靜水作用下鋼板樁圍堰數(shù)值模擬分析

念江麗

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

114#橋墩承臺深基坑鄰近營業(yè)線，為保證支護的安全，采用拉森-IV型鋼板樁圍堰，鋼板樁單根長度24m，鋼板樁頂高于最高通航水位0.5m。鋼板樁圍堰包括鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐等部分，其剖面圖如圖1所示，斷面圖如圖2所示。鋼板樁圍堰從最上面到最下面設(shè)四道內(nèi)支撐，靠近鋼板樁頂部為第一道支撐，靠近底部為第四道支撐，中間是第二道支撐與第三道支撐。上下四道支撐的圍檁采用2I56a工字鋼，斜撐、對撐采用?630×8mm鋼管。

圖1 鋼板樁圍堰剖面圖（單位cm）

圖2 鋼板樁圍堰斷面圖（單位m）

1 基本參數(shù)

鋼板樁為寬0.4m的拉森IV型。鋼板截面參數(shù)如表1所示。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，土層參數(shù)分別如表2所示。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017-2017），Q235型鋼和鋼管抗拉強度、抗壓強度以及抗彎強度設(shè)計值按f=215MPa設(shè)計；Q345型鋼和鋼管抗拉強度、抗壓強度以及抗彎強度設(shè)計值按f=310MPa設(shè)計。

表1 拉森鋼板樁截面參數(shù)

?

表2 土層物理參數(shù)

2 靜水作用下鋼板樁圍堰有限元模型建立

2.1 模型建立

本文借助于ANSYS有限元分析軟件，來建立鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐以及土層相互作用整體有限元分析模型。

數(shù)值模型中鋼板樁采用帶有厚度的板單元模擬，內(nèi)支撐與圍檁選用梁單元Beam188進行計算，土層選用Solid45三維實體單元進行計算。單元總計劃分48966個，這里涉及到土體單元41160個，鋼板樁單元6878個，四道圍檁以及內(nèi)支撐、斜撐單元928個。鑒于圍檁或者腰梁采用2I56a工字鋼，計算時為簡化，考慮為一個工字梁單元，計算時增大截面尺寸。

2.2 計算參數(shù)的確定

鑒于相鄰鋼板樁之間有焊接，所以假定鋼板樁相互之間是固定在一起。鋼板樁、圍檁和內(nèi)支撐的本構(gòu)模型按線彈性本構(gòu)關(guān)系來模擬，四層土體采用D-P彈塑性本構(gòu)關(guān)系來模擬。鋼板樁與圍檁之間、圍檁和內(nèi)支撐之間、內(nèi)支撐之間均采用固定連接。

計算時，土層的物理參數(shù)、力學參數(shù)按照巖土工程勘察報告里的參數(shù)選取。土層的物理參數(shù)、強度參數(shù)如前述表2-2所示。

鋼板樁、圍檁和內(nèi)支撐都是鋼材，彈性模量考慮取值206GPa，泊松比考慮取值0.3。假設(shè)型鋼、鋼管的本構(gòu)關(guān)系為線彈性本構(gòu)關(guān)系。

封底混凝土和橋墩承臺混凝土選擇C20混凝土，彈性模量取為30GPa，泊松比取為0.3，假設(shè)混凝土的本構(gòu)關(guān)系也是線彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.3 鋼板樁圍堰施工過程工況

土壓力計算采用考慮水滲流效應的水土合算法。鋼板樁在受到外側(cè)水土壓力作用時，鋼板樁有向內(nèi)變形的趨勢，當鋼板樁變形較大，外側(cè)土體達到抗剪強度時，這時外側(cè)作用土壓力可以認為是主動土壓力。主動土壓力公式為：

