斜顶桩高桩承台挡土结构分析研究

张雨剑，田利勇，陈大伟

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市200061）

0 引言

上海市地少人多，土地后备资源不足已经成为限制城市发展的主要因素之一。经过近50a的围垦，沿海高滩资源已经不多了，远不能满足上海市对于土地的需求增量，因此低滩围垦将成为向大海要地的主要途经[1]。低滩圈围工程对围堤结构型式提出了新的要求。对于新型围堤结构的研究与应用将有助于解决筑堤材料紧缺问题，降低施工风险，获取更多的土地资源[2]。

上海市土地储备中心于2012年10月启动了金山区龙泉港滩涂圈围工程。上海市水利工程设计研究院有限公司技术团队对该工程的深水围堤进行专门研究，提出了斜顶桩高桩承台直立堤方案。

1 直立堤方案设计

工程区主要为浅滩水域，地形有一定起伏。据已有地形资料反映，围堤沿线滩面标高一般在-7.0～1.6m之间。勘察所揭露深度范围内的地基土从上往下主要以软弱粘性土为主，局部分布有中密～密实状粉砂及粉土，土层分布尚属稳定。

本方案按滩地高程为-6.0m、围内场地高程为4.0m进行设计。设计低潮位-1.91m,多年平均低潮位-0.25m，多年平均高潮位3.84m，200a一遇高潮位6.76m。

1.1 上部结构

直立堤上部采用钢筋混凝土L型挡墙结构。承台宽度为16m，承台底高程为3.0m，承台厚度为1.5～2.0m，墙顶高程为11.0m。墙身后侧设置10m宽堤顶平台，堤顶后侧采用约1:7缓坡放坡至围内场地标高。

1.2 桩位布置

桩基础采用预应力U型板桩和PHC管桩组合体系，其中预应力U型板桩为挡土排桩。从临水面至迎土面共设置5排桩基，第1排为31m长，1200B型PHC管桩，间距3600mm，该排桩为斜顶桩，斜度为3.5:1.0；第2排桩为30m长，1200B型PHC管桩，间距3600mm，该排桩为直桩；第3排为32m长，1200B型PHC管桩，间距3600mm，该排桩为斜顶桩，斜度为3.5:1.0；第4排桩为30m长，1200-V型预应力U型板桩，密排；第5排桩为30m长，1200B型PHC管桩，间距3600mm，该排桩为直桩。根据桩位布置，直立堤承台宽度确定为16m，标准段长度为18m。直立堤标准段桩位平面布置见图1。

1.3 护滩和倒滤层

墙前护滩采用抛石和混凝土联锁块组合防护，墙后设置减压抛石棱体，抛石棱体与围内吹填间设置倒滤层。

斜顶桩式高桩承台直立堤设计断面见图2。

2 有限元模型建立

图1 标准段桩位布置图（单位：mm）

图2 斜顶桩高桩承台直立堤断面图

2.1 土的本构模型选择

鉴于 HSS （Hardeningsoilsmall-strainmodel）模型在描述土体剪切硬化、压缩硬化、加卸载、小应变等方面的优势[3-4]，本次模拟分析选用HSS土体本构模型。在HSS模型中需确定小应变特性参数，即初始剪切模量G0和阈值剪应变γ0.7。其余11个HS（Hardeningsoilmodel）模型参数分别如下：

3个Mohr-Coulomb强度参数：c，有效黏聚力；Φ，有效内摩擦角；ψ，剪胀角。

计算中不同分层土体的重度γ、黏聚力和摩擦角等参数由勘察报告提供，刚度参数和高级参数则根据大量类似工程的监测数据反演分析得到[5]。各层土体计算的部分参数具体见表1。

表1 土体HSS模型参数表

2.2 桩结构与界面单元模型

Plaxis软件采用桩（Embedded）单元模拟结构桩基，可以模拟在垂直于模型平面方向上具有一定间距的排桩。刚度属性针对单根桩输入，程序将计算每m宽度的涂抹属性。该结构元件的特色在于，它不是直接与网格耦合，而是间接地通过线到线界面进行耦合（由弹簧和界面组成）。

