五峰山長江大橋鋼板樁圍堰在復(fù)雜工況下的力學(xué)性能分析

肖 亮,甘一鳴

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 武漢 430068；2.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，武漢 430050 )

隨著國家橋梁基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)與發(fā)展，鋼板樁被廣泛地應(yīng)用于橋梁深水基礎(chǔ)的施工中。鋼板樁具有可重復(fù)使用、剛度大、變形小等特點(diǎn)[1]，是國內(nèi)橋梁水中墩承臺(tái)施工時(shí)較為普遍的圍堰形式。此外，選擇鋼板樁圍堰施工前，會(huì)遇到一些技術(shù)難題[2]，例如，圍堰結(jié)構(gòu)的計(jì)算過程較為復(fù)雜；施工前，封底混凝土容易出現(xiàn)管涌和鋼板樁易卷曲變形；圍堰側(cè)壁易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，需增加防水等措施[3]。因此施工前優(yōu)化鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)計(jì)算對于圍堰施工具有指導(dǎo)性意義。對于橋梁水中墩鋼板樁圍堰受力分析，傳統(tǒng)的分析方法通常采用“一次成型”的平面應(yīng)力分析方法，雖然該方法建模過程簡便，計(jì)算過程較快，但在圍堰施工過程中，隨著工程建設(shè)的有序推進(jìn)，其結(jié)構(gòu)和荷載是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。因此，其分析結(jié)果往往差強(qiáng)人意，難以達(dá)到理想的效果及精度。為了解決這些問題，需要從圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行分析，同時(shí)選擇合理的施工方法確保圍堰在施工的過程中結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性。該文以五峰山長江特大橋工程4#墩鋼板樁圍堰為案例，以橋梁水中墩鋼板樁圍堰的整體剛度及穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)，通過midas軟件對鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算等，來指導(dǎo)鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)及施工[4]。

1 工程概況

五峰山長江特大橋位于江蘇省，為公鐵合建懸索橋，北接揚(yáng)州市，南接鎮(zhèn)江市。主跨度1 092 m，主纜邊跨度350 m。4#墩為懸索橋的南岸側(cè)主塔墩，其下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為67根φ2.8 m鉆孔灌注樁，上游側(cè)采用 35 根樁，下游側(cè)采用 32 根樁，樁基呈梅花式布置。鉆孔灌注樁鋼護(hù)筒作為主體結(jié)構(gòu)與鉆孔灌注樁共同參與受力，鉆孔灌注樁鋼護(hù)筒底標(biāo)高-17.5 m(1985國家高程基準(zhǔn)，下同)。承臺(tái)截面為啞鈴形，順橋向尺寸40.0 m，橫橋向尺寸95.94 m，圓形半徑R=20.0 m，圓形中心距55.94 m，直線段寬20.0 m，承臺(tái)頂標(biāo)高-2.50 m，底標(biāo)高+7.00 m，承臺(tái)高9.5 m。五峰山長江特大橋4#墩基礎(chǔ)施工采用啞鈴形鋼板樁圍堰施工，鋼板樁采用SKSP-SX27與工40a組合結(jié)構(gòu)。鋼板樁圍堰總長為32.0 m，順橋向尺寸43.20 m，橫橋向尺寸99.14 m，圓形設(shè)置半徑R=21.39 m，共設(shè)置3道圈梁、內(nèi)支撐。圍堰頂高程為+8.50 m，圍堰底高程為—23.50 m，封底混凝土厚3.0 m。

2 MIDAS-CIVIL計(jì)算分析

2.1 封底混凝土厚度的分析

鋼板樁圍堰在清淤的過程中，如承載力的不足，將導(dǎo)致基坑底土的隆起[5]。因此，需要對封底混凝土厚度進(jìn)行驗(yàn)算，確?；炷恋膹?qiáng)度滿足施工要求。計(jì)算采用midas 2010進(jìn)行建模計(jì)算，在護(hù)筒四周采用鉸接約束，封底混凝土周圈考慮封底以上鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)自重對其的約束，設(shè)防水位(+6.64 m)。封底混凝土所受荷載按123.4 kN/m2垂直加載于封底混凝土底板上，封底混凝土容重按23 kN/m3，厚度3.2 m進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算出最大護(hù)筒受力為3 216.6 kN,每根鋼護(hù)筒所承受的粘結(jié)力為2 578.6/(3.14×3.2×3.2)=80.2 kPa<150 kPa，最大有效應(yīng)力0.48<0.5 MPa；計(jì)算出最大護(hù)筒受力為2 058.0 kN,每根鋼護(hù)筒所承受的粘結(jié)力為：2 058.0/(3.14×1.8×3.2)=113.8 kPa<150 kPa，最大有效應(yīng)力0.5≤0.5 MPa；封底混凝土計(jì)算厚度3.2 m，滿足要求，實(shí)際取3.5 m。

