鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

趙伏田，張福海，張永立

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098;2.河海大學(xué)堤壩與巖土工程重點試驗室，江蘇南京210098)

鋼板樁因其自身結(jié)構(gòu)輕、強度高、施工簡便、耐久性好、可循環(huán)利用等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于碼頭、船塢、基坑等工程。王維成等人在研究基坑中鋼板樁支護結(jié)構(gòu)支護效果中發(fā)現(xiàn)鋼板樁的入土深度并非越長越好［1］。夏軍在研究軟土地基中鋼板樁碼頭的位移變形時指出板樁位移與結(jié)構(gòu)受力的相關(guān)性，并提出了單錨式板樁結(jié)構(gòu)的允許位移值［2］。本文就將從研究鋼板樁應(yīng)用于航道支護結(jié)構(gòu)的實用性出發(fā)，通過數(shù)值模擬研究鋼板樁的入土深度、錨桿錨固位置和錨桿傾角對鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力以及岸坡整體穩(wěn)定性的影響。

1 計算模型的建立與模型參數(shù)的選取

本文模型的建立主要依據(jù)蘇南運河常州段航道升級工程中N2型鋼板樁護岸斷面，岸坡計算模型如圖1所示，水平方向為60 m，豎直方向30 m，上部的斜坡坡高2.4 m，坡比為2.4:1，下部的斜坡坡高2 m，坡比1:5，兩斜坡中間的直立邊坡的高度為4.4 m，下部斜坡與中間直立邊坡之間有個1 m寬的平臺。

表1不同深度土體的計算參數(shù)Tab.1 The calculation parameters at different depths of the soil

表2錨桿參數(shù)Tab.2 The parameters of anchor

表3冷彎鋼板樁材料性質(zhì)Tab.3 Cold －formed steel sheet pile material properties

模型中土體單元采用四結(jié)點平面應(yīng)變單元，土體本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb彈塑性模型，不同深度的土體計算參數(shù)如下表1所示。錨桿采用線彈性二維彈性桿單元模擬，假定只有軸向變形，其計算參數(shù)如下表2所示。

鋼板樁選用900×350型冷彎鋼板樁，鋼板樁假定為矩形截面，彈性模量E=210 GPa，泊松比υ=0.3，樁厚為單位厚度，根據(jù)抗彎剛度EI折算為等模量實體截面寬度為0.09 m。鋼板樁具體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表3所示:

2 懸臂式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

懸臂式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的變形主要取決于鋼板樁的入土深度。本節(jié)將模擬不同插入比條件下的懸臂式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)，選取的插入比分別為 0.82、1.05、1.27、1.5，對應(yīng)的樁長為 8、9、10、11m。

2.1 不同插入比鋼板樁對岸坡整體穩(wěn)定性的影響

圖2給出了不同插入比鋼板樁支護岸坡土體的塑性應(yīng)變圖。

由圖2(a)可以看出，鋼板樁插入比為0.82時，岸坡的塑性變形較大，樁體頂部與底部之間土體的塑性區(qū)完全貫穿，此時岸坡發(fā)生破壞。由圖2(b)可以看出，鋼板樁插入比為1.02時，岸坡連續(xù)貫穿的塑性應(yīng)變區(qū)消失了。隨著鋼板樁入土深度的增加，岸坡的塑性應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)鋼板插入比1.5時，此時岸坡的塑性應(yīng)變最小。說明增加懸臂鋼板樁的入土深度，可以提高岸坡的整體穩(wěn)定性。

2.2 不同插入比對鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力的影響

鋼板樁合理的入土深度不僅要滿足護岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求，也要滿足結(jié)構(gòu)位移變形的要求。圖3為不同插入比的鋼板樁水平位移圖，圖4為不同插入比的鋼板樁彎矩圖。

如圖3可以看出，隨著鋼板樁入土深度的增加，樁身的最大位移均逐漸減小。鋼板樁插入比為0.82時，鋼板樁整體有明顯的傾覆趨勢。鋼板樁插入比為1.05時，樁身的最大位移有5.2 cm，明顯大于插入比1.27與1.5的情況。而板樁插入比為1.27與1.5時，板樁位移變化趨勢與最大水平位移值相近，由此可以得出當(dāng)鋼板樁的插入比超過1.27時，增加板樁的入土深度對于減小岸坡和板樁的水平位移作用不明顯。

由圖4可以看出，鋼板樁插入比在0.8～1.5范圍內(nèi)的最大彎矩均小于樁身的最大彎矩，樁身的抗彎強度均滿足要求。但鋼板樁插入比為0.82與1.05時的彎矩值均在一側(cè)，根據(jù)工程經(jīng)驗可知板樁的入土深度還未達到最佳入土深度，此時樁體的破壞模式主要是由于樁身入土深度不足而導(dǎo)致的樁身傾覆破壞。

綜合考慮岸坡的塑性變形與鋼板樁的位移及內(nèi)力可知，板樁的最優(yōu)插入比應(yīng)在1.05～1.27。當(dāng)鋼板樁的插入比小于最優(yōu)插入比時，板樁易發(fā)生傾覆破壞，此時增加鋼板樁的入土深度能明顯改善護岸結(jié)構(gòu)的位移變形，提高岸坡整體穩(wěn)定性。當(dāng)板樁插入比超過最優(yōu)插入比時，繼續(xù)增加鋼板樁入土深度對于改善結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力效果不明顯。

