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      靜水作用下鋼板樁圍堰數(shù)值模擬分析

      2019-06-17 07:36:30念江麗
      四川水泥 2019年3期
      關(guān)鍵詞:圍堰軸向土層

      念江麗

      (中鐵十六局集團第一工程有限公司,北京 101300)

      114#橋墩承臺深基坑鄰近營業(yè)線,為保證支護的安全,采用拉森-IV型鋼板樁圍堰,鋼板樁單根長度24m,鋼板樁頂高于最高通航水位0.5m。鋼板樁圍堰包括鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐等部分,其剖面圖如圖1所示,斷面圖如圖2所示。鋼板樁圍堰從最上面到最下面設(shè)四道內(nèi)支撐,靠近鋼板樁頂部為第一道支撐,靠近底部為第四道支撐,中間是第二道支撐與第三道支撐。上下四道支撐的圍檁采用2I56a工字鋼,斜撐、對撐采用?630×8mm鋼管。

      圖1 鋼板樁圍堰剖面圖(單位cm)

      圖2 鋼板樁圍堰斷面圖(單位m)

      1 基本參數(shù)

      鋼板樁為寬0.4m的拉森IV型。鋼板截面參數(shù)如表1所示。

      根據(jù)地質(zhì)勘察報告,土層參數(shù)分別如表2所示。

      根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017-2017),Q235型鋼和鋼管抗拉強度、抗壓強度以及抗彎強度設(shè)計值按f=215MPa設(shè)計;Q345型鋼和鋼管抗拉強度、抗壓強度以及抗彎強度設(shè)計值按f=310MPa設(shè)計。

      表1 拉森鋼板樁截面參數(shù)

      ?

      表2 土層物理參數(shù)

      2 靜水作用下鋼板樁圍堰有限元模型建立

      2.1 模型建立

      本文借助于ANSYS有限元分析軟件,來建立鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐以及土層相互作用整體有限元分析模型。

      數(shù)值模型中鋼板樁采用帶有厚度的板單元模擬,內(nèi)支撐與圍檁選用梁單元Beam188進行計算,土層選用Solid45三維實體單元進行計算。單元總計劃分48966個,這里涉及到土體單元41160個,鋼板樁單元6878個,四道圍檁以及內(nèi)支撐、斜撐單元928個。鑒于圍檁或者腰梁采用2I56a工字鋼,計算時為簡化,考慮為一個工字梁單元,計算時增大截面尺寸。

      2.2 計算參數(shù)的確定

      鑒于相鄰鋼板樁之間有焊接,所以假定鋼板樁相互之間是固定在一起。鋼板樁、圍檁和內(nèi)支撐的本構(gòu)模型按線彈性本構(gòu)關(guān)系來模擬,四層土體采用D-P彈塑性本構(gòu)關(guān)系來模擬。鋼板樁與圍檁之間、圍檁和內(nèi)支撐之間、內(nèi)支撐之間均采用固定連接。

      計算時,土層的物理參數(shù)、力學參數(shù)按照巖土工程勘察報告里的參數(shù)選取。土層的物理參數(shù)、強度參數(shù)如前述表2-2所示。

      鋼板樁、圍檁和內(nèi)支撐都是鋼材,彈性模量考慮取值206GPa,泊松比考慮取值0.3。假設(shè)型鋼、鋼管的本構(gòu)關(guān)系為線彈性本構(gòu)關(guān)系。

      封底混凝土和橋墩承臺混凝土選擇C20混凝土,彈性模量取為30GPa,泊松比取為0.3,假設(shè)混凝土的本構(gòu)關(guān)系也是線彈性本構(gòu)關(guān)系。

      2.3 鋼板樁圍堰施工過程工況

      土壓力計算采用考慮水滲流效應的水土合算法。鋼板樁在受到外側(cè)水土壓力作用時,鋼板樁有向內(nèi)變形的趨勢,當鋼板樁變形較大,外側(cè)土體達到抗剪強度時,這時外側(cè)作用土壓力可以認為是主動土壓力。主動土壓力公式為:

