鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)加固方法研究

李格平 ，郭 暢 ，駱 城 ，熊洪峰 ，3

（1.天津港航工程有限公司，天津300457；2.交通部天津水運工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；3.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001）

斜頂樁鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)是依靠斜頂樁提供水平抵抗力，帽梁連接斜頂樁與鋼板樁，鋼板樁將上部水平力傳至土層深處進(jìn)而減小岸坡變形的結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)《天津港碼頭設(shè)施2008年秋季調(diào)查報告》［1］可知，天津港某碼頭鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)在惡劣的海洋環(huán)境中因銹蝕、電化學(xué)腐蝕、海浪沖刷等作用，出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕破損現(xiàn)象［2］。為了保障碼頭的安全使用，亟需對鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)加固方法的研究還處于理論階段，在經(jīng)濟性和施工難易度2個指標(biāo)的制約下，能用于工程實際的加固方法現(xiàn)在還不多見，本文運用ANSYS有限元模型對工程實例進(jìn)行數(shù)值分析，對鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)加固方案進(jìn)行比選，尋求能夠運用于工程實際的最優(yōu)加固方案。

1 工程概況

碼頭的鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)為鋼板樁+斜頂樁+帽梁型式。擋土結(jié)構(gòu)是由厚45 cm的預(yù)應(yīng)力板樁墻、55 cm×55 cm的預(yù)應(yīng)力空心斜頂樁和帽梁構(gòu)成的擋土墻，板樁墻和斜頂樁的連接型式為固接。板樁樁尖打至-17.5 m，斜頂樁樁尖打至-22.0 m，相鄰斜頂樁間距為3.5 m。其碼頭局部斷面見圖1。

根據(jù)現(xiàn)場測試可知，該鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)的大多數(shù)鋼板樁只剩下80%的殘余厚度（鋼板樁原厚度為15 mm，80%的殘余厚度為12 mm），部分破損嚴(yán)重區(qū)域的鋼板樁已出現(xiàn)了300 mm×500 mm的銹洞（圖2）。

2 ANSYS有限元計算模型的建立

為了準(zhǔn)確模擬樁土之間的摩擦力，考慮各構(gòu)件之間力傳遞的復(fù)雜性，本文采用實體單元solid45。各構(gòu)件之間的連接形式均為固接。為減小建模的難度并能劃分出計算相對精確的規(guī)則網(wǎng)格，采用式（1）、式（2）對U形鋼板樁進(jìn)行一定的簡化。根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)段的對稱性，沿碼頭岸線方向取3.5 m范圍，岸-海方向取83 m范圍（碼頭前沿外-13 m，碼頭前沿往后取-70 m）。模型示意圖見圖3，有限元模型網(wǎng)格見圖4。模型的底面設(shè)為全約束；由于模型在岸-海方向選取了足夠的長度，故不考慮X方向的位移，模型前后兩側(cè)僅設(shè)置X方向的約束；模型的左右兩側(cè)設(shè)為對稱約束［3］。

圖1 碼頭局部斷面圖Fig.1 Local section view of the pier

圖2 鋼板樁銹洞位置Fig.2 Position of corrosion on steel sheet pile

式中：EC、ES分別為計算彈性模量和鋼的彈性模量；IS、AS分別為U形鋼板樁的慣性矩和截面面積，鋼板樁的截面面積和慣性矩參照《港口工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［4］（JTJ283-99）；IC、AC分別為計算模型中連續(xù)墻的慣性矩和截面面積。

3 鋼板樁銹蝕及破損情況的有限元分析

本文采用ANSYS有限元分別計算了鋼板樁在完好狀態(tài)下、銹蝕情況下（還有80%的殘余厚度）、局部破損（300 mm×500 mm的銹洞）情況下，在后方堆場設(shè)計荷載為5 T/m2的豎向荷載下，土體的最大水平位移和鋼板樁的最大壓應(yīng)力，計算結(jié)果見表1。

由表1可以看出：（1）鋼板樁在完好狀態(tài)下，土體的最大水平位移要比銹蝕或者破損狀態(tài)的最大水平位移小得多。這是由于鋼板樁在受到后方土體壓力作用時，形成了一種超靜定梁的結(jié)構(gòu)（上面固接在斜頂樁，下面沿X方向支撐在土上）。鋼板樁在完好狀態(tài)時其剛度較大，在同樣的主動土壓力作用時，其變形較小，從上支座到下支座間的板樁引起的板樁另一側(cè)的被動土壓力較小，而使大多數(shù)的主動土壓力在板樁的作用下傳遞到了土體的深處，土體的最大水平位移較小；鋼板樁銹蝕或者破損后其抗彎剛度下降，在土體上部對鋼板樁的另一側(cè)產(chǎn)生了較大的被動土壓力，主動土壓力就不能很好地傳遞到土體深處。故使土體的最大水平位移有所增加。（2）在完好狀態(tài)下，鋼板樁的最大壓應(yīng)力也比銹蝕或者破損情況下板樁的壓應(yīng)力要小的多，并且根據(jù)《港口工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》Q235鋼材的抗彎強度設(shè)計值為f=215 N/mm2，鋼板樁在銹蝕區(qū)域板樁的應(yīng)力和破損情況下銹洞附近完好板樁的應(yīng)力均超過了215 N/mm2，板樁處于不安全狀態(tài)。

