近海工程钢板桩围堰受力及变形分析

2023-11-22肖萌沈佳琳黄泽华温珊珊官大庶田超贤

珠江水运 2023年21期

◎ 肖萌沈佳琳黄泽华,2 温珊珊,2 官大庶田超贤

1.广东水利电力职业技术学院市政工程学院；2.嘉应学院土木工程学院；3.中铁建设集团华南分公司

1.前言

在内陆地区钢板桩围堰常用于基坑支护[1-2]、综合管廊与地下隧道的建设中起到良好的止水和围护作用。在近海工程中常用于船坞的修建、海上工程桩、海底隧道的修建中，是一种非常常见的围护结构。由于近海工程施工环境相对恶劣，对围护结构的变形与受力控制相对严格，为保证施工的正常进行，施工过程把控就显得十分重要。

对于基坑等围护结构，不少学者做了大量的研究。李宝平[3]通过工程实例比较了不同阶段、不同开挖深度下桩锚支护结构系统支桩的水平位移。张培印等[4]采用有限元数值分析方法，探讨了流固耦合作用与坑内预留反压土作用对基坑围护结构变形的影响。龚东庆[5]对基坑开挖造成的变形进行了评估其评估了开挖导致的围护结构变形和地表沉降。

近海工程钢板桩围护结构从变形与受力原理上与基坑围护结构类似，但考虑的影响因素不尽相同。郭绍曾等[6]对海底土体进行了分析，对桩靴的插入时产生的挤土效应进行了具体的分析，从而在桩身应力的评估中找出了桩靴插入深度对桩稳定性的影响情况。彭文勇等[7]以某大桥工程项目为例，采用空间有限元法计算结合现场实测，对深水桥墩钢板桩围堰深层水平位移预警值进行研究。罗毅等[8]以深圳海滨大道一期A段海底隧道工程为背景，利用PLAXIS数值模拟软件建立有限元模型，系统地研究了海域双排钢板桩围堰与明挖基坑变形特性及相互影响规律，分析了围堰与基坑距离、基坑内支撑形式及基坑开挖步序等因素对钢板桩围堰变形的影响。

本文对近海工程中钢板桩围堰在施工过程中的受力与变形控制进行研究。分析从降水、建立内支撑、开挖淤泥等不同施工工况下的土体、钢板桩与内支撑支护体系的变形与受力影响因素。通过数值模拟方法，将理论结合实际工程情况进行分析，为类似工程施工过程及施工方法提供建议。

2.工程模型的建立

2.1 工程背景

近海工程中钢板桩围堰常用于进行海上平台、跨海大桥的基础修建中，在工程施工前期起到的临时支护作用，为施工人员提供一个良好、安全的施工作业环境。图1为某跨海大桥主桥墩钢板桩围堰。

图1 某跨海大桥主桥墩钢板桩围堰

此外，钢板桩围堰还常见于船坞的修建，围堰围起来的一个封闭密水性高的施工作业范围，可将内部干燥的作业面与外部海水阻隔，为船只的维修与养护提供一个干燥作业环境。当然，钢板桩在内陆地区可用于基坑、地下工程、地下综合管廊、地下隧道的建设，那么，海上钢板桩围堰同样也能用于基坑、海底隧道、海底管线、海洋平台、海上风机的建设，用途广泛。

近海海洋工程场地中，地层条件较为复杂，除了需要看看上覆海水层，海床场地的土质条件与内陆地区差别很大，海床场地上覆土层有鱼、虾、海贝、海洋动物粪便及沉积物，本项目场地上层土为淤泥质土，厚8m，后期施工如果建立群桩＋承台结构，需在土层上部进行高达3m的混凝土封底，再进行群桩承台的施工。防止泥浆翻涌到施工区域，影响正常施工。

2.2 模型的建立

利用有限元分析软件模拟钢板桩＋钢支撑的支护方式，模拟过程中选取摩尔库伦土体材料模型，①淤泥质软土、②粉质黏土、③砂岩，各地层物理力学参数见表1。表2为各构件物理力学参数表。

表1 各土层物理力学参数

表2 各构件物理力学参数

为了达到计算精度，这里选用15节点三角形单元。降水总深度为18m，基坑开挖深度为8m，围护桩桩长24m，安装一层钢支撑进行支撑。海洋场地混凝土支撑需要浇筑和养护，消耗的人工和工期较长，因此海上支护结构一般选择轻巧、便于安装的钢结构进行支护。

通过有限元模拟软件建立二维海洋场地钢板桩围堰支护模型，拟建场地为海洋场地，考虑到上浮海水的影响，这里将上浮海水设置为10m进行数值模拟。上覆海水水位位于+10m位置，土层顶面为±0m。土层从上至下依次是淤泥质软土、粉质黏土、海底基岩，淤泥质软土层厚为8m，粉质黏土层厚度为14m，底层为砂岩。模型尺寸为100m×60m。图2为数值模拟模型的建立，图3为模型网格的划分图。