      當鋼板樁內(nèi)側(cè)土體達到強度極限值的時候,這時內(nèi)側(cè)作用土壓力可以認為是被動土壓力,被動土壓力公式為:

      對于①11粉質(zhì)黏土依據(jù)上面的公式朗肯主動土壓力系數(shù)Ka1以及朗肯被動土壓力系數(shù)Kp1分別為0.488和2.047。對于②11黏土依據(jù)上面的公式朗肯主動土壓力系數(shù)Ka2以及朗肯被動土壓力系數(shù)Kp2分別為 0.520和 1.922。對于①22粉質(zhì)黏土依據(jù)上面的公式朗肯主動土壓力系數(shù)Ka3以及朗肯被動土壓力系數(shù)Kp3分別為 0.465和 2.149。對于②22黏土依據(jù)上面的公式朗肯主動土壓力系數(shù)Ka3以及朗肯被動土壓力系數(shù)Kp3分別為0.511和1.958。

      114#墩河床面標高為-1.15m,位于鋼板樁圍堰的第二道內(nèi)支撐和第三道內(nèi)撐之間。此時,圍堰外最高通航水位標高為5.85m。具體的施工工序分別如下:

      (1)根據(jù)設(shè)計,鋼板樁圍堰頂部標高為6.35m,鋼板樁一圈施工完畢后,布置第一道內(nèi)支撐,內(nèi)支撐中心線高程為5.35m,這時內(nèi)外側(cè)水壓力差10kPa,此時受力情況為第一工況。

      第一工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖3所示。

      (2)布置好第一道內(nèi)支撐后,圍堰內(nèi)抽水至標高0.85m處,布置第二道內(nèi)支撐及斜撐和對撐,支撐中心線標高為1.35m。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值50kPa,此時受力情況為第二工況。

      第二工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖4所示。

      (3)布置好第二道內(nèi)支撐以后,鋼板樁圍堰內(nèi)部抽水吸泥至高程-2.65m處,布置第三道內(nèi)支撐以及及斜撐和對撐,這道支撐中心線高程為-2.15m。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值70kPa,內(nèi)外側(cè)土壓力差最大值33.88kPa,此時受力情況為第三工況。

      圖3 第一工況荷載分布圖

      圖4 第二工況荷載分布圖

      第三工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖3所示。

      (4)布置好第三道內(nèi)支撐以后,鋼板樁圍堰內(nèi)部抽水吸泥至高程-5.65m處,布置第四道內(nèi)支撐以及及斜撐和對撐,這道支撐中心線高程為-5.15m。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值70kPa,內(nèi)外側(cè)土壓力差最大值64.35kPa,此時受力情況為第四工況。

      第四工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖5所示。

      圖5 第三工況荷載分布圖

      圖6 第四工況荷載分布圖

      (5)布置好第四道內(nèi)支撐后,鋼板樁圍堰內(nèi)部抽水機排水并吸泥至高程-8.65m處。封底混凝土開始施工。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值 70kPa,內(nèi)外側(cè)土壓力差最大值95.87kPa,此時受力情況為第五工況。

      第五工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖7所示。

      (6)土層挖到橋墩承臺高程以下1m的位置時,選用厚度為1m的C20混凝土開始底部混凝土施工。這時內(nèi)外側(cè)水壓力差最大值70kPa,內(nèi)外側(cè)土壓力差最大值85.05kPa,此時受力情況為第六工況。

      這種模式實際上并非“原創(chuàng)”,是其本質(zhì)是貨幣超發(fā)下的利用杠桿實現(xiàn)資產(chǎn)快速增值,但假如資產(chǎn)貶值貨幣政策收緊,其財務敞口就非常大了,企業(yè)本身的風險之大也是成倍上升的。2017年12月的海航的并購中,像希爾頓酒店、德意志銀行等世界知名企業(yè)的股份和資產(chǎn)都成為了海航并購發(fā)展的一部分。但是這樣盲目以杠桿的方式擴張也是十分危險的行為,因為一旦全球經(jīng)濟形勢有較大的變化,企業(yè)的盈利狀況受到影響后,海航將面臨被銀行、外資等金主追償巨額欠款的風險。

