頂撐式拉錨地連墻在船閘閘室中的應(yīng)用

錢(qián)祖賓，沈建霞，單海春

頂撐式拉錨地連墻在船閘閘室中的應(yīng)用

錢(qián)祖賓1，沈建霞2，單海春1

（1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州 225009；2.江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇南京 210017）

為確保泰州引江河二線船閘施工期間一線船閘的安全，選用了拉錨地連墻結(jié)構(gòu)，并利用閘室底板設(shè)置頂撐，以改善閘室結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。文章對(duì)拉錨地連墻的結(jié)構(gòu)特性和受力特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并對(duì)其計(jì)算方法進(jìn)行了探討，以期為類(lèi)似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

船閘工程；頂撐式拉錨地連墻；施工期荷載；運(yùn)用期荷載；荷載效應(yīng)

1　船閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泰州引江河二線船閘位于已建一線船閘西側(cè)70 m處，與一線船閘平行布置，設(shè)計(jì)通航標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ級(jí)航道，閘室有效尺度為230 m×23 m×4 m，其平面布置如圖1所示。

圖1　船閘平面示意圖

根據(jù)工程設(shè)計(jì)功能要求，二線船閘的設(shè)計(jì)與施工不得影響一線船閘的正常運(yùn)行和安全。地質(zhì)勘探表明，場(chǎng)區(qū)地基土層多為砂壤土和粉砂，滲透性較強(qiáng)，滲透穩(wěn)定性較差，地基土層具有較強(qiáng)的水平滲透性，而垂直滲透性相對(duì)很弱，直接影響了基坑降水的效果。一線船閘施工時(shí)曾出現(xiàn)基坑降水困難的情況，當(dāng)基坑開(kāi)挖時(shí)，砂土層中的潛水和承壓水沿壤土薄層層面產(chǎn)生水平滲流，并由基坑開(kāi)挖臨空面溢出，而導(dǎo)致基坑開(kāi)挖面大量流沙，造成基坑邊坡的大面積滑塌。由于一、二線船閘相距較近，為避免類(lèi)似情況對(duì)一線船閘運(yùn)行與安全產(chǎn)生不利影響，本工程閘室結(jié)構(gòu)選用拉錨地連墻結(jié)構(gòu)。由于閘室擋土較高（10.5 m），故利用閘室底板設(shè)置了墻前頂撐以改善閘室地連墻的受力條件。墻前頂撐高1.2 m，寬1.0 m，間距4.6 m，如圖2、圖3所示。

圖2　閘室結(jié)構(gòu)立面圖

對(duì)本工程來(lái)說(shuō)，閘室地連墻既是閘室永久的承載受力構(gòu)件，又是閘室施工期基坑支護(hù)和基坑防滲的一部分，綜合功效較為顯著。一方面可以利用拉錨地連墻的支護(hù)作用對(duì)閘室內(nèi)土方實(shí)施垂直開(kāi)挖以減小基坑開(kāi)挖斷面，另一方面可以利用地連墻的截滲功能截?cái)嗤鈬叵滤蜷l室基坑的水平滲流通道，迫使地基產(chǎn)生垂直繞滲以延長(zhǎng)滲徑、減小水力坡降。此外，閘室地連墻與墻后多頭小直徑水泥攪拌樁可共同構(gòu)成閘室基坑防滲體系，以便對(duì)閘室墻前、后地下水位進(jìn)行分級(jí)控制，以維持一線船閘墻后水位的相對(duì)穩(wěn)定，如圖4所示。

圖3　閘室平面布置圖

圖4　閘室基坑防滲布置圖

2　施工流程

本工程閘室結(jié)構(gòu)施工流程為：閘室基坑第一次開(kāi)挖→閘室地連墻與錨碇結(jié)構(gòu)施工→拉桿安裝→墻后一次回填→閘室基坑二次開(kāi)挖→閘室底板施工→墻后二次回填。

為有效控制施工期結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移，墻前頂撐形成之前，墻后一次回填不宜太高，一般回填至錨碇承臺(tái)面高程即可。

