田利勇，張雨劍，鄢亞軍

(上海市水利工程設計研究院有限公司， 上海 200063)

上海市土地資源稀缺，圍海造田是解決用地需求的重要工程手段。在高灘圍墾岸線資源日趨緊張的情況下，在具備施工條件的淺海低灘開展圍墾工程已經(jīng)成為拓展城市版圖的重要方法[1]。低灘圍墾的地質(zhì)條件和施工方法較高灘圍墾有較大區(qū)別，因此圍堤的結構形式也需要進行新的探索[2-3]。

沉箱結構在海港工程中運用十分廣泛，近年來也被應用于圈圍工程，可適用于低灘地區(qū)圈圍工程。上海地處軟土地區(qū)，沉箱結構由于上部結構荷載大，天然地基承載力及沉降位移變形較難滿足要求，需對地基基礎進行加固處理。本文針對上海某實際工程提出了一種剛性樁復合地基沉箱擋土結構，為驗證該結構的安全性，通過PLAXIS有限元分析軟件，使用HSS模型對該結構進行了數(shù)值模擬，分析了其沉降、變形及內(nèi)力。

1 剛性樁復合地基沉箱擋土結構設計

本工程岸線處灘地高程約為-6.0 m(上海吳淞高程，下同)，根據(jù)防洪要求，圍堤堤身高度近16 m。根據(jù)地質(zhì)勘察成果揭示，擬建圍堤沿線的地基淺表層分布為厚達10 m～15 m的高壓縮性、高靈敏度軟弱土層。為確保圍堤穩(wěn)定、變形可控、施工可行，本文提出一種剛性樁復合地基沉箱擋土結構，具體設計如下。

1.1 沉箱結構

沉箱采用鋼筋混凝土矩形結構，沉箱底板寬度(垂直堤身方向)18 m，沉箱分段長度(順堤身方向)15 m。沉箱頂部高程在滿足施工水位要求的前提下，盡量降低，設為4.50 m。沉箱結構底板厚0.7 m，臨水側前趾寬1.0 m，臨土側后踵寬1.0 m。沉箱臨水側外壁厚0.5 m，其余三側外壁厚0.35 m，每個沉箱內(nèi)部被分隔為12個空箱，沉箱間垂直縫寬50 mm，箱體間采用對接頭型式。單個標準沉箱體重約1 500 t。

1.2 上部防浪墻結構

沉箱臨水側頂部設置現(xiàn)澆鋼筋混凝土防浪墻。防浪墻底板厚1.5 m，沉箱深入底板0.5 m，底板寬4.75 m，墻頂高程為11.0 m。墻身后側設置10 m寬堤頂平臺，其上布置防汛道路。為確保高潮位期間反向滲流穩(wěn)定，堤頂后側采用約1∶7緩坡放坡至圍內(nèi)場地標高。

1.3 反濾層設計

沉箱后側設置減壓排水棱體，排水棱體頂標高4.0 m。上方鋪設反濾層。反濾層由0.5 m厚二片石、0.5 m厚級配碎石及400 g/m2無紡土工布組成，三種材料的界面坡度分別為1∶1、1∶1.25及1∶1.5。

1.4 護灘設計

在沉箱結構前側布置25 m范圍的拋石，頂標高-3.5 m～-4.5 m，厚度約2.5 m～1.5 m，拋石底部鋪設砂肋軟體排。拋石前方布置10 m范圍的混凝土連鎖塊余排。

1.5 地基處理

本工程堤身結構豎向尺度達16 m，經(jīng)計算基礎底部平均應力高達300 kPa，天然地基承載力及沉降量都明顯不能滿足規(guī)范要求。通過施工可行性和經(jīng)濟性比較，采用B型PHC管樁進行地基處理，見圖1。從前(臨水側)至后(臨土側)布置12排，采用等邊三角形布置，樁間距3 m。第1排樁長17 m，樁徑1 200 mm；第2～9排樁長17 m，直徑1 000 mm；第10～12排樁長15 m，樁徑1 000 mm。末排樁基后側布置10排15 m長塑料排水板，間距1.5 m。

1.6 基床和褥墊層

在豎向力和水平力聯(lián)合作用下，為充分發(fā)揮剛性樁復合地基中土的承載能力，可以在承臺下鋪設褥墊層，以實現(xiàn)樁、土共同承受荷載的目的。且由于本工程施工條件不利于將沉箱和樁基進行剛性連接，故采用設置褥墊層的過渡方式來解決兩者間的受力傳遞問題。褥墊層底部采用300 mm碎石，上部再設置1 000 mm厚拋石。

剛性樁復合地基沉箱擋土結構設計斷面見圖2。

圖1 標準段樁位布置圖

圖2剛性樁復合地基沉箱擋土結構斷面圖

2 有限元模型建立

剛性樁復合地基沉箱擋土結構是一種豎向、水平荷載聯(lián)合作用下剛性樁復合地基(沉箱-褥墊層-樁基)結構體系，結構受力及傳力體系比較復雜。近年來南文文[4]、劉漢龍等[5]、鄭剛等[6]、劉光磊等[7]、梁發(fā)云等[8-9]對剛性樁復合地基在水平荷載作用下的承載性能進行了分析研究，其中有限元分析是一種比較實用可行的分析方法，本文將采用PLAXIS有限元分析軟件對其開展分析研究。