      第六工況下主動朗肯土壓力以及靜水壓力合力如圖8所示。

      圖7 第五工況荷載分布圖

      圖8 第六工況荷載分布圖

      3 靜水作用下114#墩計算結(jié)果分析

      3.1 土層變形與等效應力分析

      3.1.1 土層變形分析

      對于114#墩的鋼板樁圍堰請施工過程,進行了六個工況的分析。

      隨著施工的進行,圍堰內(nèi)排水深度的增加,土層最大變形不斷下移,最大變形發(fā)生在河床面以下8~10m。第一工況下土層X方向最大變形為1.682mm;第二工況下土層X方向最大變形為3.175mm;第三工況下土層X方向最大變形為4.626mm;第四工況下土層X方向最大變形為6.408mm;第五工況下土層X方向最大變形為9.787mm;第六工況下土層X方向最大變形為6.308mm。

      隨著施工的進行,圍堰內(nèi)排水深度的增加,土層最大變形不斷下移,第一工況下土層Z方向最大變形為1.695m;第二工況下土層Z方向最大變形為3.176mm;第三工況下土層Z方向最大變形為4.633mm;第四工況下土層Z方向最大變形為6.425mm;第五工況下土層Z方向最大變形為10.075mm;第六工況下土層Z方向最大變形為6.300mm。

      3.1.2 土層等效應力分析

      隨著施工的進行,土層等效應力也越來越大。第一工況下土層的最大等效應力為 51.880kPa,第二工況下土層的最大等效應力為 70.558kPa,第三工況下土層的最大等效應力為93.933kPa,第四工況下土層的最大等效應力為162.740kPa,第五工況下土層的最大等效應力為 284.085kPa,第六工況下土層的最大等效應力為240.428kPa。

      通過表 3可知六種工況下,土層都不會發(fā)生剪切破壞,從而保證鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

      表3 不同工況下應力值

      3.2 鋼板樁樁身變形與等效應力分析

      3.2.1 鋼板樁樁身變形分析

      通過計算可知,隨著施工的進行,圍堰內(nèi)排水深度的增加,鋼板樁最大變形不斷下移,最大變形發(fā)生在河床面以下8~10m。第一工況下鋼板樁X方向最大變形為2.107mm;第二工況下鋼板樁X方向最大變形為3.175mm;第三工況下鋼板樁X方向最大變形為4.626mm;第四工況下鋼板樁X方向最大變形為8.225mm;第五工況下鋼板樁X方向最大變形為12.218mm;第六工況下鋼板樁X方向最大變形為11.403mm。

      隨著施工的進行,圍堰內(nèi)排水深度的增加,內(nèi)外壓力越來越大,鋼板樁最大變形不斷下移,第一工況下鋼板樁Z方向最大變形為2.132mm;第二工況下鋼板樁Z方向最大變形為3.176mm;第三工況下鋼板樁Z方向最大變形為4.633mm;第四工況下鋼板樁Z方向最大變形為8.573mm;第五工況下鋼板樁Z方向最大變形為12.732mm;第六工況下鋼板樁Z方向最大變形為12.133mm。

      通過計算,鋼板樁的最大位移為 Z方向,最大值為 12.732mm,該值滿足

      六個不同工況下,鋼板樁X方向中心位置線和Z方向中心位置線的位移與鋼板樁樁長的關(guān)系曲線如圖9和10所示。

      圖9 鋼板樁X方向中心位置線的位移隨樁長變化的曲線

      圖10 鋼板樁Z方向中心位置線的位移隨樁長變化的曲線

      通過圖9和圖10可知,在外部土壓力以及靜水壓力的共同影響下,鋼板樁中部有向內(nèi)變形的趨勢。由于鋼板樁的下部內(nèi)支撐缺乏,所以下部縱向變形偏大。另外,在鋼板樁上部位置有長0.5m的部分沒有受水壓力和土壓力作用,下部應力變化將引起鋼板樁頂部有向外變形的趨勢,也就是頂部一小部分縱向變形為負值。

