钢板桩是一种在基坑工程、护岸工程、码头工程中得到普遍应用的结构, 主要作为支挡结构用来抵抗侧向土压力作用。由于工程建设的需要, 目前钢板桩应用主要集中于内河航道护岸和码头建设, 一些学者对钢板桩结构和地基相互作用进行较多研究, 得到钢板桩结构内力分布、变形特性和位移规律、墙后摩擦力和土压力分布等, 为护岸工程提供有益设计依据^[1,2]。随着我国海洋发展战略和海洋建设工程的持续推进, 工程建设人员面对越来越多的跨海桥梁、岛礁吹填等海洋工程, 对于吹填珊瑚砂地基条件下基础结构变形与受力规律急需更多研究和数据支持。在地质条件以珊瑚砂为主的海洋岛礁环境下, 护岸结构受力规律与在陆地环境下差别巨大, 研究经验无法直接应用于复杂海洋岛礁护岸建设中, 因为珊瑚砂是一种以碳酸钙为主要成分的多孔隙岩土介质, 具有形状不规则、易破碎、承载力较低等特点, 和普通石英砂性质迥异^[3]。以护岸钢板桩在吹填珊瑚砂地基条件下的受力和变形监测数据为基础, 对结构在施工期受到珊瑚砂土压力、潮汐和风力等复杂作用下的状态进行分析, 并通过数值模拟进行对比分析。

马尔代夫机场建在马累岛东面的珊瑚岛上, 拟建护岸工程属于马尔代夫机场改扩建工程的一部分, 整个护岸工程分布于机场西北侧、北侧及东侧, 工程所处地基主要由珊瑚砂和石灰岩构成, 现场地层自上而下分别为: (2) 细珊瑚砂、 (2) _1a砾状粗珊瑚砂、 (2) _1b含砾石块的砾质粗砂、 (2) _2a砾石粗珊瑚砂、 (2) _2b含碎石块的砂砾粗砂珊瑚砂、 (2) ₃珊瑚砾石块、 (3) 礁石灰岩。根据地形地质条件, 护岸部分采用钢板桩式护岸结构。钢板桩主桩长20m, 锚桩长10m, 拉杆长9m, 采用铰接方式形成护岸结构, 其基本工作原理可参考文献[4]。

根据设计要求, 在机场扩建区钢板桩护岸范围内共设置2个测试断面, 即有锚断面和无锚断面。各断面分别布置地面沉降板、水平棱镜、桩身应变计、拉杆应力计等测试仪器和设备。

1) 沉降分析

钢板桩施工结束后, 位移变化出现上升趋势;约5d后, 该趋势向下并逐渐出现负值 (相对于原位向下沉降) ;主桩施工结束后, 位移小幅波动并逐渐趋于平稳, 沉降值约3～4mm, 沉降值-时间关系曲线如图1所示。

不同区域沉降值如图2所示, 分析可知: (1) 回填后, 主桩和回填区土体均有较大沉降, 绝对沉降值较为接近, 此时, 桩土界面相对滑移较小, 沿界面表面几乎没有相对滑动, 处于黏结状态; (2) 施工结束后, 沉降进入稳定区, 沿海侧向陆侧方向沉降值逐渐增大; (3) 回填区土体沉降值差别很小, 说明回填区沉降较为均匀, 土体具有较好的连续性; (4) 最终主桩相对土体有明显位移差, 即回填区土体相对主桩有向下沉降的趋势, 因此, 土体对主桩除水平土压力作用外, 在桩土接触界面上存在向下的摩擦力作用, 而锚桩相对于土体有向下沉降的趋势, 进一步增强锚固效应, 该效应可增加主桩稳定性。

2) 水平位移

不同施工阶段钢板桩位移变化如图3所示, 正位移表示向陆侧位移、负位移表示向海侧位移, 变化趋势为先波动上升 (向陆侧位移) 、后波动下降 (向海侧位移) , 逐渐达到平衡。

不同施工阶段桩身应变监测和弯矩计算结果如图4所示, 微应变和弯矩存在较好的一致性。拉杆安装前, 微应变和弯矩都很小;拉杆安装完成后, 桩身应变和弯矩出现剧烈变化。其中, 在深度0～5m, 12～16m, 桩身受负弯矩作用 (陆侧受压、海侧受拉) , 钢板桩承受主动土压力;在深度5～12m, 桩身受正弯矩作用, 钢板桩承受被动土压力。不同时期, 由于施工阶段不同, 钢板桩不同深度的应变和弯矩随之变化, 且施工主要影响深度>5m及靠近钢板桩底部2m左右的区域, 对最大弯矩的影响很小。