當鋼板樁內(nèi)側(cè)土體達到強度極限值的時候，這時內(nèi)側(cè)作用土壓力可以認為是被動土壓力，被動土壓力公式為：

對于①11粉質(zhì)黏土依據(jù)上面的公式朗肯主動土壓力系數(shù)Ka1以及朗肯被動土壓力系數(shù)Kp1分別為0.488和2.047。對于②11黏土依據(jù)上面的公式朗肯主動土壓力系數(shù)Ka2以及朗肯被動土壓力系數(shù)Kp2分別為 0.520和 1.922。對于①22粉質(zhì)黏土依據(jù)上面的公式朗肯主動土壓力系數(shù)Ka3以及朗肯被動土壓力系數(shù)Kp3分別為 0.465和 2.149。對于②22黏土依據(jù)上面的公式朗肯主動土壓力系數(shù)Ka3以及朗肯被動土壓力系數(shù)Kp3分別為0.511和1.958。

114#墩河床面標高為-1.15m，位于鋼板樁圍堰的第二道內(nèi)支撐和第三道內(nèi)撐之間。此時，圍堰外最高通航水位標高為5.85m。具體的施工工序分別如下：

（1）根據(jù)設(shè)計，鋼板樁圍堰頂部標高為6.35m，鋼板樁一圈施工完畢后，布置第一道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐中心線高程為5.35m，這時內(nèi)外側(cè)水壓力差10kPa，此時受力情況為第一工況。

第一工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖3所示。

（2）布置好第一道內(nèi)支撐后，圍堰內(nèi)抽水至標高0.85m處，布置第二道內(nèi)支撐及斜撐和對撐，支撐中心線標高為1.35m。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值50kPa，此時受力情況為第二工況。

第二工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖4所示。

（3）布置好第二道內(nèi)支撐以后，鋼板樁圍堰內(nèi)部抽水吸泥至高程-2.65m處，布置第三道內(nèi)支撐以及及斜撐和對撐，這道支撐中心線高程為-2.15m。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值70kPa，內(nèi)外側(cè)土壓力差最大值33.88kPa，此時受力情況為第三工況。

圖3 第一工況荷載分布圖

圖4 第二工況荷載分布圖

第三工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖3所示。

（4）布置好第三道內(nèi)支撐以后，鋼板樁圍堰內(nèi)部抽水吸泥至高程-5.65m處，布置第四道內(nèi)支撐以及及斜撐和對撐，這道支撐中心線高程為-5.15m。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值70kPa，內(nèi)外側(cè)土壓力差最大值64.35kPa，此時受力情況為第四工況。

第四工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖5所示。

圖5 第三工況荷載分布圖

圖6 第四工況荷載分布圖

（5）布置好第四道內(nèi)支撐后，鋼板樁圍堰內(nèi)部抽水機排水并吸泥至高程-8.65m處。封底混凝土開始施工。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值 70kPa，內(nèi)外側(cè)土壓力差最大值95.87kPa，此時受力情況為第五工況。

第五工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖7所示。

（6）土層挖到橋墩承臺高程以下1m的位置時，選用厚度為1m的C20混凝土開始底部混凝土施工。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值70kPa，內(nèi)外側(cè)土壓力差最大值85.05kPa，此時受力情況為第六工況。

這種模式實際上并非“原創(chuàng)”，是其本質(zhì)是貨幣超發(fā)下的利用杠桿實現(xiàn)資產(chǎn)快速增值，但假如資產(chǎn)貶值貨幣政策收緊，其財務敞口就非常大了，企業(yè)本身的風險之大也是成倍上升的。2017年12月的海航的并購中，像希爾頓酒店、德意志銀行等世界知名企業(yè)的股份和資產(chǎn)都成為了海航并購發(fā)展的一部分。但是這樣盲目以杠桿的方式擴張也是十分危險的行為，因為一旦全球經(jīng)濟形勢有較大的變化，企業(yè)的盈利狀況受到影響后，海航將面臨被銀行、外資等金主追償巨額欠款的風險。

