高良澗擴(kuò)容船閘閘室計(jì)算研究

徐高亮 石德珊

摘 要：船閘底板通常簡化為平面問題的地基梁進(jìn)行計(jì)算，地基梁分析的目的是以地基與地基梁（即底板）共同工作的假設(shè)為前提，來確定地基梁與地基之間接觸壓力（地基反力）的分布，從而可求得地基梁的內(nèi)力。由于在實(shí)際工程施工中各支撐安裝時(shí)間不同，其未必與主體結(jié)構(gòu)同時(shí)開始受力。對于墻體而言，即在支撐或錨桿加上前，墻體已產(chǎn)生了內(nèi)力和位移，支撐或錨桿是在墻體產(chǎn)生了一定的位移后才加上的。因此各支撐發(fā)揮作用的時(shí)刻是不同的，為考慮這一種設(shè)置支撐和開挖的施工過程，提出了增量計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：閘室;支護(hù);增量法

1概述

高良澗擴(kuò)容船閘閘位布置在二線船閘東側(cè)，船閘閘首及閘室與原二線船閘對齊布置[1]。由于擴(kuò)容船閘與二線閘之間的中心距為70m，上下閘首與二線船閘閘首、閘室之間的凈距分別約為26m、41m，由于距離較近，常見的開挖方式如大面積開挖不能用于本工程中。同時(shí)上、下閘首外緣距水邊線距離最小值只有21m，無法達(dá)到閘首施工所需要的防滲要求。由于新建擴(kuò)容船閘閘位與二線船閘距離較近，為確保在擴(kuò)容船閘施工期間，二線船閘的正常運(yùn)行，擴(kuò)容船閘采用地下連續(xù)墻+鋼管支撐的支護(hù)方式，以減少基坑開挖對二線船閘的影響。閘室處地連墻支護(hù)斷面如圖1所示[2]。

因此，高良澗擴(kuò)容船閘的閘室受力計(jì)算不同于一般基坑大開挖的情況，需要結(jié)合地連墻支護(hù)、土方開挖及鋼管支撐等不同工況，對閘室內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。

2 計(jì)算方法分析

2.1底板的水平地基梁解法

船閘閘室底板通常的做法是按地基梁進(jìn)行計(jì)算，從而使船閘底板簡化為平面問題，該方法有一個(gè)重要假設(shè)，即地基與地基梁（底板）共同工作，基于這個(gè)假設(shè)可確定地基梁與地基之間接觸壓力的分布，從而可求得地基梁的內(nèi)力。首先必須選擇或者建立合理的地基模型，然后選擇合適的地基梁計(jì)算方法。常用的地基模型或假設(shè)有：反力直線分布假設(shè)、文克爾地基模型、彈性半無限地基模型、有限壓縮層地基模型、分層地基模型等;常用的地基梁計(jì)算方法有解析法、有限差分法、有限梁單元法、連桿法、地基反力函數(shù)法。

其中反力直線分布假設(shè)中地基梁與地基之間的壓力按直線分布，不考慮地基梁與地基之間的相對彈性，可在一些小型建筑物的設(shè)計(jì)計(jì)算中使用。文克爾地基模型把土體模擬為一系列各自孤立的彈簧，適合于力學(xué)性質(zhì)與水相近的地基;基礎(chǔ)底部塑性區(qū)域較大的地基;地基可壓縮厚度H小于基礎(chǔ)底面寬度L之半的薄層地基。彈性半無限地基模型認(rèn)為地基是連續(xù)、完全彈性、勻質(zhì)、各向同性的，充分考慮了地基的整體性和連續(xù)性，適用于應(yīng)力水平不高、塑性區(qū)開展范圍不大的相對均勻的粘性土地基。有限壓縮層地基模型假定彈性層與剛性層完全粘合，適合于橫觀同性地基。分層地基模型能較好的反映地基土擴(kuò)散應(yīng)力和變形能力，可以反映鄰近荷載的影響，能夠考慮土沿水平與深度變化的非均勻性，適用于應(yīng)力水平不高、塑性區(qū)開展范圍不大的地基。

