围堰桩土模拟midas建模实例
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摘要]：常嘉高速公路昆山至吴江段CJ-A4标采用双排钢板桩土围堰，利用20#槽钢做为围堰支护桩内侧填不透水粘土作为堰体。本文结合工程实例，重点介绍围堰桩土模拟midas建模的实例。
[关键词]：围堰桩土模拟midas建模双排钢板桩土围堰
中图分类号：U416文献标识码： A
双排钢板桩土围堰施工工艺作为跨浅水域施工的一种重要施工工艺，具有方便、安全、经济、环保等特点。同时，围堰工程作为项目最重要的控制性节点工程之一，其安全性需要重点考虑，因此，需要对围堰进行严谨的受力分析计算。但是由于钢板桩入土受力为弹性土压力，计算较为复杂，手算时为了简便，将弹性土压力简化为朗肯土压力，虽然计算方便，但是具有较大的局限性。本文结合工程实例，重点介绍了如何使用midas进行桩土模拟对手算合格的实例再进行复核，以达到对围堰进行严谨受力分析计算的目的，从理论上保证了围堰工程的安全性，对围堰工程的安全施工具有较大的理论指导意义。
1、工程概况及水文地质情况
常熟至嘉兴高速公路昆山至吴江段CJ-A4合同段全长2769.2m，起讫桩号为K15+026.207～17+795.467。项目位于苏州昆山市周庄镇及吴江市汾湖镇交界处的白蚬湖，区属太湖网平原区，全桥结构物均处于白蚬湖水域中，地面标高-3.41～3.44。
项目采用双排钢板桩围堰进行施工，围堰湖底平均高程约为-0.8～1.0m，水深约2.7m左右。白蚬湖50年一遇设计洪水位为2.37m。
依据钻探资料，施工场地以浅部厚层软土及中下部粉质粘土、粉土，粉细砂为主，局部分布轻微液化土。沿线地层从上往下分布情况如下：①1-2层淤泥质粉质粘土，厚度一般为0.2～3.5m。②2-1层粘土，部分为粉质粘土，具有中等偏低压缩性，层厚5.0～15.0，容重18.5kN/m3，内摩擦角15.1°，液性指数0.26。
2、围堰布置形式（图1所示）
本项目围堰全长2530m，净宽74m，利用20#槽钢做为围堰支护桩内侧填不透水粘土作为堰体。填土容重15.4kN/m3，内摩擦角10.8°围堰采用双排桩的形式，两排桩间排距3m，桩与桩间净距0.8m，为防止湖水侵入堰内，围堰设计高度按50年一遇洪水设防，板桩顶标高2.7m，堰芯填土标高3.0m。
距离桩顶0.2m处设置纵横向连接，纵向采用φ4.8cm钢管通长连接，横向相对的槽钢用φ8钢筋对拉，以提高围堰的整体性；板桩内侧用铁丝分别固定定制的土工格栅和防水土工布。板桩外侧填筑边坡1:2的三角形护坡，护坡底进行清淤换填，并对围堰外侧的护坡进行砂袋防护。
图1：围堰断面图
3、手算确定钢板桩长度
先通过手算初步确定钢板桩长度，由于本文主要是为了验算钢板桩水平方向的稳定性，因此手算中不考虑自重等竖直方向的力的影响因素。钢板桩入土深度不仅要保证钢板桩本身及围堰整体的稳定，还要保证围堰基地的稳定和不出现管涌现象。计算时，湖底标高取最低值-0.8m，板桩顶标高2.7m，堰芯填土标高3.0m，外侧钢板长度采用经验值6m，入土2.5m，内侧钢板通过受力计算确定长度,钢板桩选用20#槽钢，截面系数为178cm3。根据施工方案描述，在施工时，先抽水再清淤，最终回填整平。在此过程中，清完淤泥还没有回填整平时，围堰的工况为最不利状态，对此状态的稳定性进行验算。计算时采用朗肯土压力理论，根据