第六工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖8所示。

圖7 第五工況荷載分布圖

圖8 第六工況荷載分布圖

3 靜水作用下114#墩計算結(jié)果分析

3.1 土層變形與等效應力分析

3.1.1 土層變形分析

對于114#墩的鋼板樁圍堰請施工過程，進行了六個工況的分析。

隨著施工的進行，圍堰內(nèi)排水深度的增加，土層最大變形不斷下移，最大變形發(fā)生在河床面以下8～10m。第一工況下土層X方向最大變形為1.682mm；第二工況下土層X方向最大變形為3.175mm；第三工況下土層X方向最大變形為4.626mm；第四工況下土層X方向最大變形為6.408mm；第五工況下土層X方向最大變形為9.787mm；第六工況下土層X方向最大變形為6.308mm。

隨著施工的進行，圍堰內(nèi)排水深度的增加，土層最大變形不斷下移，第一工況下土層Z方向最大變形為1.695m；第二工況下土層Z方向最大變形為3.176mm；第三工況下土層Z方向最大變形為4.633mm；第四工況下土層Z方向最大變形為6.425mm；第五工況下土層Z方向最大變形為10.075mm；第六工況下土層Z方向最大變形為6.300mm。

3.1.2 土層等效應力分析

隨著施工的進行，土層等效應力也越來越大。第一工況下土層的最大等效應力為 51.880kPa，第二工況下土層的最大等效應力為 70.558kPa，第三工況下土層的最大等效應力為93.933kPa，第四工況下土層的最大等效應力為162.740kPa，第五工況下土層的最大等效應力為 284.085kPa，第六工況下土層的最大等效應力為240.428kPa。

通過表 3可知六種工況下，土層都不會發(fā)生剪切破壞，從而保證鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表3 不同工況下應力值

3.2 鋼板樁樁身變形與等效應力分析

3.2.1 鋼板樁樁身變形分析

通過計算可知，隨著施工的進行，圍堰內(nèi)排水深度的增加，鋼板樁最大變形不斷下移，最大變形發(fā)生在河床面以下8～10m。第一工況下鋼板樁X方向最大變形為2.107mm；第二工況下鋼板樁X方向最大變形為3.175mm；第三工況下鋼板樁X方向最大變形為4.626mm；第四工況下鋼板樁X方向最大變形為8.225mm；第五工況下鋼板樁X方向最大變形為12.218mm；第六工況下鋼板樁X方向最大變形為11.403mm。

隨著施工的進行，圍堰內(nèi)排水深度的增加，內(nèi)外壓力越來越大，鋼板樁最大變形不斷下移，第一工況下鋼板樁Z方向最大變形為2.132mm；第二工況下鋼板樁Z方向最大變形為3.176mm；第三工況下鋼板樁Z方向最大變形為4.633mm；第四工況下鋼板樁Z方向最大變形為8.573mm；第五工況下鋼板樁Z方向最大變形為12.732mm；第六工況下鋼板樁Z方向最大變形為12.133mm。

通過計算，鋼板樁的最大位移為 Z方向，最大值為 12.732mm，該值滿足

六個不同工況下，鋼板樁X方向中心位置線和Z方向中心位置線的位移與鋼板樁樁長的關(guān)系曲線如圖9和10所示。

圖9 鋼板樁X方向中心位置線的位移隨樁長變化的曲線

圖10 鋼板樁Z方向中心位置線的位移隨樁長變化的曲線

通過圖9和圖10可知，在外部土壓力以及靜水壓力的共同影響下，鋼板樁中部有向內(nèi)變形的趨勢。由于鋼板樁的下部內(nèi)支撐缺乏，所以下部縱向變形偏大。另外，在鋼板樁上部位置有長0.5m的部分沒有受水壓力和土壓力作用，下部應力變化將引起鋼板樁頂部有向外變形的趨勢，也就是頂部一小部分縱向變形為負值。