图2 模型的建立

图4 初始状态孔压

3.数值分析

3.1 施工工序与初始工况

本工程工序包括了插入钢板桩→降水→建立内支撑→降水→开挖。五个部分，详细工况如下：

初始工况：原始海洋场地，上覆海水层厚度10m，土层依次为：淤泥质软土厚8m，粉质黏土厚14m，底部为砂岩；

工况一：插入钢板桩；

工况二：降低海水水位至土层顶面位置，原本海水水位位于+10m位置降至±0m位置；

工况三：建立内支撑，位于+5m位置；

工况四：降低地下水位至-8m位置；

工况五：开挖淤泥质土。

本文后续将对不同工况下土体的变形与应力分布情况进行分析，并对支护结构：钢板桩围堰、内支撑结构的变形与受力情况进行分析。图四为初始工况原状海洋场地的初始状态孔压。

3.2 不同工况下土体变形分析

由表3、图5至图8可知：工况三的横向变形为0.07764m＜工况二的0.07824m，工况三的竖向变形为0.02090m＜工况二的0.02119m，说明内支撑结构对土体变形能够起到有效控制作用。工况四的横向变形随降水深度的增加，增加至0.08466m，纵向变形为-0.01524m小于前两次工况，且方向反向。说明随着基坑内降水，土体由饱和状态变为非饱和状态，少了海水浮力的作用，土体中的有效应力增加，土体被压缩。而前面的工况中通过降水减小的是上覆海水的压力作用，因此土体发生回弹，如果是淤泥质土则会产生上涌，因此施工时需要注意，必要时需将土体进行反压防止涌土。

表3 不同工况下土体最大变形值（绝对值最大）

图5 工况二-降水至土层顶面位移图

图6 工况三-建立内支撑位移图

图7 工况四-降水至-8m位移图

图8 工况五-开挖淤泥质土位移图

工况五的横向变形达到最大值0.1103m，纵向变形达到最大值0.03348m。开挖了淤泥质土后，下层土体由于上覆荷载减小为零产生一定程度的回弹，纵向变形再次反向向上。由此可见，地下水与基坑开挖上覆荷载的变化对基坑的纵向变形影响较为明显，会导致变形增量过大，以及反向变形等结果。

3.3 不同工况下土体应力分析

由表4和图9可知，工况二～工况四，土体中的横向有效应力、纵向有效应力、横向总应力、纵向总应力随着施工的进行逐渐增大。直到工况五阶段，土体中的横向有效应力、纵向有效应力、横向总应力、纵向总应力相较工况四要偏小。这是因为在开挖淤泥质土时是一个卸荷过程，减小了土中应力，属于正常情况。尤其是竖向有效应力发生了很大变化仅有-702.9kN/m2，比工况二的-752.0kN/m2更小。

表4 不同工况下土体最大应力值（绝对值最大）

图9 工况三-建立内支撑应力图

图10为排桩横向位移图，由图可知，最大位移位于钢板桩顶部，约为0.16m。工况五开挖淤泥质土在+5m位置的横向位移发生了改变，+5m位置为内支撑支护位置，工况五的顶部位移减小，说明内支撑支护结构有效控制了钢板桩的变形。随着基坑开挖，钢板桩在+5m以下的横向位移发生了较大变化，影响深度从+5m到-20m，这个区间内钢板桩横向位移比之前几种工况下明显更大，说明土体开挖对钢板桩的侧向位移影响较大，内支撑的存在又使应力重分配，最大变形位置有向钢板桩中下部移动的趋势。

图10 钢板桩横向位移

图11～13分别为不同工况下，排桩的剪力图、排桩弯矩图与排桩轴力图，由图可知，由于位于+5m位置的内支撑的影响，钢板桩在+5m位置时剪力、弯矩、轴力发生突变，应力重分配这种情况在工况四与工况五更为明显。尤其是在工况五情况下，开挖土体产生卸荷，钢板桩的承受的荷载增加。工况四情况下的轴力大于工况五，是由于工况五开挖土体产生卸荷作用，作用于钢板桩上的土压力减小，工况五的钢板桩轴力较小，而工况四为降水，土体中应力增加，作用于钢板桩上土体的侧压力剧增，使工况四的钢板桩轴力增加。

图11 钢板桩剪力图

图12 钢板桩弯矩图

图13 钢板桩轴力图

施工过程中钢板桩剪力不超过6 0 0 k N，钢板桩弯矩不超过1500kN·m，轴力不超过1000kN，钢板桩支护结构较为稳定。

3.5 内支撑变形与受力分析

由图14、图15可知，内支撑的竖向位移发生在支撑中部且位移向下，工况四及工况五均使内支撑位移减小。其中工况五更为显著，而淤泥质土的开挖是一个卸荷过程，对照内支撑的弯矩图，工况五情况下的弯矩更大但竖向位移更小，说明内支撑起到一定的支护作用承受的基坑侧壁土压力更大，因此弯矩更大，但由于基坑变形、坑底回弹等一些因素在竖向位移上的反应是减小。因此，产生变形和受力不一致的现象。也因此，在分析内支撑及钢板桩变形与受力时需根据工况、基坑变形情况以及其他构件的变形与受力综合分析。