3 拉錨對懸臂式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)的加固效果研究

鋼板樁通常聯(lián)合錨桿形成樁錨體系，通過錨桿的受拉作用限制鋼板樁樁頂?shù)乃轿灰坪图s束岸坡土體的變形。本節(jié)將研究錨桿對岸坡穩(wěn)定性與板樁位移變形的影響。鋼板樁樁長為10 m，錨桿錨固端距離樁頂2.0 m。

3.1 拉錨對岸坡的整體穩(wěn)定性與位移變形的影響

圖5為懸臂式鋼板樁護岸與拉錨式鋼板樁護岸的塑性應(yīng)變云圖。

對比圖5(a)和5(b)可以發(fā)現(xiàn)，未施加錨桿時，插入比為1.27的懸臂鋼板樁岸坡出現(xiàn)連續(xù)貫穿的塑性應(yīng)變區(qū)，岸坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，在施加錨桿后，岸坡連續(xù)貫穿的塑性應(yīng)變區(qū)消失。說明增設(shè)錨桿可以有效地改善岸坡的塑性應(yīng)變，提高岸坡整體穩(wěn)定性。

圖6為懸臂式鋼板樁護岸與拉錨式鋼板樁護岸的土體位移云圖。

圖6(a)中岸坡土體位移最大值是8.6 cm，出現(xiàn)在板樁懸臂段中上部。圖6(b)中岸坡土體的最大位移發(fā)生在板樁下部，數(shù)值為3.2 cm，說明錨拉式板樁護岸結(jié)構(gòu)能夠有效地約束岸坡土體的變形，提高岸坡的整體穩(wěn)定性。

3.2 拉錨對減小鋼板樁樁長的影響

圖7為鋼板樁的水平位移圖。

由圖7中兩種不同形式的鋼板樁水平位移變形可以看出，增設(shè)錨桿后，9 m拉錨鋼板樁的最大位移值為2.8 cm，小于10 m懸臂鋼板樁的最大位移4.6 cm，說明通過增設(shè)錨桿不僅可以有效地約束岸坡的變形而且可以起到減小鋼板樁樁長的效果。

4 錨桿錨固位置與錨桿傾角的確定

研究拉錨式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力時除了要考慮鋼板樁的入土深度不同對結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力產(chǎn)生影響外，還應(yīng)考慮錨桿的錨固位置與傾角的不同對其產(chǎn)生的影響。

4.1 錨桿錨固位置對岸坡水平位移的影響

本節(jié)選取了7個不同錨固位置，通過數(shù)值模擬研究其錨固位置對岸坡位移的影響。圖8為岸坡最大水平位移隨錨固位置下移的數(shù)值變化圖。

由圖8可以看出，當(dāng)錨固點距離樁頂距離超過1.5 m時，繼續(xù)降低錨固位置樁體最大位移減小幅度明顯減小，說明此時通過增加錨固深度來起到約束樁身最大位移的效果不再明顯。若再降低錨桿錨固位置不僅對于約束鋼板樁的變形沒有明顯效果反而會增加土方的開挖，容易導(dǎo)致岸坡在開挖過程中發(fā)生失穩(wěn)。由此得出錨桿的最佳錨固位置在距離樁頂以下1.5～2 m左右，此時錨桿對樁體變形的約束效果最好且利于岸坡的整體穩(wěn)定。

4.2 錨桿傾角對岸坡水平位移的影響

針對錨桿傾角，本節(jié)模擬了傾角為0°、10°、20°三種情況，錨桿錨固位置均距離樁頂2 m。圖9為錨桿不同傾角的鋼板樁水平位移圖。

由圖9可知，不同傾角的鋼板樁水平位移沿深度的變化趨勢基本相同且水平位移值也大致相等，表明改變錨桿傾角對于約束樁身的變形影響較小。

5 結(jié)論

1)對于懸臂式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)，板樁的最優(yōu)插入比為1.05～1.27。當(dāng)鋼板樁的入土深度較小，即插入比較小時，鋼板樁會發(fā)生傾覆，導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。當(dāng)鋼板樁的入土深度以滿足最優(yōu)插入比的要求，繼續(xù)增加鋼板樁長度，及增加入土深度，對于改善護岸結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力和岸坡的整體性的效果不大。

2)在鋼板樁的插入比一定的情況下，增設(shè)錨桿后護岸結(jié)構(gòu)的最大水平位置會下移，且最大位移值明顯小于懸臂式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)，說明增設(shè)錨桿可以有效地改善護岸結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，提高岸坡的整體穩(wěn)定性。

3)在滿足岸坡整體穩(wěn)定性要求的情況下，增設(shè)錨桿還可以起到減小鋼板樁長度的作用，降低了工程成本。

4)對于拉錨式鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋼板樁的長度為10 m時，錨桿最佳錨固位置為距離樁頂1.5～2 m位置，錨桿傾角的改變對結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響較小。

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