表1 鋼板樁在銹蝕及破損情況下的土體最大水平位移和板樁最大壓應(yīng)力Tab.1 Soil maximum horizontal displacement and sheet pile maximum compression stress under conditions of corrosion and localized damage

4 鋼板樁修復(fù)加固方案

修復(fù)加固方法大致可以分為局部維修加固法和設(shè)置替代擋土結(jié)構(gòu)法2大類。局部維修加固法包括補焊鋼板法、局部外包加固法、降低帽梁覆蓋高程法、改善墻后土體性能法等；設(shè)置替代擋土結(jié)構(gòu)法包括增設(shè)地下連續(xù)墻法、增設(shè)替代鋼板樁法等［5］。

鋼板樁出現(xiàn)銹洞破損，最直接的方法就是焊接鋼板修復(fù)，再作涂料防銹處理；但是補焊的鋼板同鋼板樁形成電偶，補焊的鋼板作為陽極很快被消耗，這就導(dǎo)致二次銹蝕問題［6］。改善墻后土體法雖然工程造價低，但加固效果較差，主要用于新建碼頭，不適用于本工程。地下連續(xù)墻法、增設(shè)替代鋼板樁法不僅會影響碼頭的正常作業(yè)，而且工程量巨大，工程造價高。

根據(jù)工程特點、預(yù)期加固效果等因素，提出帽板加固法和局部外包法2種加固方案。通過建立2種方法的ANSYS有限元模型進(jìn)行數(shù)值計算，并結(jié)合施工可行性和經(jīng)濟性推薦最優(yōu)方案。

4.1 帽板加固法

4.1.1 帽板加固介紹

帽板加固法的優(yōu)點是施工作業(yè)面不涉及碼頭面以上，無需開挖碼頭擋土墻后方土體，施工簡便，不影響生產(chǎn)；缺點是會給斜頂樁增加一定的彎矩。帽板加固法具體內(nèi)容和要點如下。

（1）帽板式鋼筋混凝土加固體分為加固板和斜頂樁外包體2部分，有關(guān)尺寸可在下列數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整：加固板長L＝3 500 mm+550 mm+300 mm＝4 350 mm，根據(jù)斜頂樁間距調(diào)整；加固板厚A＝300 mm，設(shè)置凈保護(hù)層50 mm，雙側(cè)雙向配筋；加固板高H＝1 500 mm，根據(jù)鋼板樁頂部銹蝕破損情況，從泥面向下開挖至鋼板樁剩余厚度滿足要求處，加固板高度據(jù)此調(diào)整。斜頂樁外包混凝土尺寸為沿樁周外擴150 mm，其高度與加固板同高，施工有困難時也可以略小于加固板高度。對于已經(jīng)鉸接外包的斜頂樁可以利用原外包體形成對加固板的支撐。

（2）為加強整體性，應(yīng)在帽梁底部栽錨筋，加固板底部附近的鋼板樁上焊拉筋，其他高度焊抗剪器。所以焊接金屬均應(yīng)處于加固混凝土保護(hù)內(nèi)。

4.1.2 帽板加固法的有限元分析

考慮到泥面以下的鋼板樁尚可發(fā)揮剩余作用，直接在鋼板樁銹洞位置采用帽板式鋼筋混凝土加固，將尚能工作的鋼板樁通過加固體與斜頂樁連接起來，帽板加固法方案見圖5。

