雙排鋼樁圍堰拉桿斷裂原因分析及設(shè)計優(yōu)化

王 煉

(上海友為工程設(shè)計有限公司，上海 200093)

在涉水工程建設(shè)中，為給建造永久性構(gòu)筑物創(chuàng)造干地施工條件，雙排鋼樁圍堰是一種常見的臨時性擋水、擋土構(gòu)筑物，如長興造船基地3#、4#船塢工程、蘇州市中環(huán)快速路北段陽澄西湖隧道工程、北安市山口水庫供水工程等。雙排鋼樁圍堰在水中打設(shè)雙排鋼板(管)樁，在樁間回填土，鋼樁外側(cè)采用槽鋼圍檁作導(dǎo)向，并用鋼筋拉桿聯(lián)系固定，整體擋住外側(cè)水土形成施工空間。相比常規(guī)土圍堰，雙排鋼樁圍堰具有強(qiáng)度高，斷面小，施工速度快等優(yōu)點，除大漂石及堅硬巖石的地質(zhì)適應(yīng)性較差外，其他各類地質(zhì)條件均可實施，因此其使用范圍也越來越廣[1-2]。

在部分已經(jīng)實施的大斷面尺寸雙排鋼樁圍堰項目中發(fā)現(xiàn)，聯(lián)系固定前后排鋼板(管)樁的鋼拉桿在施工過程中均出現(xiàn)不同程度的斷裂情況。拉桿斷裂后，圍堰整體性遭到破壞，鋼樁因失去拉桿的固定作用，變成懸臂結(jié)構(gòu)，在水、土壓力作用下，很容易發(fā)生位移形變，影響穩(wěn)定性及擋水、擋土效果，威脅基坑內(nèi)側(cè)施工安全[3]。本文結(jié)合兩個典型工程實例，判斷拉桿斷裂類型，分析鋼樁圍堰拉桿斷裂原因，提出合理改進(jìn)方法，規(guī)避工程建設(shè)安全風(fēng)險，為以后鋼樁圍堰設(shè)計提供經(jīng)驗。

1 工程案例

1.1 工程案例一：某越湖隧道工程

某越湖隧道工程，隧道全長約5.4km，湖中段約3km，隧道主體工程采取明挖干作法施工。湖泊常水位約1.2m，湖底高程約-4.0～-5.0m，地質(zhì)土層以粘土、粉質(zhì)粘土、粉土為主。為創(chuàng)造干地施工條件，平行于隧道方向設(shè)置2條臨時圍堰擋水。

該項目典型圍堰斷面采用鎖口鋼管樁(臨水側(cè))+鋼管樁(背水側(cè))組合，迎水側(cè)樁間隔布置樁長23.0m 的DN720×12mm鋼管樁與PU-600×210mm鋼板樁，兩者間采用PC鎖扣連接、止水；基坑側(cè)采用DN395×10mm鋼管樁，樁長15m，間距685mm。圍堰堰體寬度為8m，堰頂高程3.8m，在高程2.8m和1.8m處各設(shè)一道對拉鋼筋(鋼筋采用PSB830精軋螺紋鋼，直徑40mm，水平間距為1370mm)，對拉桿通過[32a槽鋼將前后排鋼管樁拉結(jié)成整體。在背水側(cè)鋼管樁之間設(shè)置一排高強(qiáng)土工格柵，土工格柵內(nèi)側(cè)設(shè)置土工布一層進(jìn)行反濾，鋼管樁中間用素土進(jìn)行回填。在圍堰靠近基坑一側(cè)設(shè)置填土戧臺，臨水側(cè)湖底設(shè)置復(fù)合土工膜護(hù)腳。

圍堰于當(dāng)年9月開始施工，水上搭設(shè)導(dǎo)向架，采用高頻免震錘搭設(shè)鋼樁，鋼樁打設(shè)完成后拉結(jié)拉桿，駁船翻運現(xiàn)狀湖底土方，堰芯采用1.5m3挖掘機(jī)進(jìn)行填筑。當(dāng)年12月上旬圍堰主體建成并開始抽水，次年1月中旬抽水完成。次年2月圍堰巡視人員偶爾在圍堰上能聽到“嘭嘭”悶響，查實為拉桿斷裂聲。經(jīng)統(tǒng)計，拉桿共斷裂630根，其中上層拉桿110根，下層拉桿520根。大部分?jǐn)嗔盐恢迷谟畟?cè)大鋼管內(nèi)側(cè)拉桿眼位置，少數(shù)在基坑側(cè)小鋼管內(nèi)側(cè)拉桿眼位置。檢查現(xiàn)場拉桿斷口平整，無頸縮現(xiàn)象，也無明顯切入口?，F(xiàn)場斷裂的拉桿如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場斷裂的拉桿

