模型来研究钢板桩挡墙在不同位移模式下土压力变化和分布的规律，分析表明，钢板桩的截面形状对墙后主动土压力的分布形式有影响，其影响程度与位移模式有关. Yuta Mitobe等［15］提出了一种新的堤防加固方法，使用钢板桩来防止海啸溢出，通过水力实验，在水平明渠中设置一个路堤模型，在路堤顶部设置一两块钢板，从视频图像中获得了路堤形状和板桩结构的时间变化. 通过附加的固定床试验，从海啸能量降低的角度对加筋后的路堤性能进行了探讨.

土压力分布及大小作为研究和设计护岸结构的重要参数，对其荷载的传递和受力变形机制有着直接影响. 除经典的土压力理论外，国内外大量学者还在此理论基础上，通过室内试验、理论分析、有限元计算，离散元模拟等手段对土压力进行了研究. 然而，这些研究的对象都是平面挡墙（刚性或柔性），钢板桩作为一种典型的柔性支护结构，除了在竖向具有平面柔性挡墙类似的受力性能与变形特征外，在横向还具有波纹状的横截面，这一形状特征会导致钢板桩横向的土压力分布差异也不容忽视. 综上所述，针对钢板桩护岸结构的土压力进行现场试验研究尚未见相同报道. 因此，本文结合实际工程的开展，对钢板桩护岸结构的土压力进行现场试验研究则具有十分重要的实际价值和理论意义.

1 现场试验概况

试验段土层的具体物理力学指标见表1.

表1 土层土体的物理力学指标Tab.1 Physico-mechanical factors of soil layers

岸坡支护设计及现场试验方案如下：护岸结构为拉锚式钢板桩支护结构，桩顶标高为3.80 m，桩尖标高为-6.2 m，桩长为10 m，横截面宽度650 mm，高度480 mm，每延米的截面抗弯模量为1500 cm3/m，钢材强度等级为Q 345. 锚杆设置高程为桩顶以下2.0 m位置处，锚杆长度为22 m，锚固段15 m. 图1为钢板桩试验段测试单元平面布置图.

本次试验共选取试验段测试单元两个，两个试验段单元的监测项目均相同，每个单元的监测内容包括：

1）钢板桩及土体深层水平位移. 钢板桩桩身位移及岸坡土体位移与土压力作用模式密切相关. 为此，用测斜仪对桩身和岸坡土体的深层位移进行观测. 测斜管下端与钢板桩桩底位于同一标高，测斜管顶端高出桩顶或土体表面0.5 m.

图1 试验段平面布置图Fig.1 Layout chart of test section

2）钢板桩界面土压力. 为研究钢板桩两侧的土压力作用，在钢板桩两侧不同深度处安装土压力计与应变计. 测试仪器为XP-02型振弦式频率计，土压力计型号为TYJ-A，应变计型号为EBJ-A. 根据测点布置部位与钢板桩打设深度确定预留导线的长度. 传感器的安装工序为：①开孔及定点.②焊接传感器. ③绑扎电线. ④焊接保护槽钢. ⑤装线完成安装. 试验桩上的土压力计及应变计应在钢板桩打设前一个星期内完成安装，随钢板桩一起打入土体的传感器预留一个月的稳定期. 现场试验选取桩的土压力计与应变计埋设及布置见图2.

本试验建立在实际工程之上，试验数据的测试遵循施工进程的安排，针对本实际工程，进程如下：①搭设钢板桩施工导梁，施打钢板桩；②开挖钢板桩附近土体至锚杆施工高程；③打设锚杆并完成预应力张拉；④开挖土体和拆除原混凝土挡墙驳岸；⑤土体开挖至设计标高，疏浚航道.

图2 土压力计的监控点布置Fig.2 Monitoring points for earth pressure cell

图3 不同变位模式钢板桩挡墙轴线位置土体深层水平位移Fig.3 Horizontal displacements of soil at the axis of retaining wall with different wall-movement modes

2 监测结果及分析

2.1 柔性钢板桩挡墙变位模式研究

通过对两个单元的四根板桩的横向轴线位置进行土体深层水平位移测量，得到两种典型的板桩变位模式（定义为D1、D2），图3为两种变位模式的钢板桩挡墙轴线位置土体深层水平位移图. 从图中可以看出：D1型变位模式为绕桩底转动的变位模式，最大水平位移均在桩顶，数值为6.49 mm；D2型变位模式为典型的鼓形变位模式，最大位移位于距桩顶5.0 m高程处，数值为9.61 mm.

2.2 柔性钢板桩挡墙竖向土压力分布特性研究

支护结构土压力的大小是支护结构各部分与土体及外界因素共同作用的反应［16］. 土压力值的大小与支护结构的变位模式、土体位移大小密切相关. 大多数情况下支护结构并未达到相应的极限状态，可认为土体开挖过程处于一种动态平衡状态，随时间增长和土体的卸荷变形，最终对土压力的大小及分布产生影响［17］.

