基于PLAXIS的双排钢板桩变形特性分析

2020-12-09唐晟昊

水道港口 2020年5期

黄建，唐晟昊

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，大连 116023)

双排钢板桩结构施工简单、造价低，近年来在水运工程中的应用越来越广，对于其计算方法的研究也越来越多[1-2]。早在20世纪70年代，日本就已经有了完善的简化计算分析方法[3]。我国在20世纪80～90年代开始，随着《干船坞设计规范》的颁布，双排板桩结构也在水运工程支护、止水结构中得到了越来越广泛的应用，但对于其变形计算及分析仍主要停留在简化计算分析阶段[4-5]。进入21世纪以来，随着计算软件及硬件技术的发展，数值分析的计算方法越来越多的应用于双排板桩的计算[6-8]。本文基于国外某工程的前期工作，通过有限元软件PLAXIS对双排钢板桩结构进行数值分析，探讨其变形特点，讨论结构的适用性及安全性，为下一步工作提供依据。

本工程位于马来西亚东部临海地区，天然地质条件以砂质土为主，护岸结构采用双排钢板桩结构。依据现有资料，本文对比前板桩施工期数值分析结果和现场实测数据，论证计算方法的可靠性及与当地情况的适用性。进一步计算使用期和地震期的位移，使用期波浪力计算等参考中国规范，地震设计参考马来西亚当地规范《MS EN1998-12015(NATIONAL+ANNEX+2017)》[9]。

1 双排板桩结构

双排钢板桩受力情况复杂，既包含桩土作用，又包含板桩间的相互作用。对于双排桩护岸，“双排桩+中间土”作为整体受力体系，共同抵抗向海侧的力和力矩。同时，双排板桩的连接方式也对受力及变形影响巨大。以往的工程实践中，该结构主要用于施工期的临时支护围堰[10-12]。本工程根据要求，采用通过预应力拉杆连接的双排钢板桩结构。

由于场地限制，双排板桩间距不宜超过10 m，同时还有严格的位移限制(施工结束后，使用期的水平向位移最大值小于0.15 m)。设计时通过拉杆预应力的合理使用、板桩间填料的合理控制，合理选择钢板桩桩型，减少结构位移的同时节省造价。

1.1 断面结构

根据前期简化计算结果，前、后排钢板桩采用OZ型冷弯钢板桩，之间通过高强预应力锚杆连接，结构整体变形趋势为向海侧偏移。护岸结构顶标高+3.05 m，码头主体结构由前板桩墙、后板桩墙、拉杆、槽钢导梁、回填料和其他附属结构组成。结构前墙采用OZ31A型钢板桩，腹板厚度12.7 mm，后墙采用OZ28A型钢板桩，腹板厚度11.5 mm，前后墙间距9.00 m。前、后墙板桩底标高为进入岩层0.5 m，顶标高+2.50 m，顶部均设有现浇混凝土胸墙。前桩与后桩由成套高强拉杆相连接，通过36 a槽钢固定兼做导梁，组成完整的结构体系，拉杆直径65 mm，拉杆间距1.35 m。前墙与后墙之间回填粗砂至标高+0.8 m处，其内摩擦角不应小于35°、+0.8 m以上回填砂。

图1 板桩结构断面图Fig.1 Section of sheet pile structure

为防止前墙结构水底冲刷，改善板桩受力条件，减少墙前后土压力差，前墙钢板桩打入后在外海侧地基上设置护底结构：抛填100～ 200 kg块石作为护底，宽度为10 m，顶标高-8.00 m。结构标准断面图如图1。

1.2 计算方法及参数

1.2.1 计算方法及原理

目前，数值分析的方法广泛应用于双排钢板桩结构的计算和分析之中[13]，并且与实际现场的适应性较好[14]，安全可靠。

本工程通过PLAXIS 2D软件，采用数值分析的方法，土体本构模型采用“摩尔-库伦”模型，板桩采用弹性板单元，拉杆采用弹性锚杆单元、间距1.35 m。模型采用15节点平面应变单元，二维建模，单元应力按三维考虑，默认结构纵向无限长。通过桩土之间接触面的设置，有效模拟桩土间相互作用，桩土法向硬接触，切向摩擦接触，界面强度折减因子Rinter取0.67。

PLAXIS中的所有材料模型均基于有效应力变化率和应变变化率之间的关系来建立的。摩尔库伦模型包含5个主要的输入参数：表示土体弹性的杨氏模量E和泊松比ν、表示土体塑性的摩擦角φ和粘聚力c以及衡量土体剪切过程中膨胀或收缩特性的剪胀角ψ。该模型对岩土行为进行了一种近似“一阶”描述。材料刚度可以用杨氏模量E和泊松比ν定义，也可以用剪切模量G及压缩模量Eoed定义。根据弹性各项同性胡克定律，他们之间存在以下关系

