超長鋼板樁圍堰合理內(nèi)支撐施工方案

張 駿

(上海鐵路局建設(shè)管理處，上海 200071)

對于鋼板樁圍堰而言，合理的內(nèi)支撐施工方案至關(guān)重要，它關(guān)系到鋼板樁圍堰的施工安全、施工工期的長短和施工全過程成本的高低。由于鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)計(jì)算大多采用平面幾何模型及簡化力學(xué)模型［1-2］，缺少了空間整體分析，不能反映施工全過程的力學(xué)響應(yīng)，而考慮鋼板樁、內(nèi)支撐和土層相互作用的有限元分析方法對施工過程的模擬是合理的。

以新建阜陽至六安鐵路潁河特大橋深水基礎(chǔ)超長鋼板樁圍堰施工實(shí)踐為例，通過建立鋼板樁、內(nèi)支撐和土層相互作用的三維整體有限元模型，從而實(shí)現(xiàn)對鋼板樁圍堰施工過程的模擬。根據(jù)封底混凝土施工時(shí)機(jī)的不同，選擇四種施工方案，通過對比分析不同施工方案下鋼板樁樁身變形及其等效應(yīng)力、內(nèi)支撐的軸向應(yīng)力，對超長鋼板樁圍堰內(nèi)支撐施工方案進(jìn)行了探討。

1 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)概況

潁河特大橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)為矩形，平面尺寸為28.0m×22.4 m，如圖1所示。鋼板樁長度為30.0m，鋼板樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高28.36 m，鋼板樁樁尖標(biāo)高為－1.64 m，樁尖在封底混凝土底面以下不少于9.0m。

圍堰從上到下設(shè)六道支撐，最上面一道為第一道支撐，最下面一道為第六道支撐，依次排序。第一道、第二道和第三道圍檁與內(nèi)支撐均由單排H型鋼H40c組成，支撐中心線標(biāo)高分別為27.46 m、24.46 m和21.46 m;第四道、第五道和第六道圍檁及內(nèi)支撐均由雙拼H型鋼2H40c組成，支撐中心線標(biāo)高分別為18.66 m、15.86 m和13.36 m。在上部五道之間設(shè)置剪刀撐(角鋼 L160×10)和豎撐2［20a，將各道支撐連成整體，以提高鋼板樁圍堰的整體剛度。其設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。

2 有限元模擬方案

2.1 分析模型的建立

圖1 鋼板樁圍堰平面布置圖(單位:mm)

圖2 鋼板樁圍堰1-1斷面圖(單位:mm)

考慮到圍堰開挖對周圍土層的影響，建立土層模型時(shí)，模型的側(cè)面邊界到鋼板樁的距離分別取為圍堰開挖范圍的3倍，在深度方向上從封底混凝土底面向下取為基坑開挖深度的3倍。土層三維有限元模型的邊界范圍如下:水平方向(X方向，即鋼板樁圍堰的長度方向)取為196 m，縱向(Z方向，即鋼板樁圍堰的寬度方向)取為190m，豎直方向(Y方向，即鋼板樁圍堰的深度方向)取為40m。以46#墩為研究對象，根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，將其土層的計(jì)算模型從上到下劃分為9層。有限元模型共劃分單元113 520個(gè)，其中土體單元104 080個(gè)，鋼板樁單元7 112個(gè)，圍檁和內(nèi)支撐單元2 328個(gè)?？紤]樁土相互作用的鋼板樁圍堰三維整體有限元模型如圖3所示。

計(jì)算過程中，鋼板樁采用ANSYS軟件中殼單元shell63來模擬，圍檁、內(nèi)支撐和加勁肋采用beam188梁單元進(jìn)行模擬，土層采用三維實(shí)體單元solid45來模擬。

計(jì)算時(shí)采用的邊界條件為:計(jì)算模型的側(cè)面邊界分別受到X軸和Z軸方向的水平位移約束;模型的下部邊界受到Y(jié)軸方向的豎向位移約束;河床表面為自由邊界，不受任何約束。

模型的初始狀態(tài)，對土層在自重應(yīng)力條件下進(jìn)行求解，然后對位移清零。再設(shè)置鋼板樁進(jìn)行穩(wěn)定求解，得到鋼板樁插打合龍以后的狀態(tài)。在模擬抽水吸泥施加各層支撐時(shí)，采用ANSYS軟件生死單元功能依照加各層支撐的順序，依次激活各層支撐，實(shí)現(xiàn)對各層支撐的模擬。每一層支撐是在鋼板樁變形以后施加上去的，通過改變節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的大小來實(shí)現(xiàn)。抽水引起的水位變化采用水壓力施加給鋼板樁來計(jì)算，吸泥開挖采用土單元的生死功能來模擬。

圖3 考慮樁土相互作用的鋼板樁圍堰三維整體有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

計(jì)算過程中，土層采用Drucker-Prager彈塑性模型來模擬。土層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，并參考《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)［3］規(guī)定選取，如表1所示。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

