鋼板樁圍堰封底混凝土厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

甘采華　寧怡豪

摘要：封底混凝土在圍堰內(nèi)部抽水后主要承受內(nèi)外水頭差的作用，因此在枯水期和洪水期封底混凝土的受力情況是不同的。為確保不同時(shí)期鋼板樁圍堰及封底混凝土結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，文章以某鋼板樁圍堰施工為例，分別考慮枯水期和洪水期不同水位高度，采取有限元軟件建立細(xì)部仿真計(jì)算模型進(jìn)行分析。結(jié)果表明，洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度分別為2.7 m和2.1 m，為不同水位期間封底混凝土厚度的取值提供了理論依據(jù)，以供類似水文地質(zhì)條件的工程借鑒參考。

關(guān)鍵詞：鋼板樁;封底混凝土;厚度;水頭差;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中國分類號：U443.16+2文章標(biāo)識碼：A170644

0 引言

近些年來，我們國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)越來越繁榮，社會(huì)生產(chǎn)力得到了極大的提高，因此對于交通建設(shè)的要求越來越嚴(yán)格，在此期間出現(xiàn)了一大批跨大江大河的橋梁工程，施工過程中所遇到的困難不斷增多，如施工工期緊、水文條件復(fù)雜、河床沖刷大、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工干擾大等，給橋梁承臺基礎(chǔ)施工帶來了很大的難度。而鋼板樁圍堰的廣泛應(yīng)用給橋梁基礎(chǔ)施工帶來了很大的便利，并且與雙壁鋼圍堰和鋼套箱相比，鋼板樁圍堰有施工便捷、對周邊河流土體影響小、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、重復(fù)利用率高等優(yōu)點(diǎn)。目前針對鋼板樁圍堰已有大量的研究成果[1-4]，但針對枯水期和洪水期圍堰封底混凝土厚度這方面鮮有涉及[5-7]。而本文將分別考慮在枯水期和洪水期不同水位高度下最小厚度封底混凝土結(jié)構(gòu)的受力安全性，通過理論計(jì)算和仿真分析洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度，在不同時(shí)期可采用不同厚度的封底混凝土，在保證安全性的前提下盡可能地節(jié)約施工成本。

1 工程概況

某跨河大橋基礎(chǔ)承臺施工采用鋼板樁圍堰施工，水中墩由12根樁及承臺構(gòu)成，承臺采用整體式結(jié)構(gòu)，圍堰尺寸設(shè)計(jì)為28.8 m（橫橋向）×10.4 m（順橋向），鋼板樁圍堰內(nèi)支撐圍檁選取雙拼HN500×200型鋼以及雙拼HN700×300型鋼，橫、斜撐選取[WTBX]630 mm×10 mm鋼管，水下封底混凝土選用C20水下混凝土，封底混凝土設(shè)計(jì)厚度為1.5 m，承臺底面標(biāo)高為+1 197.25 m，洪水期最高水位為+1 206.99 m，枯水期最高水位為+1 203.99 m，

2 封底混凝土厚度計(jì)算原理

封底混凝土在圍堰中起到防水滲漏的作用，抵抗水頭差在圍堰區(qū)域的浮托力后，方可進(jìn)行承臺施工。通常情況下封底混凝土厚度越大，對于鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性及封底混凝土強(qiáng)度越有利，但不斷增加封底混凝土厚度將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能過剩，造成材料的浪費(fèi)，增加施工成本，并且還不利于現(xiàn)場施工。封底混凝土厚度的考慮因素主要有兩個(gè)：（1）混凝土抗水壓強(qiáng)度，在圍堰抽水后，封底混凝土底部承受巨大水壓對其強(qiáng)度影響很大;（2）圍堰和封底混凝土共同形成一個(gè)浮體，其抗浮穩(wěn)定性需滿足要求。在考慮強(qiáng)度因素時(shí)，通常將封底混凝土當(dāng)作單向板或者雙向板來看。簡化為單向板時(shí)，封底混凝土厚度即為單向板厚度，跨度按最大樁距或樁與圍堰之間的距離，混凝土結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力需滿足規(guī)范容許值要求。簡化為雙向板時(shí)，大多采用沉井封底混凝土的計(jì)算方法，混凝土結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力同樣滿足規(guī)范容許值要求。