計算得到帽梁加固法下土體的最大側(cè)向位移為14.7 mm，說明采用帽板加固法能夠?qū)P洞以下的鋼板樁與帽梁的共同作用重新建立關(guān)系。土體的側(cè)向位移見圖6。通過計算得到鋼板樁的最大壓應(yīng)力為195 N/mm2，小于Q235鋼材的抗彎強度設(shè)計值為f=215 N/mm2，板樁處于安全狀態(tài)。但是鋼板樁在土體豎向摩擦力的作用下下沉，會使斜頂樁受到很大的彎矩，帽板加固法使原本斜頂樁產(chǎn)生的抵抗主動土壓力的水平力作用點向下移，進(jìn)一步增大了斜頂樁受到的彎矩；雖然帽板加固法對斜頂樁上部進(jìn)行了外包加固，但是結(jié)合第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，斜頂樁加固樁帽的底部受力相對集中，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在這個位置，其中第一主應(yīng)力最大值為34 MPa，第三主應(yīng)力最大值為37.6 MPa。這是斜頂樁在上述彎矩作用下的結(jié)果，雖然斜頂樁受到的水平力會產(chǎn)生一定的反彎矩，斜頂樁受到的彎矩會沿帽梁底部向下有一定的降低，但是在斜頂樁加固樁帽底部的彎矩還未減小到安全彎矩，故還應(yīng)對斜頂樁進(jìn)行一定的加固，即通過計算在帽板加固法加固樁帽的底部一定長度內(nèi)再進(jìn)行外包加固。外包樁帽、澆筑帽板以及結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性使鋼筋配置和尺寸確定比較繁瑣。

4.2 局部外包法

4.2.1 局部外包法介紹

考慮到帽板加固法中斜頂樁的受彎特性和現(xiàn)場施工難度，提出了對破損鋼板樁采用鋼筋混凝土局部外包法。該方法優(yōu)點是施工可操作性強，不會影響斜頂樁的受力性能；缺點是利用了原部分銹損的鋼板樁。

局部外包法方案要點如下：（1）用鋼筋混凝土板加固鋼板樁銹蝕破損部分（類似“夾板法”接骨處理）；（2）在鋼板樁破損上下焊接錨筋生根，使其與外包體形成整體作用，共同受力；（3）在鋼板樁原排水孔位置，依然預(yù)留排水孔；（4）加固體底部可按極端低水位-1.29 m設(shè)計；（5）如采用干法施工，需局部掀開碼頭后承臺一跨面板，進(jìn)行深層支護(hù)施工，清泥形成施工作業(yè)面，然后澆筑鋼筋混凝土加固體。

4.2.2 局部外包法的有限元分析

鋼板樁局部外包方案是在鋼板樁產(chǎn)生銹洞的位置，對鋼板樁進(jìn)行局部加固，使鋼板樁恢復(fù)到需要的強度和狀態(tài)。局部外包法方案見圖7。

計算得到帽梁加固方法下土體的最大側(cè)向位移為14.68 mm，說明采用局部法能夠?qū)P洞上下的鋼板樁連接起來，使鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)體系的共同作用得到恢復(fù)。土體的側(cè)向位移見圖8。通過有限元得到局部外包法下的鋼板樁彎矩圖（圖9）和軸力圖（圖10），然后根據(jù)式（3）［7］得到鋼板樁的最大壓應(yīng)力為93 N/mm2（高程-2 m處），處于安全狀態(tài)。

對局部外包法加固后的混凝土構(gòu)件（帽梁結(jié)構(gòu)和加固體）進(jìn)行應(yīng)力分析，通過分析第一主應(yīng)力圖可知，加固混凝土體的海側(cè)方向是受拉的主要區(qū)域，最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在加固體頂端，最大值為2.37 MPa，超過了抗拉強度1.78 MPa，但范圍較小，但是加固體在向海側(cè)配有鋼筋，只要適當(dāng)增加配筋率便能滿足抗拉條件。由第三主應(yīng)力分析可知，主要受壓區(qū)域為斜頂樁與帽梁連接處和加固體的岸側(cè)，但是應(yīng)力值都相對較小，對結(jié)構(gòu)沒有影響。

5 結(jié)論

本文針對天津港某碼頭鋼板樁銹蝕破損特征并考慮加固的經(jīng)濟性、施工可行性等因素，提出了2種加固比選方案：帽板加固法和局部外包法。綜合有限元計算分析結(jié)果，帽板加固法可以將泥面以下的鋼板樁與斜頂樁和帽梁連接起來，重新實現(xiàn)了接岸結(jié)構(gòu)的功能，但是斜頂樁樁帽位置加固體的受力較大。局部外包法是在鋼板樁產(chǎn)生銹洞的位置采用鋼筋混凝土外包，計算接岸結(jié)構(gòu)變形特征分析結(jié)果表明，其加固效果也可基本達(dá)到鋼板樁完好情況的水平，鋼板樁及結(jié)構(gòu)的受力也能滿足要求。

綜合以上加固方案的特點及數(shù)值分析結(jié)果，推薦在鋼板樁產(chǎn)生銹洞位置采用局部外包法對鋼板樁進(jìn)行加固，該方案施工難度相對較低、可操作性較強、工程量小、不影響碼頭的正常作業(yè)，且加固后接岸結(jié)構(gòu)的變形和受力也能滿足使用要求。

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