本閘室底板下部地基壓縮層，主要位于兩側(cè)地連墻之間，適合采用文克爾地基模型?；蚕禂?shù)K0按下式計(jì)算：

2.2地連墻的豎向地基梁法

樁體在水平力作用下會產(chǎn)生水平向位移、彎矩及轉(zhuǎn)角，由于土體與樁之間的相互作用，土體會抵消樁基所產(chǎn)生的位移及力。根據(jù)土體的相關(guān)性質(zhì)，二者之間的相互作用為較為復(fù)雜的非線性關(guān)系，在實(shí)際工程中，無法通過解析方式來準(zhǔn)確表達(dá)，因此對工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)存在較多不便。目前在工程界中計(jì)算樁土的計(jì)算方法主要有線性地基反力法、非線性地基反力法等。本文所建立的樁土模型采用線性地基反力法進(jìn)行地基反力的模擬。

國內(nèi)外用于計(jì)算彈性樁的方法較多，最常采用彈性地基反力法，該法中，土體被假定為彈性體，樁的水平力運(yùn)用梁的彎曲理論進(jìn)行求解。微分方程為：

根據(jù)公式（3），當(dāng)指數(shù)n=1，A0=0時(shí)，即地基水平向基床系數(shù)隨深度按線性規(guī)律增大。該地基水平向基床系數(shù)的計(jì)算方法稱為m法，公式常用表示方法為kH=mz。不同規(guī)范或規(guī)程得到的m的取值范圍可能相差較大，因此工程應(yīng)用中m值的確定還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取。

2.3增量法

由于在實(shí)際工程施工中各支撐安裝時(shí)間不同，其未必與主體結(jié)構(gòu)同時(shí)開始受力。對于墻體而言，在支撐設(shè)置工序之前，墻體由于已經(jīng)受力，所以產(chǎn)生了內(nèi)力和位移，這部分力支撐并不承擔(dān)，支撐僅在其設(shè)置之后墻體受力時(shí)發(fā)揮作用。因此各支撐發(fā)揮作用的時(shí)刻是不同的，為考慮這一種設(shè)置支撐和開挖的施工過程，提出了增量計(jì)算方法。

增量法把每一施工過程所增加的荷載作為增量荷載，每一施工過程計(jì)算體系隨著結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而不同。增量荷載一般包括土壓力增量和上一過程已受力的土彈簧在本次施工將其挖掉時(shí)的反力荷載，如圖2所示。每一施工過程支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形為前面增量計(jì)算結(jié)果的迭加。增量法考慮整個(gè)施工過程結(jié)構(gòu)型式及荷載的變化，結(jié)果較不考慮過程變化的計(jì)算方法更貼合實(shí)際，對多撐或多錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算，應(yīng)使用增量法來進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算工況與計(jì)算步

本工程閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算按順序共分為基坑開挖期、底板施工期、閘室完建期、閘室使用期四種設(shè)計(jì)工況，8步計(jì)算，如表1所示，重點(diǎn)為地連墻及閘室的內(nèi)力及位移。

3.1基坑開挖期

T1：內(nèi)支撐安裝前開挖：場地原地面 16.13，施工寬縫封鉸前，閘內(nèi)地下水位保持5.13，閘外地下水位取平臺高程9.33。地連墻施工（9.33～-9.37）厚度0.6m，材料采用C25砼。第一層開挖9.33～6.33，地連墻處于無錨板樁受力狀態(tài)，不考慮地連墻自重及其浮托力產(chǎn)生的影響。

T2：內(nèi)支撐安裝后開挖：安裝609mm鋼管對撐（6.63，間距8m）后，第二層開挖6.13～2.03。閘外地下水位9.33，閘內(nèi)地下水位1.43。

