拉森IV型鋼板樁圍堰力學(xué)特性研究

黃凌君，席海永，田爾布

(三明學(xué)院，福建三明365004)

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拉森IV型鋼板樁圍堰力學(xué)特性研究

黃凌君，席海永，田爾布

(三明學(xué)院，福建三明365004)

摘要：鋼板樁圍堰在施工過(guò)程中的危險(xiǎn)系數(shù)高，坍塌后往往會(huì)造成重大傷亡事故。以國(guó)道205線(xiàn)三明市區(qū)過(guò)境段工程荊東互通主線(xiàn)橋拉森IV型鋼板樁為例，采用ANSYS軟件建立鋼板樁圍堰模型，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算分析，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較。結(jié)果表明：該工程鋼板樁圍堰采用的模型和計(jì)算方法是合理的，抗彎強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，關(guān)鍵部位變形在容許范圍之內(nèi)，實(shí)際結(jié)構(gòu)較為可靠。

關(guān)鍵詞：拉森IV型；鋼板樁圍堰；力學(xué)特性

拉森IV型鋼板樁圍堰由于防水性能好，施工速度較快，施工費(fèi)用低廉[1]，在工程中得到較為廣泛的應(yīng)用。然而，由于鋼板樁圍堰在河道橋墩施工過(guò)程中的危險(xiǎn)性較高[2]，需要對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)特性研究。目前，圍繞鋼板樁圍堰體系研究取得了許多成果，但專(zhuān)門(mén)針對(duì)拉森IV型鋼板樁圍堰的研究還比較少，本文根據(jù)背景工程中拉森IV型鋼板樁圍堰的實(shí)際受力情況，采用ANSYS軟件建立模型。按施工階段不同，對(duì)5種工況進(jìn)行加載，研究鋼板樁的抗彎強(qiáng)度，并對(duì)2種最不利工況下的圍堰內(nèi)支撐位移和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，研究的過(guò)程和結(jié)果可為其他類(lèi)似工程提供應(yīng)用參考。

1工程概況

國(guó)道205線(xiàn)三明市區(qū)過(guò)境段工程荊東互通主線(xiàn)橋起訖里程為K18+070.5～K18+651.5，橋長(zhǎng)581 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制連續(xù)T梁(4 m×35 m)+預(yù)制連續(xù)T梁(3 m×40 m)+變截面懸澆連續(xù)箱梁(72 m+130 m+72 m)+異形箱梁(2 m×21.5 m)，其中8#主墩位于航道上，百年一遇流速1.94 m/s，設(shè)計(jì)水位139.83 m，最高通航水位136.6 m，最低通航水位132.5 m，施工期間常水位約為133.5 m。

8#墩水深約7m，承臺(tái)底面標(biāo)高126.2 m，頂面標(biāo)高130.7 m。單幅承臺(tái)尺寸為13.3 m×14.7 m×4.5 m，圓矩形，基坑深8.7 m。地質(zhì)鉆探發(fā)現(xiàn)，8#墩原河床線(xiàn)以下10 m內(nèi)主要地層巖性為粉質(zhì)黏土、卵石、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化構(gòu)造巖。經(jīng)對(duì)方案的安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、可行性、工期等方面分析比較，決定選用拉森IV型鋼板樁圍堰方案施工。

2拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰計(jì)算資料

2.1基礎(chǔ)資料

2.1.1河床底土層性能指標(biāo)與土壓力系數(shù)

河床底從上至下的土層指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　土層參數(shù)表(直接快剪指標(biāo))

由以上地質(zhì)資料，可計(jì)算得到各主動(dòng)、被動(dòng)土壓力系數(shù)。根據(jù)《基坑工程手冊(cè)》(第2版)[3]第14.2.3節(jié)表14-3，計(jì)算土壓力強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮板樁墻與土的摩擦作用，將板樁墻前和墻后的被動(dòng)土壓力分別乘以修正系數(shù)。對(duì)被動(dòng)土壓力進(jìn)行修正后，各土層的土壓力系數(shù)見(jiàn)表2。

表2　修正后土壓力系數(shù)表

2.1.2水流壓力

取百年一遇流速1.94 m/s，流水壓力沿垂直面從河面至河床呈倒三角形分布。流水壓力根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)[4]第4.3.8條計(jì)算，形狀系數(shù)取1.3。

2.1.3靜水壓力

設(shè)防水位133.5 m，靜水深6.0 m，靜水壓力沿鋼板樁由上往下呈三角形布置。

2.2拉森Ⅳ型鋼板樁的技術(shù)參數(shù)