拉杆应力随时间变化曲线如图5所示。拉杆安装后, 应力随时间缓慢下降, 出现2次较为明显的突降。第1次突降发生于2018年2月23日, 由于测试断面两侧进行锚桩施工与拉杆安装;第2次突降发生于2018年3月15日, 因为进行墙后土方开挖回填, 释放了拉杆应力。

对于土体和结构物相互作用的数值模拟, 关键因素之一就是如何正确模拟土体应力与变形特性。在模型库中植入“南水双屈服面模型” (简称南水模型) , 对珊瑚砂地基条件下钢板桩结构和土体相互作用进行模拟, 计算得到地基土和钢板桩位移、地基应力分布及钢板桩弯矩分布。

为获得马尔代夫珊瑚砂弹塑性本构模型参数, 针对工程现场珊瑚砂进行三轴剪切试验, 测定土料应力-应变关系, 依此确定土料抗剪强度指标及南水模型参数, 如表1所示。计算时采用线弹性模型模拟钢板桩应力-应变关系, 线弹性模型参数杨氏模量E=206GPa、泊松比μ=0.2。珊瑚砂静止侧压力系数取0.40, 接触面摩擦系数取0.22。

地基和护岸结构模型根据现场断面建立, 主桩下端嵌入礁灰岩2m。为消除边界效应, 模型深30m、长70m、宽6m, 底部施加3个方向约束, 周围施加法向约束。计算中重点关注2种主要工况, (1) 护岸结构在陆侧回填条件下的整体稳定性, 回填总高1.2m, 分2层, 每层0.6m; (2) 机械荷载对结构整体稳定性的影响, 因为机械荷载在施工期间几乎持续存在, 与土层主要沉降期重合, 因此有必要考虑该种荷载对护岸结构和土体沉降的影响, 机械荷载施加在主桩和锚桩间, 大小为60kN, 约为土层自重的3倍。

计算结果显示, 模型整体最大竖向位移为16.6mm, 发生在主桩和锚桩间回填土上, 方向向下;整体最大水平位移为4.9mm, 发生在回填土中间位置, 指向海侧。主桩最大水平位移为3.85mm, 指向陆侧, 发生在结构顶部。锚桩最大水平位移为3.59mm, 指向陆侧, 发生在结构顶部。地基土剪应力为8～15kPa, 剪应力不大。土体最大剪应力为86.4kPa, 发生在钢板桩与土体基础附近的局部位置, 不会对地基土整体造成破坏。由上述分析可知, 钢板桩结构在正常工作情况下基本稳定。

主桩和锚桩弯矩分布如图6所示, 陆侧受拉为正。主桩上部出现正弯矩、中部出现负弯矩、下部出现正弯矩, 最大正弯矩距墙顶约19m, 单宽弯矩为23.4kN·m/m;最大负弯矩距墙顶约14m, 单宽弯矩为-4.1kN·m/m。锚桩上部出现负弯矩、下部出现正弯矩, 最大负弯矩距墙顶约3.8m, 单宽弯矩为-19.6kN·m/m;最大正弯矩距墙顶约9.5m, 单宽弯矩为8.3kN·m/m。

现场监测和数值模拟结果如表2所示。现场监测结果显示, 主桩和锚桩水平位移分别为8.00, 7.00mm, 表明土体水平方向总变形为1mm, 数值模拟结果为0.26mm, 2种方法得到的相对变形较为接近, 进一步增强结果可靠性。数值模拟结果比现场监测结果偏小, 可能由于数值模拟未考虑珊瑚砂破碎对土体本构模型的影响, 而珊瑚砂破碎效应会显著改变土体应力-应变关系^[5]。数值模拟计算得到的珊瑚砂地面沉降为16.6mm, 现场原型观测结果为12.0mm, 两者数量级一致, 较为接近。由表2可知, 钢板桩弯矩数值模拟计算值相对于现场监测值偏小;由图4, 6可知, 数值计算和监测得到的钢板桩弯矩沿深度分布趋势一致, 均表现为S形变化, 随着深度增加, 海侧正弯矩先增大后减小, 并逐渐出现负弯矩, 负弯矩随后也逐渐增大, 达到最大值后逐渐减小。数值计算结果显示, 在接近基岩的锚固段, 正弯矩再次出现一段较大增长, 由于基岩对钢板桩底部的约束作用产生类似悬臂梁固端弯矩。总体来看, 监测和数值计算结果在钢板桩弯矩沿深度分布规律上体现出较好的一致性。

通过对珊瑚砂地基条件下钢板桩进行原型观测研究分析, 发现珊瑚岛礁新吹填陆域钢板桩护岸整体上十分稳定。施工期钢板桩竖向、水平位移出现先上升后下降的趋势, 转折点一般为新工序开始或结束。钢板桩弯矩沿深度分布趋势一致, 均表现为S形变化, 随着深度增加, 海侧正弯矩先增大后减小, 并逐渐出现负弯矩。