1.2.2 计算参数选取

由于资料限制，计算时，不考虑土体剪胀角影响，土体具体计算参数见表1。

表1 土体参数表Tab.1 Soil parameter

1.2.3 网格建立

采用程序自动生成的加密网格，采用三角形网格单元。

1.3 分析阶段设置

为相对准确模拟施工过程，通过以下5个主要的阶段模拟施工过程：(1)打设双排钢板桩；(2)安设拉杆；(3)板桩间初次填料及拉杆预应力施加；(4)护底、板桩间及后方回填，施工期荷载施加；(5)使用期荷载施加及后续回填。

2 施工期工况计算及结果分析

施工期后方考虑施工期车辆荷载15 kPa，分析阶段为1.3中的(1)～(4)。有限元模型如图2所示。

2.1 拉杆预应力大小

计算时，拉杆预应力的施加既不能太大也不能太小。根据当地工程施工及设计经验，预应力在70～80 kN之间，取75 kN。

2.2 计算结果与实际检测数值比较

由于工程现场目前处于施工阶段，且为海上施工。为保证安全性，对结构进行了全面监测。根据目前的检测情况，将已完成并基本变形稳定后的板桩结构段测试结果与理论计算结果对比见图3。

图2 有限元计算模型网格Fig.2 Finite element model grid图3 前排板桩施工期水平位移Fig.3 Horizontal displacement during the construction period of the front row pile

由图可知，施工期前板桩的计算最大位移为0.125 m，实测最大值为0.113 m。前板桩实测变形与数值分析值类似，实测值略小于计算值，分析其原因主要为：现场施工尚在进行中，标准段完成后观测时间较短，大幅度位移虽已完成，但仍有微小位移发生，实测施工期位移尚未达到最大值。根据对比可知：该数值分析法对于该项目实际情况模拟较好，安全可靠。

3 正常使用工况计算及结果分析

正常使用工况考虑回填后结构上部荷载和波浪作用组合的工况，上部荷载采用标准值，波浪力按《港口与航道水文规范》计算，分析阶段为1.3中的(1)～(5)。

3.1 填料改动

回填料及土体的强度参数和变形参数，对计算结果影响很大，如果实际土体指标较差或回填材料较差，将因为变形过大导致结构倒塌或计算不收敛。

同时，板桩间回填料的一次回填高度对于阶段(3)的收敛性影响很大，如果中间回填料过高或拉杆预应力施加不及时，将出现结构计算不收敛或倒塌。因此施工时回填料的回填速率不应太快，严格控制施工期板桩两侧的土压力差，且有效利用拉杆预应力减少总变形。

此外，应优先形成双排钢板桩和中间填料的整体受力体系，若未形成完整受力体系将无法承受后方回填料荷载，计算时出现结构倒塌提示。

3.2 板桩变形

最终确定的断面，在向海侧的合力及合力矩的作用下，前后排板桩使用期的阶段变形如图4。

由图4可知，使用期前后板桩变形类似单排无锚式板桩，板桩最大位移出现在上部。前排最大位移0.13 m，后排板桩最大位移0.12 m，均小于0.15 m，满足要求。同时结合施工期位移得到的总位移如图5。

图4 使用期板桩水平向变形图Fig.4 Horizontal deformation of sheet pile in service period图5 板桩水平向总变形图Fig.5 Horizontal deformation of sheet pile in total

由图5可知，对于板桩的总变形：(1)前排板桩变形介于单锚式板桩和无锚式板桩之间，由于双排板桩间距较小，后排板桩前土体无法提供足够的被动土压力，拉杆作用达不到单锚式板桩的作用效果，前排板桩上部有整体向海侧平移趋势。最大位移为0.23 m，出现于板桩中上部；(2)后排板桩变形近似于无锚式板桩结构或悬臂结构，板桩水平向最大变形约0.3 m。

图6 加速度时程曲线图Fig.6 Acceleration time curve

4 地震工况计算及结果分析

地震工况考虑回填后结构上部的使用期荷载，不考虑波浪作用，上部荷载采用标准值，地震条件参照当地规范。

4.1 地震时程分析

图7 地震工况板桩水平向变形图Fig.7 Horizontal deformation of sheet piles under seismic conditions

时程分析可以综合考虑桩土在地震波作用时的变化特点，本工程根据当地地震规范《MSEN1998-12015(NATIONAL+ANNEX+2017)》[9]得到最大加速度为0.05g，同时根据其反应谱，得到加速度时程曲线。使用PLAXIS软件计算时，结构底部位移x分量指定为-1，y分量为固定值，采用默认的均匀分布。并根据加速度时程曲线(见图6)，导入软件得到模型底部指定位移的动力乘子。