3　結(jié)構(gòu)計(jì)算

拉錨地連墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力按豎向彈性地基梁法計(jì)算，采用整體建模，按桿系有限元法進(jìn)行求解。

3.1計(jì)算模型建立

根據(jù)閘室地連墻施工流程及結(jié)構(gòu)特性，當(dāng)閘室底板澆筑前，閘室結(jié)構(gòu)為單一的拉錨地連墻結(jié)構(gòu)，如圖5所示；閘室底板澆筑后，由于閘室底板的頂撐作用，閘室結(jié)構(gòu)由單一的拉錨地連墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為頂撐式拉錨地連墻結(jié)構(gòu)，如圖6所示。由于閘室底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為彈性體，其頂撐作用可按彈性桿件考慮（如圖6中的K0）。由于2個(gè)時(shí)期結(jié)構(gòu)受力體系的不同，結(jié)構(gòu)受力分析需分期建模、分別計(jì)算。

閘室底板的頂撐作用主要體現(xiàn)在運(yùn)用期，這是因?yàn)殚l室底板澆筑前，閘室結(jié)構(gòu)在施工期荷載的作用下已處于受力狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形不會(huì)因?yàn)殚l室底板的澆筑而消失，閘室底板澆筑后，隨著閘室作用荷載的變化，閘室底板作為閘室受力體系的一部分而共同受力，因此，閘室地連墻運(yùn)用期荷載效應(yīng)Sy應(yīng)為施工荷載效應(yīng)SS與運(yùn)用期荷載增量所引起的荷載效應(yīng)ΔS之和：

式中：Sy為運(yùn)用期閘室結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)；SS為施工期荷載引起的荷載效應(yīng)；ΔS為運(yùn)用期荷載增量引起的荷載效應(yīng)。

運(yùn)用期荷載增量是指運(yùn)用期作用荷載與施工期作用荷載之差，主要包括墻后土壓力增量Δea以及剩余水壓力增量Δew。

式中：ea-y、ea-s分別為運(yùn)用期和施工期的墻后土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；ew-y、ew-s分別為運(yùn)用期和施工期的剩余水壓力標(biāo)準(zhǔn)值。

圖5　施工期閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖6　運(yùn)用期閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.2荷載分析

閘室地連墻主要作用荷載有墻后土壓力、剩余水壓力及地面荷載引起的土壓力等。墻后土壓力ea及地面均載引起的土壓力eaq可按規(guī)范［1］中的有關(guān)公式計(jì)算。

剩余水壓力指閘室地連墻兩側(cè)水壓力之差，其強(qiáng)度分布與閘墻前后的水位變化、地基土層分布及其滲透性能有關(guān)。當(dāng)?shù)鼗翆訛橥杆酝翆訒r(shí)，則應(yīng)考慮地基滲流對(duì)剩余水壓力分布的影響［2］。剩余水壓力強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

式中：γw為水體的重度；Δh 為閘墻兩側(cè)的水頭差，對(duì)于透水地基應(yīng)計(jì)入地基滲流對(duì)滲透水頭的影響。

3.3模型參數(shù)的確定

模型參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)尺寸模型參數(shù)和地基特性模型參數(shù)。

（1）結(jié)構(gòu)尺寸模型參數(shù)。

結(jié)構(gòu)尺寸模型參數(shù)主要包括模型桿系的截面尺寸及墻前撐梁的彈性系數(shù)K0等。模型結(jié)構(gòu)的計(jì)算寬度通常取單位寬度1.0 m。

閘室地連墻和錨碇承臺(tái)為連續(xù)結(jié)構(gòu)，故地連墻和錨碇承臺(tái)截面尺寸按結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸取用即可；拉桿、錨碇樁及墻前撐梁呈分離式間隔布置（如圖3所示），需按單位寬度進(jìn)行換算。

