基于有限元法的鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)分析

丁巍，金乾明

(中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

如今采用鋼板樁圍堰施工橋梁深水基礎(chǔ)已經(jīng)非常普遍，該圍堰結(jié)構(gòu)形式具有施工簡(jiǎn)便、造價(jià)較低、防水性好等優(yōu)點(diǎn)，并且隨著施工技術(shù)的進(jìn)步，鋼板樁圍堰的開挖深度也越來越大，這就對(duì)其結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析提出了更高的要求。傳統(tǒng)的計(jì)算方法是采用等值梁法結(jié)合平面結(jié)構(gòu)有限元簡(jiǎn)化計(jì)算，而圍堰結(jié)構(gòu)實(shí)際是空間受力體系，簡(jiǎn)化計(jì)算的結(jié)果必定存在偏差。事實(shí)上，水下樁土作用復(fù)雜，無論采用哪種方法計(jì)算都會(huì)與實(shí)際有一定的偏差，只有通過不斷地優(yōu)化計(jì)算方法和計(jì)算模型才能使計(jì)算結(jié)果更加可靠。

該文以湖北215省道毛市大橋14#主墩鋼板樁圍堰為背景，分別采用平面有限元法和整體空間有限元法進(jìn)行計(jì)算分析。為確保結(jié)構(gòu)安全，對(duì)圍堰進(jìn)行施工過程的應(yīng)力及位移監(jiān)測(cè)，將兩種方法的計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后類似鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

1 工程概況

湖北215省道毛市大橋項(xiàng)目位于荊州市監(jiān)利縣，其主橋上部結(jié)構(gòu)為(75+125+75)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)和矩形承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為13.2 m×13.2 m×3.5 m，兩主墩均位于河道邊緣，現(xiàn)場(chǎng)先進(jìn)行回填土方搭建施工平臺(tái)，然后采用鋼板樁圍堰法施工主墩承臺(tái)，鋼板樁采用拉森Ⅳ型鋼板樁，材質(zhì)為Q295p，樁長(zhǎng)18 m，圍堰平面尺寸為15.6 m×15.6 m，其中14#墩地質(zhì)條件相對(duì)較差，開挖深度更大，圍堰頂標(biāo)高為+25.000 m，底標(biāo)高為+7.000 m，最大開挖深度為10.34 m，共設(shè)置4道內(nèi)支撐。4道內(nèi)支撐的標(biāo)高分別為 +24.180、+21.450、+19.010、+16.990 m。其中第4層支撐在墊層澆筑完并達(dá)到強(qiáng)度后僅拆除斜撐保留圍囹，承臺(tái)施工完成后，回填砂土再將圍囹拆除，其余支撐在墩身施工完成后圍堰內(nèi)回填土?xí)r拆除。14#墩鋼板樁圍堰布置圖如圖1、2所示。

圖1 鋼板樁圍堰立面布置圖(除標(biāo)高單位為m外，其余：mm)

圖2 圍堰平面布置圖(單位：mm)

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告及項(xiàng)目附近類似工程經(jīng)驗(yàn)，14#墩地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 14#墩土層參數(shù)

2.2 主要計(jì)算工況

毛市大橋14#墩鋼板樁圍堰主要施工步驟為：① 樁基施工完成后插打鋼板樁；② 圍堰內(nèi)開挖至+23.68 m，在+24.18 m處安裝第1道內(nèi)支撐；③ 圍堰內(nèi)開挖至+20.95 m，在+21.45 m處安裝第2道內(nèi)支撐；④ 圍堰內(nèi)開挖至+18.51 m，在+19.01 m處安裝第3道內(nèi)支撐；⑤ 圍堰內(nèi)開挖至+16.49 m，在+16.99 m處安裝第4道內(nèi)支撐；⑥ 圍堰內(nèi)開挖至+14.66 m，澆筑50 cm厚C25封底混凝土；⑦ 待封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆除第4道支撐的斜撐，破除樁頭進(jìn)行承臺(tái)施工；⑧ 圍堰內(nèi)回填砂土，拆除第4道支撐圍囹，并在承臺(tái)頂位置用型鋼填充承臺(tái)與鋼板樁間隙；⑨ 完成墩身施工，圍堰內(nèi)回填并拆除內(nèi)支撐；⑩ 最后依次拔出鋼板樁。

根據(jù)施工工序，該圍堰主要考慮以下3個(gè)較危險(xiǎn)的計(jì)算工況：

(1)工況1：第3道支撐安裝完成后，圍堰內(nèi)開挖至+16.49 m。

(2)工況2：第4道支撐安裝完成后，圍堰內(nèi)開挖至+14.66 m(最大深度)。

(3)工況3：封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆除第4層支撐的斜撐。

該文著重分析上述3個(gè)工況下的鋼板樁及內(nèi)支撐的受力情況，并且假定圍堰內(nèi)部始終處于干施工狀態(tài)，這樣的計(jì)算結(jié)果更為保守。