Plsxis采用界面单元来模拟土-结构相互作用。Coulomb准则用以区别弹性性状（即在界面内可以出现小位移）和塑性界面性状（即可能出现永久滑动）。

式中：Φi和ci分别为界面的摩擦角和内聚力（黏着力）。界面的强度性质与岩土层的强度性质有关，界面的强度按照岩土层的强度与折减因子（Rinter）计算确定。

2.3 网格划分与施工步骤模拟

计算模型网格划分见图3。施工步骤设置按以下步骤进行：

图3 计算模型网格划分图

（1）桩基施工+墙前抛石。

（2）承台施工，预留后浇带。

（3）墙后抛石棱体抛至0.0m高程。

（4）后浇带浇筑。

（5）墙后一期吹填至0.0m高程。

（6）墙后二期抛石及二期吹填。

（7）上部防浪墙施工及墙后筑堤填土。

（8）外海水位降至设计低潮位-1.91m。

3 结果分析

3.1 整体位移变形分析

前墙（预应力U型板桩）成为堤前堤后竖向位移分界面，前墙前侧土体竖向位移受墙后吹填土影响较小，前墙后侧土体受吹填土影响显著，堤后最大竖向位移940mm，发生在墙后抛石棱体所在部位。直立堤整体竖向位移云图见图4。

受墙后土压力作用影响，前墙附近土体出现向海侧水平位移变形，最大水平位移变形量约54mm，最大水平位移出现在-6.0m高程处。直立堤水平位移云图见图5。

图4 直立堤竖向位移云图

图5 直立堤水平位移云图

3.2 前墙位移及内力分析

受墙后土压力作用影响，前墙出现向海侧位移变形，变形趋势为“肚皮型”，最大水平位移变形量为36.98mm，桩顶、桩底部位水平位移变形量较小。前墙垂直位移量为24.69mm。

前墙墙顶出现负弯矩，最大负弯矩值为-918.2kN·m;近泥面处出现正弯矩，最大正弯矩值为1354kN·m，弯矩内力值在预应力U型板桩可承受范围以内。前墙受墙后吹填土影响，出现比较明显的负摩阻效应。桩基上部受负摩阻力影响，桩基轴力较小，但未出现拉应力，桩基轴力最大值出现在桩基中下部位，最大轴力值为435.8×1.5=653.7kN。前墙内力、位移计算结果见图6。

图6 前墙计算结果图

3.3 PHC管桩位移及内力分析

PHC管桩最大弯矩内力出现在第5排桩，最大弯矩值为 381.9×3.6=1374.84kN·m，第 1、2、3排桩的最大弯矩内力值相对较小，其最大值分别为542.16kN·m、713.7kN·m，在桩基抗弯承载力范围之内。

第5排桩受墙后吹填土影响，出现了比较明显的负摩阻效应，桩基上部受负摩阻力影响，桩基轴力较小，但未出现拉应力，桩基轴力最大值出现在桩基中下部位，最大轴力值为948.6×3.6=3414.96kN。第1、2、3排桩基本无负摩阻效应，第1排和第3排桩为斜顶桩，桩基轴力值较大，特别是第3排桩，其最大轴力值达到1217×3.6=4381.2kN；第1排桩最大轴力为526.1×3.6=1893.96kN，第2排桩最大轴力为1552.05kN。PHC管桩内力、位计算结果移见图7。

图7 PHC管桩计算结果图

3.4 承台位移及内力分析

承台位移变形受墙后吹填土影响，临土侧沉降位移变形大，临海侧沉降位移变形小，承台最大沉降位移量为34.06mm，出现在承台后端部位；承台水平位移量为11.9mm。

承台基本呈现面层受拉的受弯状态，弯矩内力最大值出现在第3排桩附近，最大弯矩值为2380kN·m。承台内力、位移计算结果见图8。

图8 承台计算结果图

直立堤结构变形及内力计算结果汇总见表2。

表2 直立堤变形及内力计算成果一览表

4 结语

在水深较深的条件下，直立式围堤与常规斜坡堤结构相比，施工上可以实现“大型化、工厂化、标准化”，使得直立堤在防波堤、码头及筑岛工程中得到广泛应用。

与传统板桩码头结构相比，在临海侧采用斜顶桩高桩承台方案可以有效减小结构的总体水平位移变形，避免墙后高吹填土对斜桩的不利影响。

斜顶桩高桩承台结构在施工期及运行期的变形均可满足使用要求，结构内力均在可承受范围内，具有一定的可行性。这种结构为深水围堤工程建设提供了一种新的选择，具有一定的应用前景。

参考文献：

[1]周怡生.为上海城乡发展提供建设用地——南汇东滩滩涂促淤围垦工程简介[J].上海建设科技,2000(1):23-24.

[2]李亮.滩涂围垦技术发展现状及存在问题分析[J].中国新技术新产品,2012,21:74.

[3]田利勇,于文华,卢育芳.Plaxis在板桩结构分析中的应用[J].水运工程,2015(4):194-200.

[4]尹骥.小应变硬化土模型在上海地区深基坑工程中的应用[J].岩土工程学报,2010,.32(S1):166-172.

[5]王卫东,王浩然,徐中华.基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究[J].岩土力学,2012,33(8):2283-2290.