软土地区双排钢板桩围堰计算分析

张学林，刘学智，朱少坤

（珠江水利委员会珠江水利科学研究院 广州珠科院工程勘察设计有限公司，广州 510611）

目前，双排钢板桩结构一般仍采用以经验为主的半理论、半经验设计计算方法[1～4]。针对双排钢板桩围堰结构的土压力分布情况、土体滑裂面对土压力的影响、连梁（拉杆）的协调作用、桩土相互作用等方面的特点，主要有地基梁法、比例系数法、等效抗弯刚度法和有限元法等计算模型和方法[5]。

结合广州市南沙区某泵站工程外江双排钢板桩围堰，本文采用经典土压力理论方法，利用理正深基坑软件，对双排钢板桩围堰的桩间距、抗滑移、抗倾覆以及整体稳定安全系数进行计算分析，为类似工程计算提供参考。

1 双排钢板桩围堰简化计算方法

1.1 单排钢板桩+锚杆模型

将双排钢板桩围堰分为前排桩（背水侧）、后排桩（迎水侧）和拉杆（仅受拉力）3 个构件，并将前排桩和拉杆看作单排钢板桩+锚杆模型[6]，将双排钢板桩围堰中间填土、后排桩以及水体整体看作土体，迎水侧看作挡土侧，背水侧为基坑开挖侧，采用理正深基坑软件进行模拟计算，锚杆内力计算采用弹性法“m”法，计算结果中锚杆自由段的长度即可认为是拉杆的长度，也可认为是双排钢板桩围堰的桩间距。模拟计算时假定锚固段的锚固力很大，锚固体不会被拔出，以保证锚杆能够提供足够大的拉力以模拟双排钢板桩围堰内部拉杆的受力状态。单排钢板桩+锚杆计算模型如图1所示。

图1 单排钢板桩+锚杆计算模型

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012），锚杆的自由段长度（拉杆长度）可按下式确定。

式中：lf为锚杆的自由段长度，m；α为锚杆的倾角；d为挡土构件的水平尺寸，m。

1.2 重力式水泥土墙模型

将双排钢板桩围堰整体看作重力式水泥土墙结构，采用瑞典条分法计算稳定。将钢板桩围堰迎水侧看作挡土侧，背水侧为基坑开挖侧，将水泥土墙迎水侧支挡土层参数设置为水的材料属性，并将土压力计算方法设为主动土压力来模拟静水压力[5]。采用理正深基坑软件计算重力式水泥土墙的抗滑移稳定、抗倾覆稳定以及整体稳定安全系数，即分别为双排钢板桩围堰的抗滑移稳定、抗倾覆稳定以及整体稳定安全系数。重力式水泥土墙计算模型图如图2所示。

图2 重力式水泥土墙计算模型

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012），重力式水泥土墙的抗滑移稳定性、抗倾覆稳定性和整体稳定计算应符合下式规定：

（1）抗滑移稳定性计算

式中抗滑移安全系数Ksl不应小于1.20。

（2）抗倾覆稳定性计算

式中抗倾覆安全系数KOV不应小于1.30。

（3）整体稳定计算

重力式水泥土墙按下式规定采用瑞典条分法进行圆弧滑动稳定性验算。

式（4）中Ks为圆弧滑动稳定安全系数Ks不应小于1.30。

2 工程概况

2.1 双排钢板桩围堰方案

广州市南沙区某泵站工程位于南沙区大岗片区河口处，泵站出口需要进行破堤施工，在泵站出口外江中布置双排钢板桩围堰与现状堤防形成封闭挡水结构。双排钢板桩围堰采用拉森式SP-Ⅳ钢板桩，单根桩长15.00 m，穿透淤泥层，进入粉质黏土层，前、后排钢板桩顶高程均为9.00 m，双排钢板桩间距为5.00 m，在高程8.00 m处设置一排拉杆，采用Φ50 钢拉杆，间距为2.00 m，两排钢板桩之间回填砂，填至8.50 m 高程，沿钢板桩内侧敷设土工膜进行防渗，围堰两侧采用砂袋反压，现状地面高程为5.50 m。双排钢板桩围堰结构剖面如图3所示。