經(jīng)綜合考慮，采用單根長(zhǎng)度為12 m的拉森Ⅳ型鋼板樁，其技術(shù)參數(shù)如下：

1)鋼板樁。寬度B=400 mm，高度h=170 mm，厚度t=15.5 mm，截面積A=96.99 cm2，重量W=76.1 kg/m，慣性矩Ix=4 670 cm4，截面模量Wx=362 cm3。Q295 鋼材的彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3。

2)每延米鋼板樁技術(shù)參數(shù)。重量W=190 kg/m，慣性矩Ix=38 600 cm4，截面模量Wx=2 270 cm3，半截面面積矩Sx=1 564 cm3。

2.3鋼板樁支護(hù)基本結(jié)構(gòu)尺寸

鋼板樁材質(zhì)SY295，單根長(zhǎng)度為12 m，圍堰平面尺寸為33.7 m×15.3 m，共設(shè)置2道內(nèi)支撐。圍堰頂高程為+134.9 m，圍堰底高程為+124.9 m，封底混凝土厚1.3 m。鋼板樁圍堰立面圖如圖1，2道內(nèi)支撐構(gòu)造圖如圖2。

3鋼板樁計(jì)算工況、邊界條件及荷載取值

3.1計(jì)算工況

根據(jù)施工方案，圍堰計(jì)算分為5種工況[5]：

1)插打鋼板樁完成后，安裝臨時(shí)支撐。清基至封底砼底面，封底混凝土未澆筑時(shí)，圍堰內(nèi)、外水位持平。

2)封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，拆除臨時(shí)支撐，即第1層內(nèi)支撐安裝前。

3)第1層內(nèi)支撐安裝好后，抽水至第2層支撐設(shè)計(jì)位置以下10.5 m，安裝第2層內(nèi)支撐前。

圖1　鋼板樁圍堰AA斷面立面圖(標(biāo)高：m；尺寸：cm)

(a)第1層內(nèi)支撐

(b)第2層內(nèi)支撐

4)第2層內(nèi)支撐安裝好后，抽水至基坑底部，承臺(tái)混凝土澆筑前。

5)承臺(tái)混凝土施工完畢后，注水至承臺(tái)頂面以下0.05 m，拆除第2層內(nèi)支撐后。

3.2各工況下邊界條件模擬和荷載取值

采用朗肯土壓力理論，對(duì)砂性土按照水土分算的原則，計(jì)算得各個(gè)土層分界處(或土、水分界處)的土壓力(表3)。計(jì)算時(shí)以常水位標(biāo)高作為0.0 m位置，參照?qǐng)D1進(jìn)行分層。

5種工況加載條件下，研究鋼板樁抗彎強(qiáng)度的模型用ANSYS軟件中等值梁建立，邊界條件則根據(jù)鋼板樁入土深度、持力層特性、支撐的作用情況來(lái)設(shè)定。主動(dòng)土壓力5個(gè)工況采用相同取值。

工況1為基坑開(kāi)挖工況，此時(shí)鋼板樁在水面以上0.5 m處設(shè)臨時(shí)支撐，設(shè)鋼板樁入土深度不小于2.0 m，由于持力層為稍密卵石層，抗變形能力較強(qiáng)，故鋼板樁的抗彎強(qiáng)度按照頂部簡(jiǎn)支、底部固定的等值梁進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到剪力為0的點(diǎn)，該點(diǎn)截面處的彎矩即為鋼板樁樁身的最大彎矩。由于相鄰鋼板樁采用扣合方式連接，取土壓力分布寬度為單位寬度1.0 m。

工況2當(dāng)封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值后，拆除臨時(shí)支撐，以封底混凝土面下作為鋼板樁嵌固部位，計(jì)算鋼板樁內(nèi)外兩側(cè)不平衡彎矩。取土壓力分布為單位寬度1.0 m。

工況3抽水安裝第2層支撐前，根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值后，在混凝土中設(shè)鋼板樁為固定約束，偏安全以封底混凝土面下作為嵌固部位，對(duì)封底混凝土1/2厚度范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)施加線(xiàn)位移約束及繞鋼板樁豎向軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)角位移約束，在第1層支撐位置施加橫向約束。

