深水軟巖地層鋼板樁圍堰施工安全性評估

雷志強， 毛景權(quán)， 王 剛， 朱紹勛， 熊志勇， 莫昭輝

(中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

鋼板樁圍堰作為常用的圍堰形式，其具有施工簡單、速度快、成本低、可重復使用的優(yōu)點，在橋梁基礎(chǔ)的施工中得到廣泛的應(yīng)用，如廣州珠江北獵德大橋和廣州珠江南新光大橋等[1,2]。然而施工現(xiàn)場實際情況往往比較復雜，水位不斷變化，由于施工技術(shù)原因部分支撐可能失效。因此，不僅需要對實際施工過程進行模擬驗算，還需要對這兩種不利工況下的深水軟巖中鋼板樁圍堰展開進一步研究。

本文根據(jù)花莞高速公路號大橋的4#橋墩圍堰的施工情況，進行圍堰施工全過程數(shù)值模擬，通過設(shè)置不同水位和部分支撐失效的工況，對4#橋墩的鋼板樁圍堰施工進行分析和安全評估。

1 工程概況

1.1 承臺結(jié)構(gòu)

花莞高速公路2號大橋[3]的4#墩承臺底標高-3.5m(承臺建議設(shè)計整體抬高1m)，承臺頂標高+0.5 m，其平面尺寸如圖1所示。

圖1 承臺尺寸和樁位

1.2 土層參數(shù)

4#墩承臺選取的鉆孔為ZK6。土層物理參數(shù)見表1。

表1 土層物理參數(shù)

1.3 水文情況

仙村涌的水位高程為6.82 m，最高通航水位高程為9.25 m，最低通航水位高程為4.09 m，20年一遇洪水位為8.568 m，50年一遇洪水位為9.352 m。

2 圍堰設(shè)計選型

2.1 圍堰設(shè)計

圍堰支護采用型號為NSP IV型的拉森鋼板樁，其容許正應(yīng)力為275 MPa，容許剪應(yīng)力158 MPa，鋼板樁的抵抗彎矩為645 kN·m，為安全起見，本設(shè)計考慮0.7倍的折減系數(shù)后期抵抗彎矩為516 kN·m。支撐體系鋼材材料采用Q235的H型鋼，容許彎曲應(yīng)力為215 MPa，容許剪應(yīng)力為125 MPa。

本工程鋼板樁圍堰的平面形狀為兩個緊挨的矩形，每一個矩形的尺寸為17.90 m×12.60 m。本工程設(shè)置4道鋼支撐，其支撐的相互距離從上往下依次為3.5 m、3.0 m、2.5 m和3.0 m。1、2道支撐僅設(shè)置兩道角撐；3、4道支撐除設(shè)置角撐外，還增設(shè)對撐，對撐設(shè)置于中間，圍堰平面圖如圖2所示。

圖2 圍堰平面圖

2.2 模擬工況

4#墩圍堰采用逆做法施工，先安裝第1、2道支撐，再進行鋼板樁沉樁，圍堰抽水開外，安裝第3、4道支撐。在圍堰開挖到底時，采用厚度為100 cm的C20混凝土進行封底。

4號鋼板樁圍堰的設(shè)計水位為2.5 m，本次模擬鋼板的施工過程，按實際施工過程分為7個工況，各工況如下:

工況1：鋼板樁的沉樁。

工況2：第1和第2道內(nèi)支撐的安裝施工。

（5）攪拌EPDM彩色顆粒，將同一顏色不同包裝的彩色顆粒倒在一起，用鐵鍬攪拌均勻，再重新過秤包裝，防止鋪裝時顏色不均。

工況3：圍堰抽水并開挖至第3道支撐位置以下0.5 m處。

工況4：第3道內(nèi)支撐的安裝施工。

工況5：開挖至第4道支撐位置以下0.5 m處。

工況6：第4層內(nèi)支撐的安裝施工。

工況7：開挖至圍堰底。

根據(jù)上述施工工況進行有限元的數(shù)值模擬分析，分析圍堰鋼板樁及內(nèi)支撐的受力變形情況，并對其進行分析，判斷其受力變形是否滿足施工規(guī)范要求以及材料特性要求，從理論上分析本工程的鋼板樁圍堰施工是否滿足施工穩(wěn)定性和安全性的要求。