1-2粘土层力学指标，朗肯主动土压力系数Ka=0.64，朗肯被动土压力系数Kp=1.7。
3.1外侧钢板桩受力验算
围堰填土力学指标平均值确定
主动土压力
其作用点离桩底的距离
最高水位水压力
其作用点离湖底的距离
被动土压力
其作用点离桩底的距离
各力对桩底取距,计算桩顶拉力T
桩土接触点处的弯矩为最大弯矩
外侧钢板桩强度
故满足强度要求,可以使用。
3.2内侧钢板桩长度计算
假设钢板桩入土深度为y m，按自由端单支点（平衡法）计算，对钢板桩顶取距，另∑M=0，∑Q=0。
上层填土主动土压力
下层粘土主动土压力
被动土压力
根据力矩平衡有
即:,求得y=4.1m
将y代入上式，得，
再根据受力平衡有，可求得
桩土接触点处的弯矩为最大弯矩
由计算得知，内侧钢板桩入土4.1m可满足计算要求，因此采用8m钢板桩入土4.5m。此工况下，钢板桩承受的弯矩过大，为了保持围堰的整体稳定性，对施工方案进行修改，改成对围堰内壁先填土2m后在抽水，即覆土高度2m。
则此时被动土压力增大数值为
故满足强度要求,可以使用。
3.3基坑管涌验算
不发生管涌的条件为
即
求得 ,即当钢板桩入土1.2m时不会出现管涌。
经过以上手算得到，当围堰外侧钢板桩入土2.5m，内侧钢板桩入土4.1m时，围堰满足稳定性要求。接下来使用midas建模对上述计算结果进行复核。
4．Midas建模复核
在建模时，上层填土压力采用朗肯土压力理论，下层地基考虑钢板与土的共同作用，将土介质视为线弹性的连续介质，等代土弹簧刚度由土介质的m值计算。
4.1上层填土荷载及水荷载
根据朗肯土压力，填土内摩擦角10.8°，重度为15.4kN/m3，经计算主动土压力系数Ka=0.68，被动土压力系数Kp=1.46。
主动土压力强度
被动土压力强度
水压力强度
4.2桩的计算宽度
将槽钢视为矩形桩，根据公式且。
槽钢垂直于水平外力作用方向的桩的宽度d=0.2m，k与kf均取值1。经计算，本工程钢板桩换算宽度为0.4m。
4.3地基弹簧系数计算
对任意一层土：地基系数，h为当前土到地表的距离。2-1层粘土液性指数0.26，查表得m值为10000kN/m4。
弹簧系数，C上和C下为当前土层上下表面地基系数，hi为当前图层厚度。计算后弹簧系数如下表。
表1 弹簧系数计算表
4.4钢板桩顶对拉钢筋分析
由于顶部对拉钢筋只对钢板桩提供拉力且不提供弯矩，因此采用建立梁单元且释放杆端弯矩的方式。由于钢筋受拉强度只与钢筋截面有关，因此将双股φ8钢筋换算成为截面大小相等的单股φ11.3钢筋来建立模型。
4.5 midas建模复核
将钢板桩各项参数、约束和荷载输入midas软件进行计算复核，计算模型如图2。
图2：midas建模荷载约束分布图
对该模型进行运算分析，钢板桩内力和应力运算分析结果如图3、所示。根据计算结果，钢板桩最大弯矩为24.7kN/m，该处的剪应力大小为σ=138.5MPa
图3：钢板桩模型内力图
5.方案实施情况及讨论
在实际施工中，围堰工作性能良好，但由于钢板桩本身强度不足，或者施工过程中机械操作不当，容易出现围堰变形等情况。特别是清淤和堆砌围堰边坡的过程中，极易发生挖掘机、挖泥船碰撞围堰的情况，因此在施工中需要对施工机械加强管理，对围堰加强检测，保证围堰的安全性。采用上述理论依据进行围堰受力计算和midas复核具有参考意义。
作者简介：杨明，男，1990年7月，大学本科，技术员。