3.2閘室施工期

T3：底板施工：磚砌填充作為外側(cè)模板，澆筑邊底板2.03～6.13，中底板2.03～4.33。閘外地下水位9.33，閘內(nèi)地下水位1.43。

T4：內(nèi)支撐拆除：底板砼達(dá)到強(qiáng)度后，拆除支撐體系。拆除支撐體系之前，在寬縫位置對應(yīng)支撐的位置，間距8米，設(shè)置厚度1m，寬度1.5m的砼支撐。砼支撐材料為C30混凝土。閘外地下水位9.33，閘內(nèi)地下水位1.43。

T5：墻身澆筑到頂：新澆筑閘墻高程6.13～16.13，閘外地下水位9.33，閘內(nèi)地下水位1.43。

3.3閘室完建期

T6：封鉸，墻后回填到頂：待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，預(yù)留寬縫封鉸，即可進(jìn)行墻后土回填。通過寬縫內(nèi)預(yù)留的降水管抽排，閘內(nèi)地下水位保持在1.43。

3.4閘室使用期

T7：閘室高水期：閘墻后縱向排水管起止于上、下閘首的邊墩兩側(cè)，起、止點(diǎn)高程分別為10.13～9.33，排水管的縱坡約1：500。閘墻后排水系統(tǒng)完成，水位上升至10.13。閘室高水位，墻后水位10.13，閘室水位14.83。

T8：閘室檢修期：檢修期，墻后水位10.33，閘室無水。

4 計(jì)算結(jié)果分析

建立以上計(jì)算模型，并對各計(jì)算步進(jìn)行計(jì)算，得出如下計(jì)算結(jié)果：

4.1閘室底板彎矩

在閘墻澆筑T5、完建期T6、高水期T7底板彎矩增量相對較大。負(fù)彎矩出現(xiàn)在底板中部，閘墻澆筑期T5負(fù)彎矩最大-1273.2kN·m;完建期T6、檢修期T8正彎矩較大，端部約4082.3 kN·m。底板彎矩特征值見表2。

4.2墻體剪力與彎矩

第一步開挖T1時(shí)，墻體向前位移、墻后受拉，最大負(fù)彎矩-358.6kN·m，第二步開挖T2時(shí)，鋼管支撐處剪力較大，有突變，支撐以下向前位移、墻前受拉，最大正彎矩553.4 kN·m。

在換撐后各工況T4-T8中，由于磚墻高度較大，呈現(xiàn)寬支座效應(yīng)，在磚墻頂部、底部兩端支承反力大，分別在高程6.13m、2.08m處，剪力較大存在突變，彎矩出現(xiàn)尖峰型轉(zhuǎn)折。

各工況累計(jì)值來看，完建期磚墻頂部、底部剪力最大，分別為391.0kN、-357.0kN。在底板中線高程3.18m處，正負(fù)彎矩較大，其中第一步開挖負(fù)彎矩-358.6kN·m、閘墻澆筑時(shí)232.8kN.m。磚墻頂部在換撐后負(fù)彎矩增大，完建時(shí)最大為-461.9 kN·m。墻體剪力、彎矩特征值分別見表3、表4。

5 結(jié)論

閘室及地連墻在實(shí)際施工過程中，受力狀態(tài)、施工步驟較為繁雜，基于增量法的閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算能反映不同施工步荷載、內(nèi)力、位移的變化趨勢。通過對不同施工步模型的計(jì)算分析，得到了考慮施工過程下更科學(xué)的計(jì)算結(jié)果，模型各單元均在發(fā)生作用的施工步被激活，有效避免了荷載條件與實(shí)際受力結(jié)構(gòu)不匹配的情況。對于其他工程的計(jì)算具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張躍東，陳稚娟.淮河出海航道高良澗擴(kuò)容船閘平面布置難點(diǎn)及對策[J].中國水運(yùn)（下半月），2014，14（02）：302-303+306.

[2] 江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司.淮河出海航道高良澗船閘擴(kuò)容工程施工圖設(shè)計(jì)[R].2012.