根據(jù)現(xiàn)場拉桿軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)(如圖2所示)，現(xiàn)場拉桿軸力遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計承載能力，部分拉桿未能拉緊。監(jiān)測點ZL12拉桿軸力于當(dāng)年12月20日降至0，說明其拉桿斷裂，監(jiān)測點ZL4拉桿軸力于次年2月5日起逐步上升，說明其周邊拉桿斷裂。拉桿斷裂時間跨度約為當(dāng)年12月20日至次年2月17日，共計60d。

圖2 現(xiàn)場拉桿軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)

1.2 工程案例二：某水利樞紐工程

該水利樞紐工程外河潮位高，風(fēng)浪大，樞紐內(nèi)外兩側(cè)設(shè)攔河圍堰，外河圍堰設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)取汛期五十年一高潮位5.76m。圍堰處現(xiàn)狀泥面高程為0.0m，外河圍堰寬8m，長約110m，鋼板樁樁頂高程8.6m，子堰頂高程9.6m。圍堰結(jié)構(gòu)采用雙排PU-600×210mm鋼板樁結(jié)構(gòu)，堰高程為8m，內(nèi)填粘土，樁長21m。在外河側(cè)鋼板樁內(nèi)側(cè)設(shè)置型號為HN700×300mm H型鋼加強(qiáng)，樁長15m，樁頂高程7.1m。圍堰頂部設(shè)置150mm厚C25素砼路面保護(hù)。在7.5、5.5、3.7m高程設(shè)置3道直徑40mm HRB400鋼筋對拉，鋼筋間距為1200mm。在迎水側(cè)及堰基設(shè)土工膜防滲，背水側(cè)鋪設(shè)反濾土工布一層。兩端與海塘連接采用袋裝土堤連接，土堤外側(cè)護(hù)面結(jié)構(gòu)層采用袋裝碎石找平+防滲土工膜+灌砌塊石。在圍堰背水側(cè)2.5m高程處設(shè)置5.0m寬土護(hù)道，以1∶2邊坡放坡至0.0m高程。

外河圍堰自當(dāng)年12月11日開始采用水上進(jìn)占施打鋼板樁，于次年1月17日完成鋼板樁施工，安裝第一道(3.7m高程處)拉桿。整體圍堰填筑自1月18日開始進(jìn)行，挖掘機(jī)及小型運輸車輛駛?cè)胙咝?，整體自北岸逐步向南岸填筑。全線填至4.5高程后安裝第二道(5.5m高程處)拉桿，填至6.5高程后安裝第三道(7.5m高程處)拉桿。1月30日全部拉桿安裝完畢，后因雨水等原因影響工期，最終于4月28日全部填筑完成。期間也發(fā)生了拉桿斷裂，據(jù)統(tǒng)計共計斷裂88根，其中下層拉桿斷裂36根，中層拉桿斷裂38根，上層拉桿斷裂14根。

2 拉桿斷裂原因分析

2.1 拉桿斷裂形式判斷

根據(jù)對拉桿斷口的觀察，拉桿斷口平坦，邊緣沒有受剪切力產(chǎn)生剪切唇，也沒有受拉力產(chǎn)生伸長或彎曲變形，更沒有發(fā)生頸縮現(xiàn)象等其他塑性變形。拉桿斷口與正應(yīng)力垂直，斷口平整，進(jìn)一步觀察斷口表面裂紋發(fā)現(xiàn)其呈發(fā)散形花樣，且斷裂時伴有大聲響，符合脆性斷裂的特征。實測拉桿應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度[4]。因此判斷本文所述案例的拉桿斷裂形式為脆性斷裂。鋼筋破壞典型斷口如圖3所示。