2.3 荷載計(jì)算

由于采用筑島方法搭建施工平臺(tái)，鋼板樁主要荷載為土壓力。圍堰處土層中，粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂均為透水性土層，土壓力計(jì)算時(shí)按照水土分算法進(jìn)行計(jì)算。黏土層為不透水層，按水土合算法計(jì)算。

土壓力計(jì)算采用朗肯主被動(dòng)土壓力公式計(jì)算，對(duì)于水土合算的土層：

(1)

(2)

對(duì)于水土分算的土層：

制作代書遺囑應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：第一，遺囑人口述遺囑內(nèi)容，由見證人代替遺囑人書寫遺囑。代書人應(yīng)如實(shí)記載遺囑人口述的遺囑內(nèi)容，不可對(duì)遺囑內(nèi)容作出任何更改或修正。第二，代書遺囑必須有兩個(gè)以上見證人在場(chǎng)見證，其中一人可為代書人。第三，代書人、見證人和遺囑人必須在遺囑上簽名，并注明年、月、日。代書人將書寫完畢的遺囑，應(yīng)交由其他見證人核實(shí)，并向遺囑人當(dāng)場(chǎng)宣讀，經(jīng)遺囑人認(rèn)定無誤后，由代書人、其他見證人和遺囑人簽名，并注明具體日期。

(3)

(4)

式中:Pa(P′a)、Pb(P′b)分別為主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力；γ為土的天然重度；γw為地下水重度；c為土的黏聚力；φ為土的內(nèi)摩擦角；hwa、hwb分別為基坑外側(cè)和內(nèi)側(cè)地下水位深度，參數(shù)取值見表1。

以最大開挖深度工況即工況2為例，計(jì)算得其土壓力分布如圖3所示。

3 平面有限元法計(jì)算

3.1 鋼板樁受力計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)參數(shù)，取鋼板樁為1 m板寬，利用理正深基坑軟件計(jì)算，選用“m法”對(duì)圍堰各個(gè)施工工況的內(nèi)力進(jìn)行分析，計(jì)算得到各層支撐位置最大反力以及板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移包絡(luò)圖，如圖4所示。

拉森Ⅳ型鋼板樁每延米的截面抗彎模量約為2.27×10-3m3，鋼板樁最大彎矩為272.94 kN·m，則最大彎曲應(yīng)力為120.2 MPa。

圖3 工況2鋼板樁土壓力分布圖(單位：kPa)

圖4 鋼板樁內(nèi)力包絡(luò)圖

3.2 內(nèi)支撐計(jì)算

根據(jù)圖4計(jì)算結(jié)果，支反力最大值為第4層的230.64 kN，以第4層內(nèi)支撐為例，利用Midas Civil建立內(nèi)支撐平面模型，在圍囹上施加230.64 kN/m的線荷載，計(jì)算得到內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為-121.5 MPa，其他支撐計(jì)算方法類似。

將所有支撐計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

表2 內(nèi)支撐應(yīng)力極值計(jì)算結(jié)果 MPa

4 空間有限元法計(jì)算

采用Midas Civil建立鋼板樁圍堰的空間有限元模型，鋼板樁和內(nèi)支撐均采用梁?jiǎn)卧M，模型共2 064個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 016個(gè)單元。相鄰鋼板樁之間，鋼板樁與圍囹之間均采用鉸接，鋼板樁底部為鉸支座約束，采用土彈簧模擬被動(dòng)土壓力，封底混凝土與鋼板樁之間采用雙向土彈簧模擬。

4.1 工況1計(jì)算結(jié)果

第3道支撐安裝完成后，圍堰開挖至+16.49 m。此時(shí)圍堰開挖深度為8.51 m，此時(shí)第3道支撐位于最底層，受力較為不利。鋼板樁和內(nèi)支撐的變形和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況1計(jì)算結(jié)果

由圖5可知：工況1下，鋼板樁最大組合應(yīng)力為80.8 MPa，最大變形量為8.6 mm；內(nèi)支撐的最大組合應(yīng)力為152.2 MPa，最大變形量為3.8 mm。

4.2 其他工況計(jì)算結(jié)果

其他工況計(jì)算過程與工況1基本相同，不再贅述，表3為所有工況鋼板樁及內(nèi)支撐的應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果。