鋼板樁、圍檁和內(nèi)支撐采用理想線彈性模型，彈性模量取為206 GPa，泊松比取為0.3。由于鋼板樁接縫以摩擦力控制，在受彎變形時(shí)鋼板樁圍堰的剛度介于樁墻和單根樁之間，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，把剛度折減50%［4］，這時(shí)鋼板樁的彈性模量取為原來的一半，即為103 GPa。

拉森Ⅳ型鋼板樁截面模量W=2 037 cm3，設(shè)計(jì)應(yīng)力容許值。圍檁和內(nèi)支撐采用鋼材材質(zhì)為Q235B，設(shè)計(jì)應(yīng)力容許值，焊接選用E43系列焊條，一律滿焊。

C20封底混凝土根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010—2002》［5］的規(guī)定，其彈性模量取為30 GPa，泊松比取為0.2。由于混凝土的受力不是很大，因此假設(shè)混凝土也為線彈性模型。

2.3 內(nèi)支撐施工方案的模擬

根據(jù)封底混凝土施工的時(shí)機(jī)不同，將內(nèi)支撐施工方案設(shè)計(jì)成以下四種:第一種方案，逐層抽水吸泥并依次施加內(nèi)支撐直至第六道支撐，最后采用碎石墊層作為承臺施工平臺，不考慮封底混凝土施工;第二種方案，在逐層抽水吸泥并施加內(nèi)支撐到第五道支撐后，水中對基坑進(jìn)行吸泥開挖，開挖至設(shè)計(jì)承臺底面標(biāo)高以下2 m的位置時(shí)，采用2 m厚度的C20混凝土進(jìn)行水下封底混凝土施工，然后抽水并施工第六道內(nèi)支撐;第三種方案，在逐層抽水并施加內(nèi)支撐到第三道支撐(河床面在第三道至第四道支撐之間)后，水中對基坑進(jìn)行吸泥，開挖至設(shè)計(jì)承臺底面標(biāo)高以下2 m的位置時(shí)，采用2 m厚度的C20混凝土進(jìn)行水下封底混凝土施工，然后逐層抽水并依次施工后三道內(nèi)支撐;第四種方案，在施加第一道內(nèi)支撐后，水中對基坑進(jìn)行吸泥，開挖至設(shè)計(jì)承臺底面標(biāo)高以下2 m的位置時(shí)，采用2 m厚度的C20混凝土進(jìn)行水下封底混凝土施工，然后逐層抽水并依次施工五道內(nèi)支撐。

3 計(jì)算結(jié)果的對比分析

為了便于對比，在對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，選取最后一個(gè)工況(即施工承臺下半部分并拆除第六道內(nèi)支撐進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換)的計(jì)算結(jié)果，分別從鋼板樁樁身變形及其等效應(yīng)力、圍檁和內(nèi)支撐軸向應(yīng)力三個(gè)方面，探討鋼板樁圍堰的合理內(nèi)支撐施工方案。

3.1 鋼板樁樁身變形的對比分析

在水壓力和土壓力共同作用下，沿著鋼板樁長度方向，基本上都是鋼板樁圍堰長邊和短邊的中心線上位移比較大，并且鋼板樁長邊的最大位移大于短邊的最大位移。四種內(nèi)支撐施工方案的鋼板樁Z方向(垂直于長邊)中心線的樁身變形隨鋼板樁長度的變化關(guān)系如圖4所示。鋼板樁的長度方向以向下為正，取頂部為坐標(biāo)原點(diǎn)，位移以向鋼板樁圍堰內(nèi)部變形為正。

圖4 鋼板樁Z方向中心線的樁身變形隨長度的變化關(guān)系

由圖4可知，不同內(nèi)支撐施工方案鋼板樁的樁身變形相差很大。方案1的最終變形是方案2的最終變形的一倍多，是方案3的最終變形的1.5倍左右，是方案4的最終變形的兩倍左右。這是由于封底混凝土彈性模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土層的彈性模量，導(dǎo)致方案2、方案3和方案4的變形曲線與方案1相差比較大。從鋼板樁樁身變形分析來看，宜選用方案4。

3.2 鋼板樁等效應(yīng)力的對比分析

由于圍堰邊角處應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，各種施工方案鋼板樁等效應(yīng)力的最大值都集中在四個(gè)角邊?？紤]到模型對稱性和邊界條件對稱性，取一個(gè)角邊為研究對象來探討等效應(yīng)力沿鋼板樁長度的分布規(guī)律。4種方案下，鋼板樁角邊處的等效應(yīng)力隨長度的變化情況如圖5所示。