圖3 鋼筋破壞典型斷口

2.2 脆性破壞產(chǎn)生的原因

根據(jù)歷史上重大脆性斷裂事故的記載及其失效分析，發(fā)現(xiàn)脆性斷裂的主要原因有以下六點：①應(yīng)力分布、②溫度、③尺寸效應(yīng)、④焊接質(zhì)量、⑤環(huán)境、⑥材料化學(xué)成分與組織[5]。本文案例位于長江中下游地區(qū)，氣候相對溫和，圍堰拉桿直徑均為40mm，工作環(huán)境為水上環(huán)境，周邊無腐蝕介質(zhì)，且圍堰欄桿采用螺栓固定，不存在焊接工作，采用的鋼筋均為合格產(chǎn)品，因此圍堰拉桿發(fā)生脆性斷裂的主要原因為應(yīng)力分布。

當(dāng)零件存在缺陷(如尖銳缺口、刀痕、預(yù)存裂紋、疲勞裂紋等)或零件截面突然變化，這些部位往往引起應(yīng)力集中而使應(yīng)力分布不均勻，即造成三向拉應(yīng)力狀態(tài)，極易導(dǎo)致脆性斷裂。因此，應(yīng)力集中作用以及除載荷作用方向以外的拉應(yīng)力分量是造成金屬零件在靜態(tài)低負(fù)荷下產(chǎn)生脆性斷裂重要原因。材料應(yīng)力狀態(tài)越嚴(yán)重，則發(fā)生解理斷裂傾向性越大。

2.3 填料沖擊與機(jī)械碾壓的影響

回顧堰芯填筑過程，案例一采用1.5m3挖掘機(jī)進(jìn)行填筑，回填時抓斗距離堰頂高度約1m左右，單斗土方自重為30kN，土料粘聚呈大塊狀，若土塊自重按照5kN計，假定拉桿簡支于前后排鋼管管壁，采用能量法[6]計算沖擊荷載及應(yīng)力，則第一道拉桿沖擊荷載為162kN，第二道拉桿沖擊荷載為227kN。第一道拉桿截面瞬間正應(yīng)力達(dá)22193MPa，切應(yīng)力達(dá)277MPa，第二道拉桿截面瞬間正應(yīng)力達(dá)72461MPa，切應(yīng)力達(dá)905MPa，正應(yīng)力遠(yuǎn)大于PSB830精軋螺紋鋼抗拉強(qiáng)度1030MPa。而在填土期間，拉桿外觀未發(fā)生明顯破壞，主要由于堰芯填土尚未填實，此時鋼樁作為支座對拉桿約束能力相對較弱，拉桿及鋼樁等發(fā)生了其他變形增加了沖擊位移以適應(yīng)沖擊。但上述計算假定中的支座處即鋼管管壁處在沖擊過程中如同被斧頭斬切一般，不可避免會產(chǎn)生應(yīng)力集中，對拉桿造成了尖銳缺口。且鋼管上拉桿眼直徑相同，為50mm，拉桿與孔眼間縫隙5mm，大鋼管拉桿眼間距約為小鋼管間距的1.8倍，大鋼管對拉桿的約束作用強(qiáng)于小鋼管，更易發(fā)生破壞。上述分析結(jié)果與前節(jié)對拉桿斷裂位置的統(tǒng)計數(shù)據(jù)相符，即下層拉桿及強(qiáng)約束處拉桿更容易斷裂。

而案例二除采用1.5m3挖掘機(jī)進(jìn)行填筑外，還有施工車輛在填土后的壓桿上方通行，使拉桿受到了反復(fù)碾壓。根據(jù)彎曲對稱循環(huán)疲勞曲線，試件達(dá)到疲勞破壞時的循環(huán)次數(shù)隨著最大應(yīng)力的減小而增大[6]，即交變應(yīng)力的變化幅度越大則試件越容易發(fā)生疲勞破壞。施工車輛自重大，反復(fù)碾壓而產(chǎn)生交變應(yīng)力是拉桿不能承受的。

2.4 鋼樁與堰芯填土不均勻沉降的影響

雙排鋼樁圍堰的堰芯填土為水上填筑，填筑難度較高，水下壓實度無法保證，堰芯填土壓縮量大，造成堰芯填土施工期及工后均有不同程度的沉降[7]。以案例二為例，計算堰芯填土的固結(jié)與沉降，其施工期沉降量為506mm，工后基準(zhǔn)期沉降92mm，拉桿斷裂時實際監(jiān)測沉降量為97.7mm。而鋼樁入土較深，沉降量較小，同期監(jiān)測沉降量為10.5mm。