表3　土壓力強(qiáng)度計(jì)算表

工況4抽水至基坑底，由于第1層支撐受拉，故不考慮第1層支撐的作用。在第2層支撐位置施加橫向約束。

工況5注水至承臺(tái)頂面以下0.05 m時(shí)，拆除第2道支撐，僅考慮第1道支撐作用。

4結(jié)果分析

4.1鋼板樁的抗彎強(qiáng)度分析

5種工況加載條件下，鋼板樁的彎矩如圖3所示。

(a)工況1彎矩及反力圖

(b)工況2彎矩及反力圖

(c)工況3彎矩及反力圖

(d)工況4彎矩及反力圖

(e)工況5彎矩及反力圖

4.2內(nèi)支撐位移和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較研究

由以上計(jì)算可知，第1層內(nèi)支撐最大支撐反力為54.4 kN(工況5)，第2層內(nèi)支撐最大支撐反力為109.8 kN(工況4)，為節(jié)省篇幅，選擇這2個(gè)工況內(nèi)支撐順橋向(與中間鋼管平行方向)進(jìn)行位移分析，如圖4。云圖可以顯示支撐鋼管和同一標(biāo)高處鋼板樁位移。

(a)第1層內(nèi)支撐

(b)第2層內(nèi)支撐

圖4中可以看出第1層內(nèi)支撐最大順橋向位移出現(xiàn)在工況5，為17 mm，方向朝圍堰內(nèi)部；第2層內(nèi)支撐最大順橋向位移出現(xiàn)在工況4，為2.5 mm，方向也朝圍堰內(nèi)部。上層支撐各部位位移均大于下層支撐。這符合實(shí)際結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

由于鋼板樁圍堰抗彎強(qiáng)度具有一定安全儲(chǔ)備(比較計(jì)算應(yīng)力和容許應(yīng)力)，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)只需采取位移監(jiān)測(cè)的方法，主要進(jìn)行鋼板樁及內(nèi)支撐水平位移(全站儀觀(guān)測(cè))、豎向沉降(水準(zhǔn)儀觀(guān)測(cè))、基坑底隆起(水準(zhǔn)儀觀(guān)測(cè))監(jiān)測(cè)。從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)看，鋼板樁沉降及基坑底隆起不明顯，主要位移為順橋向位移(橫橋向位移偏小)，工況5第1層內(nèi)支撐實(shí)測(cè)最大順橋向位移為20 mm，工況4第2層內(nèi)支撐實(shí)測(cè)最大順橋向位移為5 mm，方向均朝圍堰內(nèi)部。考慮測(cè)量?jī)x器誤差，現(xiàn)場(chǎng)鋼板樁變形基本與理論計(jì)算吻合，實(shí)際結(jié)構(gòu)較為可靠。

5結(jié)論

對(duì)拉森IV型鋼板樁圍堰進(jìn)行力學(xué)特性研究，經(jīng)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量可靠，取得了預(yù)期的效果，得到如下結(jié)論：

1)本文確定的鋼板樁圍堰模型和計(jì)算方法是合理的，能夠用來(lái)研究實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。

2)5種工況下，拉森IV型鋼板樁均滿(mǎn)足抗彎強(qiáng)度要求，且具有一定安全儲(chǔ)備。

3)理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)拉森IV型鋼板樁圍堰監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)為順橋向位移監(jiān)測(cè)。第1層內(nèi)支撐最大順橋向位移出現(xiàn)在工況5，第2層內(nèi)支撐最大順橋向位移出現(xiàn)在工況4，方向均朝圍堰內(nèi)部?，F(xiàn)場(chǎng)鋼板樁變形基本與理論計(jì)算吻合，實(shí)際結(jié)構(gòu)較為可靠。

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責(zé)任編輯：唐海燕

Mechanical Properties of Larson IV Type Steel Sheet Pile Cofferdam

HUANG Lingjun，XI Haiyong，TIAN Erbu

(Sanming University，Sanming 365004)

Abstract：The risk factor of steel sheet pile cofferdam construction is high,and the collapse often results in heavy casualties.The Larson IV type steel sheet pile of Jingdong interflow main bridge project in the Sanming Section of National Highway 205 taken for example,the ANSYS software is used to establish the model of steel sheet pile cofferdam,and the finite element simulation is carried out,which is later compared with the actual monitoring data.The results show that the model and the calculation method are reasonable.The bending strength of the steel sheet pile cofferdam meets the requirements of the project,the deformation of critical parts are within the allowable range,and the actual structure is more reliable.

Key words：Larson IV type;steel sheet pile cofferdam;mechanical property

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.003

收稿日期：2016- 01- 05

作者簡(jiǎn)介：黃凌君(1982—),男，工程師，一級(jí)建造師。

中圖分類(lèi)號(hào)：TU753.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)02- 0010- 06