軟土地區高樁承臺結構樁基內力及變形分析

于文華，司鵬飛*，田利勇，時方穩

(1.上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061；2.上海市水務局防汛減災工程技術研究中心，上海 200061)

板樁式高樁承臺擋墻結構是上海等軟土地區常見的水工結構形式，該結構形式前排樁采用板樁墻，后排樁為方樁、矩形柱、PHC管樁或鉆孔灌注樁等。板樁墻能夠防止水土流失，后排樁和承臺組成的平面框架起到承擔土壓力和水壓力的作用。該擋墻結構具有占地少、土方開挖少、抵抗變形能力強、施工簡便、可帶水施工等優點，而且該結構可以利用樁和墻作為基坑支護，成本較低，目前在內河護岸、碼頭等工程中已得到較多應用[1-4]。

板樁式高樁承臺結構，其承臺與懸臂擋墻結構現澆，形成L型結構。承臺以上，作用在整個結構上的主動土壓力基本由擋墻承受；承臺厚度范圍內的主動土壓力基本由承臺承受；承臺以下，主動土壓力則按剛度分配給各排樁基[4-5]。針對板樁式高樁承臺結構，目前相關規范[6-7]中主要基于彈性地基梁假設，采用“m”法進行樁基內力和變形計算，但上述計算方法無法準確刻畫墻后土壓力在前后排樁基之間的傳遞以及樁土共同作用；此外，板樁墻后側剩余水壓力的取值、墻前被動非均勻土體m值的確定等方面均存在一定的經驗性[8-11]，造成實際設計過程中結構安全可靠度及結構的科學合理性存在較大的不確定因素，因此對高樁承臺擋墻結構進行更為精確的有限元數值模擬分析，對準確認識該結構形式的受力變形特征，優化設計方案具有重要的實際意義。

本文結合上海地區某船閘引航道擋墻工程，采用Plaxis有限元數值模型，計算分析了高樁承臺結構前后各排樁基的受力變形特征，并與實際觀測數據進行了驗證對比，進一步探討了墻后土壓力在各排樁間的不均勻分布情況，為今后高樁承臺擋墻結構的設計計算提供了一定的理論依據。

1 工程設計方案

注：圖中高程單位為m，尺寸單位為mm。

該船閘工程為實地開挖，引航道設計底高程為-3.0 m，墻后地坪高程5.75 m，擋土高度達8.75 m，根據本工程實際情況，引航道擋墻采用板樁式高樁承臺結構型式。擋墻頂高程6.75 m、頂寬0.5 m、墻身厚0.7 m，臨土側設置寬0.5 m、高1.0 m的倒角。擋墻底板即樁基承臺寬9.2 m、厚1.0 m、面高程2.0 m。前排板樁采用樁長7 m、400×125 mm型號的U型鋼板樁，主要起防止土體淘刷的作用；樁基采用四排Φ 900 mm的C30鉆孔灌注樁(臨水側為第一排樁，下同)，樁長均為25 m；其中第1排樁間距1.1 m，第2～4排樁的間距為2.2 m。墻后承臺上方回填土范圍設厚0.3 m的級配碎石排水設施。

2 有限元模型建立

2.1 計算模型

該船閘工程的引航道橫斷面為對稱結構，故可選取半結構進行建模計算。模型的尺寸為水平80 m×豎直45 m，建立的模型和網格劃分如圖2所示。根據實際施工情況，模型中的施工順序為樁基施工→放坡開挖→擋墻施工→墻前河道開挖→通水回填。模型計算域范圍內左右邊界處土體受到水平方向的位移約束，而底部邊界土體同時受到水平和豎直方向的位移約束。

2-a 樁基施工 2-b 放坡開挖 2-c 擋墻施工

2.2 本構模型參數

表1 土體物理力學參數

2.3 結構材料參數

前排板樁、擋墻采用板單元模擬，后排灌注樁采用嵌入式排梁單元模擬，材料物理參數按實際給定，各結構體之間均采用剛性連接。有限元數值計算過程中結構與土體間的相互作用通過設置界面接觸單元來模擬，結構參數取值見表2。