拉桿為正截面受拉構(gòu)件，可按等截面進(jìn)行換算：

式中：d0為拉桿的換算直徑；d為拉桿的設(shè)計(jì)直徑；la為拉桿的間距。

錨碇樁則為彎壓構(gòu)件，可按等剛度進(jìn)行換算：

式中：D0為錨碇樁的換算直徑；D為錨碇樁的設(shè)計(jì)直徑；lb為錨碇樁的縱向樁距。

墻前撐梁的彈性系數(shù)K0可按下式計(jì)算：

式中：K0為混凝土撐梁的彈性系數(shù)；EC為混凝土撐梁的彈性模量；AC為混凝土撐梁的截面面積；L0為混凝土撐梁的計(jì)算長(zhǎng)度，由于閘室墻為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，撐梁在軸向力作用下的變形零點(diǎn)位于撐梁的中截面上，則有L0= L/2， L為撐梁長(zhǎng)度；lC為混凝土撐梁的間距。

（2）地基特性模型參數(shù)。

地基特性模型參數(shù)主要是指地連墻和錨碇樁彈性桿件的彈性系數(shù)，可按下列公式計(jì)算：

式中：ki為地連墻第i根彈性桿件的彈性系數(shù)；k'i、k''i分別為施工期和運(yùn)用期錨碇樁第i根彈性桿件的彈性系數(shù)；m、m'分別為地連墻和錨碇樁水平地基反力系數(shù)隨深度增大的比例系數(shù)；ΔZ、ΔZ'分別為地連墻和錨碇樁彈性桿件的間距；Zi為地連墻第i根彈性桿件距泥面的深度；Z'i、Z''i分別為施工期和運(yùn)用期錨碇樁第i根彈性桿件距泥面的深度；b為錨碇樁的計(jì)算寬度。

4　算例分析

4.1設(shè)計(jì)模型與參數(shù)

本工程閘室凈寬23.0 m，閘室結(jié)構(gòu)為拉錨地連墻結(jié)構(gòu)，墻頂高程△6.0 m，拉桿高程△2.5 m，閘底板面高程△-4.5 m；地連墻厚80 cm，拉桿直徑d = 70 mm，拉桿間距l(xiāng)a= 1.5 m；錨碇樁采用鉆孔灌注樁，樁徑D = 1.2 m，縱、橫向間距均為lb= 3.6 m；閘室底板采用鋼筋混凝土梁格結(jié)構(gòu)，其中，橫梁兼作閘室地連墻頂撐梁，長(zhǎng)度L = 24.0 m，間距l(xiāng)c= 4.6 m。閘室施工期與運(yùn)用期計(jì)算模型如圖7～圖9所示。

圖7　施工結(jié)構(gòu)模型與荷載分布圖

圖8　運(yùn)用期結(jié)構(gòu)模型與荷載分布圖

圖9　運(yùn)用期結(jié)構(gòu)模型與荷載增量分布圖

圖7為施工期結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，墻后分布荷載為施工期墻后主動(dòng)土壓力ea-s與剩余水壓力ew-s之和；圖8為運(yùn)用期結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，墻后分布荷載為運(yùn)用期墻后主動(dòng)土壓力ea-y與剩余水壓力ew-y之和；運(yùn)用期荷載增量Δe為運(yùn)用期荷載與施工期荷載之差，Δe =（ea-y+ ew-y）-（ea-s+ew-s），如圖9所示。

拉桿的換算直徑d0按式（4）計(jì)算：

錨碇樁的換算樁徑D0按式（5）計(jì)算：

撐梁混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C25，其彈性模量Ec= 2.8×107kN/m2；撐梁的截面積Ac= 1.0×1.2c=1.2 m；由于閘室結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，則 L0= L/2 = 12.0 m，混凝土撐梁的彈性系數(shù)K0按式（6）計(jì)算。

地基各彈性桿件的彈性系數(shù)ki、k'i、k''i可根據(jù)各彈性桿距泥面的深度及相應(yīng)土層的土層特性按式（7）、（8）、（9）進(jìn)行計(jì)算。

4.2閘室內(nèi)力計(jì)算

閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算主要包括地連墻內(nèi)力、拉桿拉力及錨碇結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算等，本文側(cè)重于墻前頂撐對(duì)閘室地連墻彎矩的影響分析。