2.2 吸泥到位工況分析

計(jì)算水位取設(shè)防水位+2.00 m。土處于設(shè)防水位以下的，取浮重。

超載換算成一定厚度的土層回填細(xì)沙

計(jì)算鋼板樁入土深度時(shí)，考慮被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力相等的點(diǎn)作為彎矩零點(diǎn)[6]。則鋼板樁上土壓力強(qiáng)度等于零的點(diǎn)距離基坑底面的距離y作為未知數(shù)，可以列出如下函數(shù)。

y=2.69 m

式中,Ka1為清淤面以下的主動(dòng)土壓力Ka1=tan2(45-φ1/2)=tan2(45-11.2/2)=0.675;Ka2為清淤面以上主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka2=tan2(45-φ2/2)=tan2(45-9.8/2)=0.71；φ1為清淤面以下內(nèi)摩擦角平均值，取值11.2°；φ2為清淤面以上內(nèi)摩擦角平均值，取值9.8°；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)，Kp=tan2(45+11.2/2)=1.48；H為基坑深度，H=14.523 m；γ1為基坑底以下土平均容重，地下水以下取浮重，取值9.4 kN/m3；γ2為基坑底以上土平均容重，地下水以下取浮重，取值13.8 kN/m3；c1為基坑底以下土平均粘聚力，取值30.2 kPa；c2為基坑底以上土平均粘聚力，取值28.0 kPa。

取等值梁部分建模，荷載考慮靜水壓力及土壓力，取1 m寬鋼板樁建模計(jì)算，在圈梁處建立彈性支座(頂層圈梁SDz=21 739 kN/m，中層及底層圈梁SDz=43 478 kN/m，彈性支撐參數(shù)根據(jù)內(nèi)支撐平面模型加載后求得)。

計(jì)算得到支反力：頂層圈梁反力為-58.3 kN/m。中層圈梁反力為6.6 kN/m。底層圈梁反力為352.3 kN/m。

樁底位于彎矩零點(diǎn)以下深度為(符號(hào)含義同上)

則鋼板樁入土深度為：t=1.2×(2.69+4.2)=8.3 m。實(shí)際取鋼板樁入土深度為13.5 m，鋼板樁長28 m。

2.3 圈梁及內(nèi)支撐的分析

圈梁和內(nèi)支撐荷載為圈梁及內(nèi)支撐自重通過鋼板樁傳遞到圈梁上的水、土壓力。作用在圈梁上的荷載應(yīng)由鋼板樁模型中內(nèi)支撐處的支點(diǎn)反力求出[7]。經(jīng)計(jì)算，底層圈梁和內(nèi)支撐最大支反力為352.3 kN，即均布荷載為352.3 kN/m；中層圈梁和內(nèi)支撐最大支反力為324.1 kN，即均布荷載為324.1 kN/m；頂層圈梁和內(nèi)支撐最大支反力為100.2 kN，即均布荷載為100.2 kN/m。

圈梁結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 圈梁結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圈梁和內(nèi)支撐最大組合正應(yīng)力均<170 MPa，滿足要求；最大剪應(yīng)力均<100 MPa，滿足要求。

3 結(jié) 論

a.運(yùn)用midas軟件建立了橋梁圓形段封底混凝土有效應(yīng)力計(jì)算模型，并計(jì)算出最大護(hù)筒受力為3 216.6 kN，封底混凝土計(jì)算厚度3.2 m，均滿足施工要求。

b.以朗肯土壓力計(jì)算原理，確定了鋼板樁最大彎矩M=300.0 kN·m，1 m寬鋼板樁抗彎模量為W=2 700 cm3，均滿足施工要求；圈梁及內(nèi)支撐的計(jì)算中，底層圈梁和內(nèi)支撐最大支反力為352.3 kN，頂層圈梁和內(nèi)支撐最大支反力為100.2 kN，同時(shí)，比較了各圈梁和內(nèi)支撐的組合應(yīng)力，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。因此，五峰山長江特大橋工程4#墩鋼板樁圍堰的強(qiáng)度、變形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均滿足要求，可以按設(shè)計(jì)進(jìn)行安全施工。同時(shí)，為同類型的鋼板樁圍堰的安全施工提供可行性技術(shù)參考。

[1] 徐順平，戴小松.軟土地基雙排樁圍堰穩(wěn)定性分析及應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2017，46(1):13-17.

[2] 夏頌軍.深厚軟弱地質(zhì)條件下鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)[J].世界橋梁，2016，44(6):17-22.

[3] 曾慶敦,姚雙龍.鋼板樁圍堰及支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定安全性分析[J].中外公路,2009,29(6):174-177.

[4] 武向東,吳中鑫,姚振海.松花江大橋搶險(xiǎn)維修加固鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)[J].公路,2013(1):153-157.

[5] 潘 泓,王加利,曹 洪,等.鋼板樁圍堰在不同施工工序下的變形及內(nèi)力特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(11):2316-2324.

[6] 張 駿.橋梁深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰受力分析與應(yīng)用[J].橋梁建設(shè),2012,42(5):74-81.

[7] 湯勁松，熊保林.鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)的土壓力計(jì)算方法探討[J]巖土工程學(xué)報(bào)，2014(S2):36-41.