鋼樁與堰芯填土的不均勻沉降造成拉桿下土體脫空，拉桿須額外承擔(dān)拉桿上方部分土體自重。使得拉桿不再是單純的受拉構(gòu)件，同時受彎、受拉，產(chǎn)生復(fù)合應(yīng)變，致使拉桿易斷。

3 拉桿設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)前節(jié)分析的拉桿發(fā)生脆性斷裂原因，在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)增加拉桿的變形能力，從拉桿材質(zhì)、拉桿截面尺寸、拉桿結(jié)構(gòu)、拉桿約束三方面入手加以改進(jìn)。

3.1 拉桿材質(zhì)

案例一拉桿采用PSB830精軋螺紋鋼，屈服強(qiáng)度830MPa，抗拉強(qiáng)度1030MPa，斷后伸長率7%。案例二拉桿采用HRB400普通螺紋鋼，屈服強(qiáng)度400MPa，抗拉強(qiáng)度540MPa，斷后伸長率16%。

高強(qiáng)度鋼材可減少材料截面尺寸，減輕拉桿質(zhì)量，使施工更為容易，但高強(qiáng)度鋼材延性低，在受側(cè)向沖擊荷載時，沖擊位移小，應(yīng)力大，容易發(fā)生破壞，因此在選材時除考慮鋼材強(qiáng)度外還應(yīng)考慮伸長率。

3.2 拉桿截面尺寸

脆性斷裂還存在尺寸效應(yīng)，鋼板厚度對脆性斷裂有較大影響，厚鋼板的缺口韌性差已由相關(guān)實驗所證明，即隨鋼板厚度增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，鋼材缺口脆性增加，其脆化原因一般認(rèn)為有以下兩點：

(1)冶金質(zhì)量。厚鋼板的冶金質(zhì)量比薄鋼板差，如厚板晶粒粗大，偏析程度增加，冶煉質(zhì)量及組織不均勻，使得厚板脆化傾向提高；

(2)應(yīng)力狀態(tài)。鋼板厚度增加，即處于平面應(yīng)變狀態(tài)，從而使脆化傾向提高。如在給定溫度下，帶缺口厚板可能是脆性材料，而材料相同的帶缺口薄板卻可能是韌性材料。[4]

因此拉桿直徑也不宜太大，超過一定尺寸時可改用鋼管。

3.3 拉桿結(jié)構(gòu)

常規(guī)拉桿通常采用鋼筋制作而成，兩頭車出絲扣后用普通螺栓緊固，拉桿安裝完成后松緊無法調(diào)節(jié)，無法適應(yīng)變形?？刹捎萌鐖D4所示做法，在拉桿上中間設(shè)置張緊器以調(diào)節(jié)拉桿松緊，同時在張緊器兩側(cè)適當(dāng)位置設(shè)垂直向的單向鉸以適應(yīng)變形。

圖4 拉桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖[8]

3.4 拉桿約束

拉桿約束位于鋼樁樁壁處，樁壁開孔處應(yīng)設(shè)保護(hù)軟套，避免拉桿與樁壁開孔直接接觸并增加支座彈性。當(dāng)鋼樁為鋼管樁時，鋼管上內(nèi)孔應(yīng)適當(dāng)大于外孔，并與鋼管管徑相協(xié)調(diào)。

4 圍堰施工的注意事項

在施工過程中，首先圍堰堰芯填筑應(yīng)盡量選用干燥、松散的土料，并限制回填土料塊體大小，控制抓斗距離拉桿的高度，以減少填料對拉桿沖擊；其次堰頂嚴(yán)禁施工機(jī)械行駛，避免產(chǎn)生交變應(yīng)力；堰芯填筑應(yīng)以水面、拉桿為界，分期、分層填筑，減少工后沉降。

5 結(jié)語

在雙排鋼樁圍堰的結(jié)構(gòu)體系中，拉桿將前后排鋼樁拉結(jié)成整體的重要構(gòu)件，確保拉桿有效性是圍堰設(shè)計至關(guān)重要的一環(huán)。根據(jù)本文所列兩個具體工程實例，判斷實例中拉桿斷裂類型為脆性斷裂，其斷裂原因為堰芯填土?xí)r的沖擊荷載、施工機(jī)械碾壓產(chǎn)生的交變應(yīng)力以及鋼樁與堰芯填土不均勻沉降。在設(shè)計時應(yīng)采取措施，適當(dāng)增加拉桿韌性，提高其變形能力。施工中應(yīng)注意對拉桿的保護(hù)，避免野蠻施工。