從圖9和圖10中還可以看出鋼板樁頂部Z方向變形趨勢與X方向變形趨勢近似是一樣的。原因在于由于圍堰形狀是正方形的，但由于內(nèi)支撐X方向和Z方向不一樣，所以變化趨勢稍微有些區(qū)別。從這兩個圖還可以看出，六種工況情況下鋼板樁X方向中心線的變形和鋼板樁Z方向中心線的變形隨長度的變化基本上還比較光滑，最大值集中在鋼板樁長度從上到下16m到18m之間，位于鋼板樁的中下部。

3.2.2 鋼板樁等效應力分析

隨著施工的進行，鋼板樁等效應力也越來越大。第一工況下鋼板樁等效應力最大值為11.3MPa；第二工況下鋼板樁等效應力最大值為30.6MPa；第三工況下鋼板樁等效應力最大值為43.0MPa；第四工況下鋼板樁等效應力最大值為56.6MPa；第五工況下鋼板樁等效應力最大值為75.7MPa；第六工況下鋼板樁等效應力最大值為54.3MPa。關(guān)于鋼板樁的等效應力，對比六個工況，其最大值為75.7MPa，該值小于鋼板樁的容許應力215MPa。

3.3 圍檁和內(nèi)支撐變形與軸向應力分析

3.3.1 圍檁和內(nèi)支撐變形分析

通過計算可知，隨著施工的進行，圍檁和內(nèi)支撐的變形不斷增大。第一工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為0.931mm；第二工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為2.519mm；第三工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為4.035mm；第四工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為7.852mm；第五工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為12.085mm；第六工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為10.974mm。

通過計算可知，第一工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為0.980mm；第二工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為2.550mm；第三工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為4.083mm；第四工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為8.151mm；第五工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為12.663mm；第六工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為11.807mm。通過圖2-23和圖2-24可知，各工況下圍檁和內(nèi)支撐的變形都比較小，最大只有12.663mm，是在第五工況下得到的。

3.3.2 圍檁和內(nèi)支撐軸向應力分析

通過計算可知，隨著施工的進行，各道圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力不斷增大。第一工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為4.30MPa；第二工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為 15.6MPa；第三工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為29.8MPa；第四工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為44.4MPa；第五工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為69.1MPa；第六工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為55.8MPa。對比六種工況，圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力的最大值為69.1MPa，該值小于鋼材的容許應力215 MPa。

4 結(jié)論

借助于有限元軟件建立鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐以及土層三維有限元數(shù)值模型，從而實現(xiàn)對鋼板樁圍堰施工全過程進行數(shù)值分析，結(jié)論如下：

（1）對于114#墩進行了六個工況的分析。通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)土層的最大水平方向變形為 10.075mm，這個值對土層來說偏小。土層的最大等效應力為284.085kPa，這是由于應力集中的影響，實際上各工況下土層等效應力不是特別大，土層受到的荷載比較小。

（2）鋼板樁水平方向最大變形為 12.732mm，該值小于設(shè)計允許值。鋼板樁等效應力最大值為75.7MPa，該值也小于鋼板樁的容許應力215MPa。圍檁和內(nèi)支撐的變形最大為12.663mm，該值在設(shè)計允許范圍內(nèi)。圍檁以及內(nèi)支撐的軸向應力最大值為69.1MPa，該值小于鋼材的容許應力。

（3）圍檁和內(nèi)支撐的變形要小于鋼板樁和土層的變形，說明圍檁和內(nèi)支撐起了很大作用，由于四道支撐的存在，鋼板樁的變形隨鋼板樁長度的變化呈現(xiàn)彎曲點。有限元計算結(jié)果表明整個施工過程無論對于鋼板樁、還是圍檁、內(nèi)支撐以及土層，強度和變形都滿足有關(guān)要求。這表明針對114#墩采取的鋼板樁圍堰設(shè)計方案和內(nèi)支撐、圍檁四道支護方案是合理的。