施工期荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)彎矩如圖10所示，運(yùn)用期荷載增量產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)彎矩如圖11所示；運(yùn)用期荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)總彎矩如圖12所示，即施工期荷載所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)彎矩與運(yùn)用期荷載增量所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)彎矩之和。由圖12可知，地連墻運(yùn)用期最大彎矩為501.9kN·m，與施工期最大彎矩呈“錯(cuò)峰”分布。

圖10　施工期荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)彎矩圖（單位：kN·m）

圖11　運(yùn)用期荷載增量產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)彎矩圖（單位：kN·m）

圖12　運(yùn)用期荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)總彎矩圖（單位：kN·m）

不考慮墻前頂撐時(shí)閘室運(yùn)用期結(jié)構(gòu)模型與荷載分布圖如圖13所示，其結(jié)構(gòu)模型荷載分布分別如圖7、圖8所示。由于不考慮墻前頂撐作用，施工期與運(yùn)用期具有相同的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，運(yùn)用期結(jié)構(gòu)內(nèi)力可根據(jù)運(yùn)用期作用荷載直接計(jì)算，無(wú)需進(jìn)行荷載增量的拆分和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的疊加，其結(jié)構(gòu)彎矩如圖14所示，地連墻運(yùn)用期最大彎矩為742.0 kN·m。

計(jì)算結(jié)果顯示，在閘室地連墻作用荷載相同的情況下，設(shè)置墻前頂撐，地連墻運(yùn)用期最大彎矩較不設(shè)置墻前頂撐可減小240.1 kN·m，減幅約為32%。此外，設(shè)置墻前頂撐，閘室結(jié)構(gòu)運(yùn)用期拉桿拉力和墻頂位移等也均有不同程度的減小，如表1所示。

圖13　運(yùn)用期結(jié)構(gòu)模型與荷載分布圖（不考慮頂撐）

圖14　運(yùn)用期荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)彎矩圖（不考慮頂撐）

表1　閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算成果

5　結(jié)語(yǔ)

本文側(cè)重介紹了拉錨地連墻在結(jié)構(gòu)受力、基坑支護(hù)及地基防滲方面的綜合功能，闡述了頂撐式拉錨地連墻的結(jié)構(gòu)特性和受力特點(diǎn)，并對(duì)頂撐式拉錨地連墻的計(jì)算方法進(jìn)行了探討。根據(jù)工程算例分析，利用閘室底板設(shè)置墻前頂撐可以有效改善閘室結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，有利于提高結(jié)構(gòu)的承載能力和對(duì)結(jié)構(gòu)位移的控制。

［1］JTS167-3—2009板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

［2］錢(qián)祖賓，沈建霞，喬婷.地基滲流對(duì)板樁碼頭剩余水壓力的影響分析［J］.水運(yùn)工程，2013（5）：157-162.

［3］JTJ305—2001船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］JTJ307—2001船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］JTJ248—2001港口工程灌注樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程［S］.

［6］JTS144-1—2010港口工程荷載規(guī)范［S］.

［7］韓理安.港口水工建筑物［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［8］顧民權(quán).海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，1997.

Application of Ahchored Sheet Pile with Bottom Beams in Ship Lock Chamber

Qian Zubin1， Shen Jianxia2， Shan Haichun1
（1. Jiangsu Water Investigation， Design and Research Institute， Yangzhou 225009， China；2. Jiangsu Transportation Institute， Nanjing 210017， China）

To ensure the safety of first line lock during the construction of second line lock of Yingjiang river in Taizhou city，anchored sheet pile is applied as the lock chamber to decrease the height of the excavation pit. At the same time， bottom beams are applied on the baseboard of the lock chamber to improve the stress state. The paper introduces the structure and mechanical characteristics of anchored sheet pile with bottom beams， the calculation methods are also introduced， which can be taken as reference for the same structure design.

ship lock； anchored sheet pile with bottom beams； construction load； load in service； load effect

U641.31

A

1672-9889（2015）01-0066-05

錢(qián)祖賓（1963-），男，江蘇如皋人，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作。

（2014-04-23）