图3 双排钢板桩围堰结构剖面

2.2 工程地质条件

工程区地貌特征属珠江三角洲海陆交互滨海河流冲积平原地貌单元，经过多年围海造田，区内地势平坦开阔，水系发达，河涌较多。工程区位于广州断陷盆地的南端，上部覆盖层为第四系海陆交互相沉积物，下部基岩为燕山期花岗岩。场地内主要出露地层有淤泥层、淤泥质土层、粉质黏土层、粉细砂层、中粗砂层、全风化花岗岩、强风化花岗岩和中风化花岗岩。

2.3 计算参数

根据勘察资料，岩土体参数取值如表1所示，拉森式SP-Ⅳ型钢板桩材料指标如表2所示。

表1 岩土体参数取值表

表2 拉森式SP-Ⅳ型钢板桩材料指标

3 结构计算分析

双排钢板桩围堰结构内力及稳定性采用理正深基坑软件进行计算，按照围堰结构实际尺寸建模，计算水位取10 a一遇设计水位7.92 m。

3.1 钢板桩围堰宽度计算

按单排钢板桩+锚杆模型计算围堰宽度，计算模型中锚杆的倾角α 取0°，锚杆的锚头中点至基坑底面的距离a1取2.50 m，挡土构件的水平尺寸d取0.40 m。考虑基坑侧进行一次性开挖，开挖至5.50 m 高程处，按单排钢板桩+锚杆模型计算钢板桩围堰宽度，计算结果如下：钢板桩水平位移最大值为17.85 mm；弯矩为152.12 kN·m，钢板桩应力：σ=M/W=152.12×106/（2200×103）=69.14N/mm2＜[σ]=215 N/mm2，满足钢板桩材料要求。锚杆自由段的长度计算结果为5.00 m，即双排钢板桩围堰宽度为5.00 m，满足《钢板桩工程手册》中“为了避免发生倾覆和滑移破坏，围堰宽度不应小于挡水或挡土高度的0.8倍”的要求。

3.2 钢板桩围堰稳定计算

按重力式水泥土墙模型计算双排钢板桩围堰的稳定性，水泥土墙按实心墙考虑，基坑深度取3.50 m，水泥土墙宽度取5.00 m，一次性开挖至基坑面深度处。

本工程双排钢板桩围堰作为临时支护结构，安全等级视为二级，重要性系数为1.00，围堰的整体稳定性计算采用瑞典条分法。采用理正深基坑软件计算，计算结果为：围堰抗滑移稳定性安全系数Kh=1.469＞1.20，围堰抗倾覆稳定性系数KQ=1.497＞1.30，围堰滑裂面整体稳定安全系数Ks=1.679＞1.30。因此，钢板桩围堰的稳定安全系数均满足规范要求。

3.3 结果分析

（1）从单排钢板桩+锚杆模型计算结果可看出，钢板桩的计算结果应力值远小于其材料本身允许应力值，表明该模型计算没有充分利用钢板桩材料特性。

（2）对比其他研究成果可发现，采用理正深基坑软件按单排钢板桩+锚杆模型计算围堰宽度，钢板桩结构的水平位移计算结果偏小，这是由于该模型计算时忽略了双排钢板桩结构的整体性以及桩土相互作用下受力与变形的协调性。

4 结语

本文结合珠江三角洲某泵站工程外江双排钢板桩施工围堰，将其简化成“单排钢板桩+锚杆模型”和“重力式水泥土墙模型”，利用理正深基坑软件对围堰的宽度和稳定安全系数进行计算分析，计算方法可为今后类似工程设计提供一定的参考。

由于理正深基坑计算采取的单排钢板桩+锚杆模型假定锚固段的锚固力很大，锚固体不会拔出，忽略了双排钢板桩结构的整体性以及桩土相互作用下受力与变形的协调性，结构的水平位移计算值偏小。

随着双排钢板桩围堰的广泛应用，采用理正深基坑软件可快速计算出双排钢板桩围堰的宽度和稳定安全系数，适用于初定双排钢板桩围堰设计方案阶段，后期建议采用有限元计算方法对设计方案进行优化。