灌注排桩支护对大孔径活动堰结构计算的影响

费照骅， 李 昱， 吕 犇， 郑宏伟

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司， 江苏 苏州 215103)

闸室底板作为整个闸室结构的基础，是全面支承在地基梁上一块受力条件复杂的弹性基础板。此结构体系严格上应按照空间问题对其应力分布进行分析，不过此计算较为繁琐，工程上常采用“截板成梁”的方法对将其简化为平面问题，采用相应的有限元计算软件按弹性地基梁法对底板弯矩进行计算[1]，从而选定合适的底板结构尺寸。

河道控导工程基坑一般采用边坡开挖的方式进行施工，该施工方式需要足够的施工场地区域。苏南地区经济发达，河道施工影响范围内可能存在无法拆迁的房屋或者重要管线，需采用灌注排桩等基坑支护方式减小河道开挖影响范围。闸室结构应力主要受几大因素影响，包括：填土边载、地下水位、地质情况等。不同的基坑开挖方式，作用的边载也不同，且荷载的传递还会受灌注排桩支护的阻隔作用[2]。对于大跨径节制闸而言，闸室底板厚度越后，边载的荷载效应越明显[3]，支护方式对于闸室结构应力影响越大。本文以太仓市主城区28 m活动堰为例，采用二维数值模拟的方式，比较了不同基坑支护方式下活动堰底板的弯矩，研究表明，采用灌注排桩支护的方式可以有效较小底板弯矩；灌注排桩对边载的阻隔作用随着桩长的增大而增大。

1 工程概况

太仓市主城区水质提升控导工程是太仓市主城区畅流活水工程之一，是保障入城水质、实现入城水量可控的重要工程，是满足“二环”内主城区先期活水需求的核心内容之一。控导工程将对十八港东岸及盐铁塘东岸现状敞开的口门新建控制建筑物，使杨林塘水可通过十八港、湖川塘流向西南部的中心城区而不往东流失，满足引水期间目标区域的水动力提升要求。按实施主体不同，14座活动堰分为5座水务局实施项目和9座高新区实施项目，其中水务局实施项目包括：洙泾河、湖川塘东、城北河活动堰单孔净宽均为28m。本文拟对洙泾河及城北河活动堰的结构计算进行分析。

洙泾河河活动堰实施范围内地形开阔，无制约因素，可采用边坡开挖的方式进行基坑施工；城北河活动堰南北侧存在市政道路，无法采用常规的基坑开挖方式，经方案论证，拟采用灌注排桩支护及放坡相结合的方式，具体如图1所示。

图1 活动堰基坑支护方案示意图

2 数值模拟计算

2.1 计算方法

节制闸结构计算是在各土层土质均匀的前提下进行[4]。计算按平面有限元的思想，用AutoBank建模进行计算。

2.2 计算假定及边界条件

(1)闸室可简化为“U”型结构进行计算[5]。

(2)活动堰稳定计算是在各土层土质均匀的前提下进行[6]。

2.3 计算荷载的选取

根据规范规定，闸室主要承受的水平荷载为顺水流方向的水压力、地震动水压力、地震惯性力等；竖向力主要有结构自重、水重、扬压力等[7]。

3 计算结果分析

通过各工况计算分析发现，完建期活动堰底板弯矩最大，为活动堰底板结构设计的控制工况，弯矩分布如图2、图3所示。由计算结果可知，洙泾河活动堰完建期最大弯矩为3 610 kN·m，城北河活动堰完建期最大弯矩为2 190 kN·m，对于同一净宽的闸室底板而言，采用不同基坑施工方闸室底板内力相差较大，结构尺寸也可相应调整[8]。

图2 洙泾河活动堰底板弯矩图(完建期)

图3 城北河活动堰底板弯矩图(完建期)

“弹性地基梁法”计算闸室底板结构内力时，主要依靠底板下土层来传递边载的荷载效应[9]。闸室底板内力的大小取决于各作用在闸室结构上的荷载、空箱侧回填土的边载以及地板下土体的性质[10]。当基坑采取灌注排桩支护时，回填土的边载减小，回填土对于地板下土体的约束变形影响受灌注排桩的限制相应减弱，即边载对底板周边的荷载效应受到排桩的阻隔，所以对于相同跨径的活动堰，底板弯矩却相差悬殊，底板结构也可进行相应优化。

4 灌注排桩长度对于底板内力的影响分析

为了更准确地研究灌注排桩对大孔径活动堰内力的影响，本文拟在相同地质及荷载条件下，研究采取不同长度的灌注排桩支护时28 m活动堰底板内力变化情况，结果如图4所示。(为了对比灌注桩对边载的影响，同时计算了无边载且不采用灌注桩支护的工况)

图4 不同长度的灌注排桩支护时底板弯矩图

由图4可知，采用灌注桩支护方案时，底板面层最大弯矩值开始减小，这是因为灌注桩支护开始阻隔边载对土体所产生的变形而传递到地板上的荷载效应，随着灌注桩长度的增长，这种阻隔效应更明显。当桩长到达20 m时，底板面层弯矩值为529 kN·m，与无边载时的底板面层弯矩值靠近，可以认为边载的荷载效应已经基本被灌注桩挡墙所阻隔。

对于大跨径的底板而言，其结构尺寸主要受内力计算结果所控制，其中又以底板面层弯矩最为重要。当活动堰受环境因素所限需要采取灌注排桩的基坑支护方式时，应具体分析不同桩长时底板内力情况，从而采取合适的排桩长度，从而减小地板尺寸，优化结构内力。 底板结构的优化， 一方面可以节省混凝土的方量，另一方面可以减少大体积混凝土浇筑的温控措施费，节约整体的工程投资。

对于灌注排桩而言，桩长越长，支护成本越高，故应该对整体施工支护方案进行综合计算比选，采用合理的桩长，既能优化底板结构内力，减小底板尺寸，又能节约工程投资。

5 结 论

(1)基坑开挖采用灌注排桩支护时能显著减小大跨径底板的面层弯矩，有利于底板结构的优化。

(2)采用的灌注排桩桩长越长，对于结构内力优化效果越明显。

(3)实际工程运用中如需采用灌注排桩的基坑支护方式，宜通过计算的方式确定合适的灌注桩长度，既对底板内力结构进行优化，又节约投资。