3 封底混凝土厚度理論優(yōu)化計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)

鋼板樁圍堰總重285.744 t。鋼護(hù)筒直徑D為1.8 m，間距最大值l為2.7 m，封底混凝土為C20，長度為28.8 m，寬為10.4 m，面積A為299.52 m2。

有底套箱圍堰水下封底混凝土與護(hù)筒之間的容許握裹力取150 kPa;無底套箱圍堰及鋼板樁圍堰水下封底混凝土與護(hù)筒之間容許握裹力取135 kPa;對于干澆封底混凝土，封底混凝土與護(hù)筒之間的容許握裹力取300 kPa，本文取135 kPa。

3.2 封底混凝土抗浮穩(wěn)定性優(yōu)化計(jì)算

（1）洪水期封底混凝土抗浮穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算

洪水期封底混凝土抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，其主要承受自重、鋼板樁圍堰自重荷載、內(nèi)外水頭差產(chǎn)生的浮托力及鋼護(hù)筒提供的握裹力作用，受力計(jì)算如下：

綜上所述，運(yùn)用理論計(jì)算方法得到的洪水期最小封底混凝土厚度為2.42 m，枯水期最小封底混凝土厚度為1.75 m。

4 封底混凝土有限元計(jì)算

通過前文對封底混凝土的理論計(jì)算優(yōu)化，得出最佳設(shè)計(jì)厚度。為更加精確封底混凝土厚度取值，采取有限元軟件Midas Fea建立離散化封底混凝土結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，對不同厚度進(jìn)行細(xì)部分析。封底混凝土厚度取值為1.8 m、2.1 m、2.4 m、2.7 m、3.0 m五種。封底混凝土結(jié)構(gòu)離散化模型如圖3所示。

根據(jù)不同封底混凝土設(shè)計(jì)厚度，通過有限元模擬實(shí)際受力，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形等結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著封底混凝土厚度不斷加大，其受力狀態(tài)得到良好的改善，變形量和應(yīng)力值有所減小，且所有設(shè)計(jì)厚度下封底混凝土極限應(yīng)力值均超過規(guī)范設(shè)計(jì)容許值1.39 MPa。

由前文可知，依據(jù)理論計(jì)算公式得到的洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度分別為2.42 m和1.75 m，但考慮實(shí)際施工過程中底層表面凹凸不平，因此需要增高厚度使表層平整，洪水期和枯水期分別取封底混凝土厚度為2.7 m和2.1 m。根據(jù)Midas Fea建立的精細(xì)化有限元模型得到計(jì)算結(jié)果，如圖4～7所示。當(dāng)處在洪水期時(shí)，封底混凝土厚度取2.7 m，其最大位移為0.02 mm，最大拉應(yīng)力為0.295 1 MPa，小于C20混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)容許值;當(dāng)處在枯水期時(shí)，封底混凝土厚度取2.1 m，其最大位移為0.11 mm，最大拉應(yīng)力為1.19 MPa，小于C20混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)容許值。因此，洪水取和枯水期的最小封底混凝土厚度取值能夠分別滿足施工中的要求。

5 結(jié)語

本文工程背景常年水位變化大，結(jié)合鋼板樁圍堰施工概況，根據(jù)洪水期和枯水期不同水位情況，對封底混凝土厚度的取值進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論：

（1）采用理論公式計(jì)算分別得到洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度為2.42 m和1.75 m。

（2）通過Midas Fea有限元軟件對不同厚度的封底混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，隨著封底混凝土厚度不斷增加，其應(yīng)力和變形將隨之減小。

（3）綜合施工實(shí)際過程中圍堰底部可能存在泥土或砂卵石等，造成底層不平整，需增加封底混凝土厚度，因此洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度分別為2.7 m和2.1 m。

（4）通過對該工程洪水期和枯水期下最小封底混凝土厚度進(jìn)行有限元分析可知，其應(yīng)力和變形均可滿足施工中的要求。

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