圖5 鋼板樁等效應(yīng)力隨深度的變化圖

由圖5可以看出，不同施工方案鋼板樁的等效應(yīng)力變化趨勢不一樣。由于內(nèi)支撐和圍檁的作用，鋼板樁等效應(yīng)力隨深度的變化圖出現(xiàn)了很多轉(zhuǎn)折點(diǎn)。比較鋼板樁等效應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系可知，方案4對應(yīng)于鋼板樁的等效應(yīng)力最大值最小，其次為方案2和方案3，方案1對應(yīng)于鋼板樁的等效應(yīng)力最大值最大;并且方案2、方案3和方案4變化趨勢和大小比較接近。從這一點(diǎn)來看，方案4更優(yōu)。不過方案1鋼板樁等效應(yīng)力最大值也遠(yuǎn)沒有達(dá)到容許應(yīng)力值。

3.3 內(nèi)支撐軸向應(yīng)力的對比分析

4種不同的內(nèi)支撐施工方案，圍檁和內(nèi)支撐的軸向應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在第六道支撐平行于短邊的中間桿件上。由計(jì)算結(jié)果可以看出，方案1、2、3、4對應(yīng)的圍檁和內(nèi)支撐軸向應(yīng)力的最大值分別為109 MPa、87.6 MPa、80.5mPa和79.9 MPa。這些值都小于圍檁和內(nèi)支撐材料的容許應(yīng)力145mPa。

對比以上四種施工方案，方案4對應(yīng)于圍檁和內(nèi)支撐的軸向應(yīng)力最大值最小，其次為方案2和方案3，方案1對應(yīng)于圍檁和內(nèi)支撐的軸向應(yīng)力最大值最大。從圍檁和內(nèi)支撐的軸向應(yīng)力分析來看，應(yīng)該選擇方案4。

4 討論

綜合以上分析結(jié)果，無論是從鋼板樁樁身變形、鋼板樁的等效應(yīng)力，還是從圍檁和內(nèi)支撐的軸向應(yīng)力來考慮，方案4均最優(yōu)，因?yàn)樗鼘?yīng)于鋼板樁圍堰施工中的變形和應(yīng)力均最小;其次才是方案3和方案2;而方案1的變形和應(yīng)力雖然都較大，但也仍然沒有超出容許范圍。

若采用模擬計(jì)算推薦的施工方案4，根據(jù)潁河特大橋深水基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和地質(zhì)情況，一方面，由于封底混凝土底面到河床面以下深達(dá)10m，吸泥深度較深，水中吸泥工程量較大，需要的時(shí)間也很長;另一方面，水中吸泥遇到部分硬塑粉質(zhì)粘土，導(dǎo)致水中吸泥施工非常困難，封底效果不甚理想，耗費(fèi)的施工時(shí)間無法預(yù)料，工期也不能有效保證。

考慮到該工程工期較緊，根據(jù)潁河特大橋深水基礎(chǔ)的地質(zhì)條件，擬順序施加各層圍檁和內(nèi)支撐，不進(jìn)行水下封底施工，只鋪設(shè)一層0.5m厚度的素混凝土墊層，作為一個(gè)施工平臺，類似方案1的施工工序。從前面的分析來看，方案1下的鋼板樁樁身變形、鋼板樁等效應(yīng)力以及圍檁和內(nèi)支撐軸向應(yīng)力都可以滿足要求，雖然它不是最優(yōu)方案。為此，需對實(shí)際施工過程進(jìn)行詳細(xì)分析，并進(jìn)行基底抗隆起分析和圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定性分析，為施工方案的最終選擇提供理論支持。

5 結(jié)束語

(1)鋼板樁圍堰變形和應(yīng)力最小的內(nèi)支撐施工方案是:在安裝第一道圍檁和內(nèi)支撐后，進(jìn)行水下吸泥開挖并進(jìn)行封底混凝土的施工，然后從上到下依次抽水安裝各層圍檁和內(nèi)支撐。

(2)在鋼板樁圍堰施工過程中，封底混凝土施工越早，對圍堰結(jié)構(gòu)的整體安全越有利。這是因?yàn)榉獾谆炷恋膭偠容^大，有效限制了圍堰結(jié)構(gòu)變形的發(fā)展;封底混凝土施工越早，在鋼板樁圍堰施工期間引起的鋼板樁樁身變形和等效應(yīng)力、以及圍檁和內(nèi)支撐軸向應(yīng)力就越小，對結(jié)構(gòu)的安全越有利。

(3)實(shí)際采用的內(nèi)支撐施工方案不一定是施工過程中變形和應(yīng)力最小的方案，要根據(jù)橋址處工程地質(zhì)條件，結(jié)合實(shí)際的工程情況，經(jīng)方案比選和分析論證以后確定。

［1］羅萬錄.深水基礎(chǔ)用鋼板樁圍堰計(jì)算分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(4):74-77.

［2］張國軍.澮河特大橋鋼板樁圍堰的有限元分析［J］.國防交通工程與技術(shù)，2009，7(4):48-51.

［3］中華人民共和國水利部.GB/T 50145—2007土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2008.

［4］駱冠勇，曹洪，潘泓，等.新光大橋橋墩鋼板樁圍堰的優(yōu)化設(shè)計(jì)與監(jiān)測［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，34(2):124-129.

［5］中華人民共和國建設(shè)部.GB50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.