1、1围堰桩土模拟 midas 建模实例摘要：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
2、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+026.20717+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2水域中，地面标高-3.413.44。 项目采用双排钢板桩围堰进行施工，围堰湖底平
3、均高程约为-0.81.0m，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：1-2 层淤泥质粉质粘土，厚度一般为 0.23.5m。2-1 层粘土，部分为粉质粘土，具有中等偏低压缩性，层厚 5.015.0，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
4、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 4.8cm 钢管通长连接，横向相对的槽钢用 8 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3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
5、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
6、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 4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
7、，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5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。 4Midas 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
8、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 6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
9、，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 8 钢筋换算成为截面大小相等的单股 11.3 钢筋来建立模型。 4.5 midas 建模复核 7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=138.5MPa=145MPa，钢板桩满足强度要求。 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。