2.1 土的本構模型選擇

用于巖土工程數(shù)值模擬的常見彈塑性土體本構模型有摩爾-庫侖(MC)模型、基于MC模型修改的德魯克-普拉格(DP)模型、修正劍橋(MCC)模型、應變硬化(HS)模型[10]、小應變硬化(HSS)模型等[11]。與上述其他本構模型相比，HSS(Hardening Soil Small-strain, HSS)模型可以反映土的硬化特征，并且可以體現(xiàn)應力歷史和應力路徑對土體變形的影響[12-14]，故采用HSS模型進行土體結構模擬。與HS模型相比，HSS模型增加了兩個小應變特征參數(shù)，分別為小應變試驗初始剪切模量G0和割線剪切模量降低至初始剪切模量的70%時所對應的閾值剪應變γ0.7。其余參數(shù)與HS相同，包括：

表1 土體HHS模型參數(shù)表

2.2 樁結構與界面單元模型

PLAXIS軟件在巖土工程分析中有著十分廣泛的應用。在實際工程案例中，通常使用板單元模擬板殼類混凝土結構，如擋墻、基礎(筏板)及其他可以等效成板類的土工結構。建模時在板的屬性中輸入等效的重度、彈模等參數(shù)，并通過板單元的激活和關閉實現(xiàn)不同施工工況的模擬。

PLAXIS軟件支持對樁單元的定義，本文采用Embedded pile單元實現(xiàn)對樁基礎的模擬。Embedded pile單元為簡化樁模型，樁側摩阻力及樁底反力根據(jù)地勘資料輸入到單元參數(shù)中，這樣可以在模擬計算中較為方便的得到樁身軸力及側摩阻力。

PLAXIS通過使用滿足庫侖準則的界面單元實現(xiàn)土與結構的相互作用，具體分為彈性階段和彈塑性階段：

當界面處于彈性階段時，

τ<σntanφi+ci

(1)

當界面出現(xiàn)塑性時，

τ=σntanφi+ci

(2)

式中：φi和ci分別為界面的摩擦角和黏聚力。界面單元的強度屬性與土體的參數(shù)有關，界面單元的強度由土體的參數(shù)和折減因子(Rinter)決定。

2.3 計算模型與網(wǎng)格劃分

計算模型垂直方向深度為60 m；水平方向?qū)挾葹?30 m。土體設置為等三角形15節(jié)點單元，沉箱及擋墻結構選用板單元建模，樁基礎使用樁單元建模。通過單元的開關模擬施工步驟。網(wǎng)格劃分后的有限元模型見圖3。

3 計算結果分析

3.1 總體沉降分析

完工階段的沉箱擋土結構沉降模擬結果見圖4，根據(jù)計算結果可知，圩內(nèi)填土沉降值控制在了900 mm以內(nèi)。并且由于沉箱后側樁基的作用，圩內(nèi)與堤身的沉降差得到了良好的過渡。

圖3計算模型網(wǎng)格劃分圖

圖4總體垂直位移云圖

3.2 沉箱結構變形分析

沉箱底板位移見表2。根據(jù)計算可知，沉箱底板最大沉降發(fā)生在前沿，為198.3 mm；最小沉降發(fā)生在后沿，為169.1 mm；沉降差為29.2 mm。底板水平位移為85.7 mm。底板最大沉降值及沉降差均滿足相關規(guī)范及使用要求。

表2 沉箱底板位移表

沉箱前墻位移見表3。根據(jù)計算可知，前墻垂直沉降量為196.2 mm。前墻頂部水平位移最大，為106 mm，前墻底部水平位移最小，為85.9 mm，不均勻水平位移值為20.1 mm，豎向傾斜率為1.91‰。前墻傾斜變形較小，可滿足相關規(guī)范及使用要求。

表3 沉箱前墻位移表

3.3 樁基變形分析

樁頂位移計算結果見表4。根據(jù)單樁變形分布模擬結果可知，單樁最大水平位移均發(fā)生在樁頂處，其中最大值為73.3 mm，發(fā)生在第7排(底板下方倒數(shù)第2排)樁。

表4 樁基位移、彎矩表

3.4 樁基內(nèi)力分析

樁基彎矩計算結果見表4。根據(jù)計算可知，首排樁由于受沉箱前被動土壓力作用最為突出，所承受的負向彎矩最大，達到1 633.5 kN·m，該排樁采用Φ1200B型PHC管樁，樁基抗裂彎矩為1 668 kN·m。其余樁基均采用采用Φ1000B型PHC管樁，樁基抗裂彎矩為1 003 kN·m，其中末排樁由于受圩內(nèi)吹填土主動土壓力作用最為突出，所承受的正向彎矩最大，達到708.9 kN·m；最大負彎矩出現(xiàn)在第3排樁，為832.2 kN·m。綜上，該結構樁基承載力均滿足要求。

4 結 論

(1) 沉箱擋土結構受圩內(nèi)填土影響，總體呈現(xiàn)水平前移及墻體前傾變形。沉箱前墻底部最小水平位移量為85.9 mm，前墻頂部最大水平位移量為106 mm，水平位移差為20.1 mm，豎向傾斜率為1.91‰；沉箱底板前沿沉降量為198.3 mm，后沿沉降量為169.1 mm，沉降差為29.2 mm；沉箱總沉降量、沉降差及傾斜度均可滿足正常使用要求。

(2) 沉箱擋土結構首排樁受墻前被動土壓力作用最突出，所承受的負向彎矩最大；末排樁受圩內(nèi)吹填土主動土壓力作用最突出，所承受的正向彎矩最大。結構各樁基內(nèi)力均滿足承載力要求。

(3) 本文結合上海軟土地區(qū)特點，提出的采用帶褥墊層的剛性樁復合地基沉箱擋土結構在運行期間位移變形及結構內(nèi)力均可滿足要求，結構形式基本合理可行，為軟土地區(qū)深水圈圍工程提供一種新的結構形式，具有一定的應用前景。