表3 鋼板樁圍堰計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出：毛市大橋14#墩鋼板樁圍堰施工過程中鋼板樁最大組合應(yīng)力為109.0 MPa，內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力171.5 MPa。鋼板樁材質(zhì)為Q295P，內(nèi)支撐材料為Q235鋼，根據(jù)GB/T 20933—2014《熱軋鋼板樁》及GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》其屈服強(qiáng)度分別為295、235 MPa，均考慮1.35倍安全系數(shù)，則鋼板樁允許應(yīng)力為218.5 MPa，內(nèi)支撐允許應(yīng)力為174.1 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。鋼板樁最大水平位移為15.2 mm，工況3內(nèi)支撐水平位移最大值為4.4 mm。其中，鋼板樁允許最大撓度為L(zhǎng)1/400=18 000/400=45 mm，內(nèi)支撐最大撓度發(fā)生在圍囹跨中位置，跨中位置允許最大撓度為L(zhǎng)2/400=3 000/400=7.5 mm。因而，圍堰的剛度滿足規(guī)范要求。

從計(jì)算結(jié)果云圖可以看出：鋼板樁最薄弱位置位于圍堰每邊跨中位置，內(nèi)支撐受力較大位置主要位于圍囹上，并且與平面有限元計(jì)算得出的規(guī)律相同：下層受力較上層大，因而設(shè)計(jì)時(shí)，靠下層的內(nèi)支撐選用較大截面型鋼。

5 圍堰監(jiān)測(cè)及比較分析

5.1 鋼圍堰監(jiān)測(cè)

圍堰監(jiān)測(cè)主要包括水位監(jiān)測(cè)、圍堰結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)以及圍堰應(yīng)力監(jiān)測(cè)3個(gè)方面。其中圍堰外水位通過在河道邊設(shè)置帶有標(biāo)高數(shù)據(jù)的固定標(biāo)尺進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)際施工過程中圍堰內(nèi)幾乎無地下水冒出，無需進(jìn)行內(nèi)部水位監(jiān)測(cè)。

圍堰結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)主要為鋼板樁頂部水平位移和沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在鋼板樁頂部圍堰4個(gè)角點(diǎn)及各邊中點(diǎn)位置。水平位移采用測(cè)邊交會(huì)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沉降量采用電子精密水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)選用正弦式鋼板應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置在圍堰靠河側(cè)邊中間部位鋼板樁上，豎向布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 圍堰監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

實(shí)際位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：鋼圍堰整體位移較小，隨著開挖深度的增加，位移值也逐漸增加，且圍堰整體有向河側(cè)傾斜的趨勢(shì)。開挖至最大深度后，結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，最大位移約為3 mm，發(fā)生在與河道平行的邊中點(diǎn)位置，這是由于該位置垂直于河道方向剛度相對(duì)較低，且河側(cè)的回填土相對(duì)于原狀土對(duì)圍堰的支撐作用小，施工過程中在河側(cè)刻意進(jìn)行了放坡加高處理，從而減小了整體傾斜趨勢(shì)。

圖7 圍堰頂部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

5.2 應(yīng)力對(duì)比

由于鋼板樁上部受力較小，從第2層支撐位置開始布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，并在底部進(jìn)行測(cè)點(diǎn)加密，共6個(gè)有效測(cè)點(diǎn)。將鋼板樁實(shí)測(cè)應(yīng)力極值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。工況2即開挖至最大深度時(shí)，應(yīng)力實(shí)測(cè)值與空間有限元理論計(jì)算值對(duì)比如圖8所示。

表4 鋼板樁實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論值對(duì)比

圖8 工況2下鋼板樁實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論值對(duì)比

由表4可知：鋼板樁理論計(jì)算應(yīng)力極值均比實(shí)測(cè)值大，其中，平面有限元計(jì)算結(jié)果更為保守。由圖8可看出：鋼板樁空間有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性，應(yīng)力極值偏差為23.7%，這是由于實(shí)際土層分布并不均勻，且現(xiàn)場(chǎng)圍堰加工情況也與圖紙存在一定的偏差造成的。

6 結(jié)論

(1)通過有限元分析能直觀地展現(xiàn)出鋼圍堰的整體受力變形情況，計(jì)算時(shí)，考慮了多種不利工況進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明該鋼圍堰的整體剛度及強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

(2)鋼板樁圍堰采用有限元計(jì)算時(shí)，其計(jì)算結(jié)果均大于實(shí)測(cè)值，其中采用空間有限元法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更為接近，應(yīng)力分布規(guī)律也和實(shí)側(cè)結(jié)果一致。實(shí)際施工同時(shí)需要進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，該圍堰整體位移很小，但由于實(shí)際地層的不均勻分布產(chǎn)生了一定的傾斜趨勢(shì)。

(3)采用兩種有限元分析方法均能滿足工程需求，空間有限元法計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，但與實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近。平面有限元分析方法相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果較為保守，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工因素，采用該方法計(jì)算具有一定的可靠性。