3 三維數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

Midas是一款適用于巖土分析的通用有限元軟件，其在地鐵、坑開挖、隧道、邊坡穩(wěn)定、基礦山等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。本工程運用Midas GTS/NX對鋼板樁圍堰進行模擬，并對圍堰整體和平面進行受力變形分析。

在建模中，通過慣性矩等效原則將拉森型鋼板樁的截面等效為矩形截面，鋼板樁用shell單元，腰梁和內(nèi)支撐、對撐以及角撐用beam單元模擬，土體采用實體單元，土體本構(gòu)模型的選取為修正莫爾-庫倫。圍堰土體的側(cè)面為法向約束，內(nèi)支撐體系和圍檁之間的連接采用剛性連接。

圖3 三維有限元網(wǎng)格模型

3.2 計算結(jié)果分析

據(jù)圍堰的施工過程對7個工況進行數(shù)值計算，得到鋼板樁的變形與彎矩，整理鋼板樁圍堰變形、彎矩最大值匯總于表2。

表2 鋼板樁圍堰計算結(jié)果

鋼板樁的容許彎矩為516 kN·m，根據(jù)公式[f]=L/400求得鋼板樁的允許的水平變形為45 mm。由表2可知，鋼板樁圍堰最大變形量和最大彎矩值均出現(xiàn)在工況7，鋼板樁的最大變形量為8.9 mm<45 mm，最大彎矩值為372.64 kN·m<516 kN·m，滿足規(guī)范要求，圍堰的施工過程在理論上是安全的。

3.3 水位變化情況

此工程中常水位按2.5 m進行模擬計算，鋼板樁位移如圖4所示。然而在實際施工過程中，由于潮汐或雨季降雨等原因，水位往往是不斷變化的，運用Midas建立模型，改變水壓力大小，分別對水位4 m、5 m、6 m的情況下對模型進行分析，計算整個施工過程中鋼板樁彎矩值及其變形，與鋼板樁抵抗彎矩及變形容許值相比較，判斷彎矩與變形是否滿足要求。選取最危險工況即工況7進行分析，將不同水位下的計算結(jié)果匯總于表3。

圖4 鋼板樁變形云圖

表3 數(shù)值模擬結(jié)果

從表3可知，隨著水位的上升，鋼板樁的變形和彎矩都不斷增大，鋼板樁圍堰在不同水位下的強度及剛度滿足設(shè)計和規(guī)范要求，即可以保證在圍堰施工過程的安全性。

3.4 支撐失效情況

此工程中第一道和第二道支撐只有角撐，第三道和第四道支撐有角撐、對撐和聯(lián)系撐，如圖5所示。

圖5 內(nèi)支撐圖示

然而在施工過程中，由于施工技術(shù)原因等，可能會出現(xiàn)圍堰部分支撐失效的情況，，運用Midas建立模型，將第三道支撐和第四道支撐中的對撐和聯(lián)系撐進行鈍化，計算整個施工過程中鋼板樁彎矩值及其變形，與鋼板樁抵抗彎矩及變形容許值相比較，判斷彎矩與變形是否滿足要求。選取最危險工況即工況7進行分析，將計算結(jié)果匯總于表4。

表4 鋼板樁圍堰計算結(jié)果

從表4可以得到，在對撐和聯(lián)系撐失效的情況下，鋼板樁圍堰的變形和彎矩都有較為明顯的增大，最大位移和最大彎矩均在容許范圍內(nèi)，設(shè)計存在比較大的安全儲備，施工仍然安全。

4 結(jié)束語

根據(jù)模擬鋼板樁圍堰的在不同水位下和部分支撐失效情況下有限元數(shù)值模擬的結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

(1)在鋼板樁圍堰內(nèi)支撐體系中設(shè)置對撐和聯(lián)系撐可以有效減小圍堰的整體變形和彎矩。

(2)4#鋼板樁圍堰設(shè)計合理，可以保證施工全過程的安全性。