图4、图5分别为钢板桩背水侧和迎水侧的土压力实测值和计算值随深度变化图. 图中的规范值是根据《码头结构施工规范》［18］中推荐的计算方法求得. 从图中可以看出：D1型钢板桩背水侧的土压力整体呈现土压力值逐渐增大的非线性分布，其中上部（-6 m 高程以上）的土压力的实测值与规范主动土压力值较为接近，桩-8 m高程处的土压力实测值介于主动土压力值与静止土压力值之间，桩底部的土体位移几乎为零，土压力实测值和静止土压力值基本相等. D2型钢板桩背水侧的土压力整体呈现先增大后减小再增大的R型分布，-6 m高程以上的土压力值的大小及分布规律与D1型钢板桩相近，-8 m高程处的土压力小于主动土压力，底部的土压力值略大于静止土压力，这是由于板桩呈现鼓型变位所产生的土拱效应所导致. 不同于钢板桩背水侧的土压力分布，不同变位模式的钢板桩迎水侧土压力均呈现两头大中间小的C型分布，土体位移远没有达到被动极限状态所需的位移，土体处于非极限状态. -6 m高程处的土体接近于开挖面，受到板桩的挤压作用，因而桩承受更大的土压力.

图4 钢板桩背水侧土压力沿桩身分布规律Fig.4 Rules of earth pressure distributions at bank side of steel sheet pile

图5 钢板桩迎水侧土压力沿桩身分布规律Fig.5 Rules of earth pressure distributions near water side of steel sheet pile

通过以上分析可以看出，柔性钢板桩主动侧的土压力分布不仅与土体位移大小有关，板桩的变位模式也会对其产生较大影响. 而迎水侧的土压力分布的主要决定因素为土体位移大小，板桩变位模式的影响较小. 鉴于安全考虑，建议在柔性钢板桩护岸结构设计中主动侧的土压力值采用静止土压力值，迎水侧的土压力值采用被动土压力值.

2.3 钢板桩临水侧土压力值随时间变化规律研究

图6为钢板桩迎水侧土压力值随时间变化图. 在钢板桩护岸结构整个施工过程中土压力表现出三个典型的变化阶段：①钢板桩打入土体后的动荡期，当钢板桩通过振动机械打入土体后的较短时间内，钢板桩上的土压力计测值出现失真，不能真实反映实际土体的土压力值，原因是打桩过程中桩两侧的土体受到了较大振动，经过一段时间的稳定后土压力测试数据回复正常，其中板桩底部的土压力计影响最为明显；②土体开挖过程中的发展期，在这个阶段，钢板桩迎水侧不同高程处的土压力测值主要受土体开挖过程引起的卸载变形影响，其中不同-6 m、-8 m高程的土压力测值均呈现一定程度的增长，这主要是因为上部土体开挖造成了水平位移值的增大，而桩底部的土压力值却有所减小，其主要原因为上部土体开挖并没有造成相应水平位移值的增加，反而是上部荷载明显减小. ③施工完成后的稳定期，在护岸结构完成施工后，板桩不同高程处的土压力值经过一段时间的微小变化后最终均趋于稳定.

图6 迎水侧土压力计监测曲线Fig.6 Testing curves of earth pressure cells near water side

2.4 钢板桩挡墙横向土压力分布特性研究

曾利军、Xiong Baolin、Tan［19-22］等通过对基坑工程中钢板桩支护结构的土压力进行监测，发现钢板桩横向土压力分布不均匀，钢板桩土压力监测时必须同时考虑凹处和凸出. 刘芳等［14］在此基础上通过有限元计算研究帽型钢板桩的截面形状对墙后主动土压力的影响，通过建立钢板桩挡墙数值模型，研究挡墙在不同位移模式下的土压力变化及分布规律，并提出了形状效应的可能影响因素及机制，该文认为墙后凹处与凸出的土体产生相对位移使相邻两侧土体产生指向墙体的摩擦力，从而形成如图7所示的应力土拱是导致凹凸处土压力差异的直接原因.

通过前人的研究可以发现，钢板桩挡墙后方凹凸处土体的位移差异是导致土压力横向分布不均的根本原因. 表2给出了不同变位模式钢板桩不同深度位置凹凸处土体位移大小及差值. 从表中数据可以看出，不同变位模式的钢板桩不同深度位置凹凸处位移差值的大小有所不同，但横向凹凸处位移差值的最大值位置与板桩深层水平位移的最大值位置相对应，D1型钢板桩凹凸处位移差值的最大值位于桩顶位置，大小为2.54 mm，D2型钢板桩凹凸处位移差值的最大值位于-6 m高程处，大小为7.54 mm，说明板桩变位模式对于板桩不同深度位置的横向土压力分布也存在较大影响.

图7 墙后土拱形成示意图Fig.7 Sketch of soil arching

3 结论

表2 凹凸处土体位移大小及差值Tab.2 Soil displacements and differentials at concave and convex surfaces

1）拉锚式钢板桩护岸结构表现出两种典型的变位模式：绕桩底转动和鼓型变位. 不同变位模式下，钢板桩背水侧主动土压力分布规律差异明显，前者变现为土压力值逐渐增大的非线性分布，后者变现为先增大后减小再增大的R型分布，钢板桩迎水侧土压力分布规律相近，均呈现两头大中间小的C型分布.

2）钢板桩临水侧土压力测试值在经历打桩阶段的动荡期和开挖阶段的发展期后趋于稳定，最终实测值介于主动土压力与静止土压力之间. 鉴于该实际工程中钢板桩作为永久性支护结构，故进行保守设计，建议背水侧采用静止土压力值，迎水侧采用被动土压力值.

3）钢板桩凹凸不同的截面造成板桩横向土压力分布存在差异，其主要原因为板桩凹凸处的土体水平位移值不同所引起的应力土拱. 通过实测，板桩不同高程处凹凸点水平位移差值不同，板桩的变位模式对不同高程处的横向位移差影响较大，横向水平位移差最大位置与竖向水平位移最大位置相一致.