      從圖9和圖10中還可以看出鋼板樁頂部Z方向變形趨勢與X方向變形趨勢近似是一樣的。原因在于由于圍堰形狀是正方形的,但由于內(nèi)支撐X方向和Z方向不一樣,所以變化趨勢稍微有些區(qū)別。從這兩個圖還可以看出,六種工況情況下鋼板樁X方向中心線的變形和鋼板樁Z方向中心線的變形隨長度的變化基本上還比較光滑,最大值集中在鋼板樁長度從上到下16m到18m之間,位于鋼板樁的中下部。

      3.2.2 鋼板樁等效應力分析

      隨著施工的進行,鋼板樁等效應力也越來越大。第一工況下鋼板樁等效應力最大值為11.3MPa;第二工況下鋼板樁等效應力最大值為30.6MPa;第三工況下鋼板樁等效應力最大值為43.0MPa;第四工況下鋼板樁等效應力最大值為56.6MPa;第五工況下鋼板樁等效應力最大值為75.7MPa;第六工況下鋼板樁等效應力最大值為54.3MPa。關(guān)于鋼板樁的等效應力,對比六個工況,其最大值為75.7MPa,該值小于鋼板樁的容許應力215MPa。

      3.3 圍檁和內(nèi)支撐變形與軸向應力分析

      3.3.1 圍檁和內(nèi)支撐變形分析

      通過計算可知,隨著施工的進行,圍檁和內(nèi)支撐的變形不斷增大。第一工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為0.931mm;第二工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為2.519mm;第三工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為4.035mm;第四工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為7.852mm;第五工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為12.085mm;第六工況下圍檁和內(nèi)支撐X方向最大變形為10.974mm。

      通過計算可知,第一工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為0.980mm;第二工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為2.550mm;第三工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為4.083mm;第四工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為8.151mm;第五工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為12.663mm;第六工況下圍檁和內(nèi)支撐Z方向最大變形為11.807mm。通過圖2-23和圖2-24可知,各工況下圍檁和內(nèi)支撐的變形都比較小,最大只有12.663mm,是在第五工況下得到的。

      3.3.2 圍檁和內(nèi)支撐軸向應力分析

      通過計算可知,隨著施工的進行,各道圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力不斷增大。第一工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為4.30MPa;第二工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為 15.6MPa;第三工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為29.8MPa;第四工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為44.4MPa;第五工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為69.1MPa;第六工況下圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力最大值為55.8MPa。對比六種工況,圍檁以及內(nèi)支撐軸向應力的最大值為69.1MPa,該值小于鋼材的容許應力215 MPa。

      4 結(jié)論

      借助于有限元軟件建立鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐以及土層三維有限元數(shù)值模型,從而實現(xiàn)對鋼板樁圍堰施工全過程進行數(shù)值分析,結(jié)論如下:

      (1)對于114#墩進行了六個工況的分析。通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)土層的最大水平方向變形為 10.075mm,這個值對土層來說偏小。土層的最大等效應力為284.085kPa,這是由于應力集中的影響,實際上各工況下土層等效應力不是特別大,土層受到的荷載比較小。

      (2)鋼板樁水平方向最大變形為 12.732mm,該值小于設(shè)計允許值。鋼板樁等效應力最大值為75.7MPa,該值也小于鋼板樁的容許應力215MPa。圍檁和內(nèi)支撐的變形最大為12.663mm,該值在設(shè)計允許范圍內(nèi)。圍檁以及內(nèi)支撐的軸向應力最大值為69.1MPa,該值小于鋼材的容許應力。

      (3)圍檁和內(nèi)支撐的變形要小于鋼板樁和土層的變形,說明圍檁和內(nèi)支撐起了很大作用,由于四道支撐的存在,鋼板樁的變形隨鋼板樁長度的變化呈現(xiàn)彎曲點。有限元計算結(jié)果表明整個施工過程無論對于鋼板樁、還是圍檁、內(nèi)支撐以及土層,強度和變形都滿足有關(guān)要求。這表明針對114#墩采取的鋼板樁圍堰設(shè)計方案和內(nèi)支撐、圍檁四道支護方案是合理的。

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