表2 結構材料參數

3 計算成果分析

3.1 樁基水平位移分析

通過Plaxis有限元模擬計算，得到了前后各排樁的水平位移，并與有實測數據的第1、2排樁的位移變形值進行了對比，如表3和圖3所示。

圖3 各排樁水平位移變形

表3 各排樁水平位移變形對比

3.2 樁基受力特征分析

該船閘工程的引航道擋墻主要依靠樁基與承臺組成的框架結構來抵抗墻后土壓力，以保持整體結構的穩定。計算得到的前后各排樁的彎矩內力分布見表4和圖4。此外，考慮到本工程前排淺埋U型鋼板樁(樁長7 m，入土約3 m)主要起到防止土體淘刷的作用，其對整體結構水平受力的貢獻在下文分析中忽略不計。

表4 各排樁彎矩極值分布(單延米)

圖4 各排樁彎矩內力(單延米)

根據計算可知：各排樁的最大正彎矩均出現在樁頂位置處，第4排樁的正彎矩值最大，達到了163.90 kN·m，向前各排樁的正彎矩值依次減小，第1排樁的正彎矩值降低為67.15 kN·m，這與承臺的卸荷作用及樁基間的遮簾作用有關。整體來看，后三排樁的彎矩沿樁身的分布規律較為一致，而第1排樁由于受到前后土壓力的突變，在開挖面以上其內力分布特點與后幾排樁存在顯著差別。此外由圖4可知，各排樁最大負彎矩出現的位置從前至后有逐漸升高的趨勢，在一定程度上反映出土體破裂面與水平面存在一定的夾角，因此在利用傳統彈性地基梁方法計算樁基受力時，需要考慮泥面線從前至后排樁的抬升效應。計算得到第4排樁的負彎矩值最大，為-49.38 kN·m，而第1排樁的負彎矩值最小，為-37.48 kN·m。

3.3 土壓力分布

各排樁所在位置處土壓力沿深度方向的分布見圖5。表5為開挖面上、下各排樁有效土壓力合力的對比情況。可以看出在開挖面(y=-3 m)以上各排樁承受的土壓力有所不同，第1排樁承擔的有效土壓力值最小，表明后排樁的存在對前排樁具有一定的遮簾作用，承擔了較大的土壓力。而在開挖面以下各排樁承擔的土壓力基本相同，結合圖3分析可知，在開挖面以下各排樁的水平位移變形較小且位移值基本一致，所以各排樁間的土壓力值并無太大差異。基于本文模擬得到的結果，對于目前常用的彈性地基梁法(如“m”法)來講，在計算荷載作用下多排樁基的受力和水平位移時，可以適當考慮開挖面以上后排樁對前排樁的遮簾以及承臺的卸荷作用，以使計算結果更符合群樁基礎的實際受力情況。

表5 各排樁有效土壓力合力值對比

圖5 各排樁有效土壓力分布

4 結論

本文針對上海地區某船閘引航道擋墻的板樁式高樁承臺結構，采用有限元數值模型，結合觀測數據對結構的變形受力特征進行了研究分析，得到如下結論：

(1)多排樁高樁承臺結構受力機理復雜，傳統計算方法無法充分考慮樁土相互作用以及多排樁之間的相互影響。本文通過建立有限元模型，實現了對復雜情況的準確模擬。研究表明板樁式高樁承臺結構能夠有效承擔土、水壓力，整體變形協調能力較強，可適用于軟土地區船閘引航道的擋土工程。

(2)計算得到的前后各排樁的水平位移沿垂向逐漸增加，整體趨勢與觀測值吻合較好。各排樁的最大水平位移值從前向后依次減小，位移極值均控制在10 mm左右。

(3)由于承臺的卸荷作用以及后排樁的遮簾作用，各排樁的最大正、負彎矩值從前向后依次減小，各排樁最大負彎矩的位置從前向后逐漸抬升，其中第4排樁的正彎矩值最大，在樁頂處達到163.90 kN·m。

(4)計算結果表明，在開挖面以下各排樁土壓力分布趨勢相近，承擔的土壓力值基本相等；而在開挖面以上，由于后排樁的遮簾作用，第1排樁承擔的有效土壓力值明顯小于后幾排樁。