深厚淤泥地層中“單排鋼板樁+鋼管樁群”圍堰結(jié)構(gòu)安全分析

童利芹，王建娥

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

目前，在深厚淤泥地層中建設(shè)水利工程施工圍堰，多采用充填砂袋圍堰[1]、土石圍堰[2]、雙排鋼板樁圍堰[3-5]等形式。然而，在淤泥覆蓋的傾斜岸坡地形上填筑土石圍堰或堆填充填砂袋圍堰，易造成整體滑移失穩(wěn)[6-7]；在20 m級(jí)厚度的淤泥層中，采用雙排鋼板樁圍堰往往存在單樁長度過長，陸上焊接后施打設(shè)備不夠長、水上焊接工效較低、質(zhì)量難把控等問題[8-9]。本文結(jié)合工程實(shí)際，提出了“單排鋼板樁+鋼管樁群”的圍堰形式，避免了斜坡地層充填砂袋圍堰或土石圍堰整體失穩(wěn)的問題，并且相較于雙排鋼板樁圍堰[10-11]能節(jié)約工程投資，安全性好。

因該圍堰為新形結(jié)構(gòu)，暫無完整、成熟的計(jì)算模型或者計(jì)算軟件可進(jìn)行安全復(fù)核，本文通過有限元方法[12]與公式法[13]相結(jié)合，對(duì)圍堰進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算。

1 方案概況

1.1 工程概況

某穿堤水閘位于珠江河口區(qū)域，系拆除重建工程，設(shè)計(jì)采用單孔鋼筋混凝土閘、平板鋼閘門結(jié)構(gòu)，閘室段長為20 m。水閘閘室結(jié)構(gòu)采用開敞式，底板為平底板結(jié)構(gòu)，閘孔凈寬為7.0 m，閘室凈高為7.0 m；閘室上、下游設(shè)C30鋼筋砼護(hù)坦長均為6 m，格賓石籠海漫長均為4 m，拋石防沖槽長均為3.5 m。外江側(cè)設(shè)出口“八”字翼墻，采用C30鋼筋砼懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)，翼墻凈高為6.0 m。水閘閘室基礎(chǔ)采用Φ500PHC預(yù)制管樁，樁基進(jìn)入全風(fēng)化粉砂巖1.0 m。

1.2 水文氣象

工程區(qū)屬于南亞熱帶海洋季風(fēng)性氣候區(qū)，海洋性氣候顯著，氣候溫和濕潤。該地區(qū)年平均氣溫為21.8℃，極端最低氣溫為0℃，最高氣溫為36℃；各月平均相對(duì)濕度在71%～85%之間，多年平均相對(duì)濕度為80%；多年平均年降雨量為1606mm，歷年最大年降雨量為2 652.8 mm，最小年降雨量為1 030.1 mm；降雨量年內(nèi)分配極不均勻，汛期(4—9月)降雨量占年總量的80%以上，枯水期(10月—次年3月)降雨量不足20%。

本區(qū)域?yàn)闊釒庑绊憛^(qū)，每年5—11月為其活動(dòng)季節(jié)，平均每年受影響3次。臺(tái)風(fēng)影響期間會(huì)帶來大風(fēng)和暴雨、暴潮，破壞性極強(qiáng)。

1.3 工程地質(zhì)

工程區(qū)位于珠江三角洲地貌沖積平原區(qū)，河網(wǎng)縱橫，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，地形開闊平坦。巖性主要為人工填土層(Q4s)、第四系全新統(tǒng)海陸交互相的松散堆積層(Q4mc)、新近沉積的第四系沖積層(Q3al)，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)大朗山組(k2d2)屬內(nèi)陸湖相碎屑巖建造泥質(zhì)砂巖。

工程閘基土層主要為:①-1素填土，成分以粘、粉粒為主，次為砂粒和少量礫石，稍濕，局部砂感較強(qiáng)，層厚為4.0～4.3 m；②-1淤泥，該層分布于人工填土下方，埋深淺，為堤基主要持力層，經(jīng)上部人工填土多年的堆載壓實(shí)，已完成了部分排水和沉降，目前大部分已轉(zhuǎn)變?yōu)橛倌噘|(zhì)土，局部甚至為粘性土，層厚為1.5～4.9 m；②-2淤泥質(zhì)粘土，主要成分為粘粉粒，含少量有機(jī)質(zhì)，為堤基主要持力層，壓縮性高，厚度一般為1.6～8.5 m；②-3淤泥質(zhì)粉細(xì)砂，主要成分為石英粉細(xì)砂粒、次為粉粘粒和少量砂礫，含較多貝殼殘骸及少量有機(jī)質(zhì)，厚度一般為1.4～2.8 m；③-2淤泥質(zhì)粘土，該層屬工程區(qū)較廣泛分布的軟土層，埋深較深，厚度一般為1.0～9.0 m；⑤-1(全風(fēng)化)砂質(zhì)泥巖，主要由石英細(xì)粒、高嶺石等粘土礦物組成，巖石風(fēng)化成土狀，厚度一般為2.0～10.5 m；⑤-2(強(qiáng)風(fēng)化)砂質(zhì)泥巖，主要成分為長石、石英，次為粘土礦物等，原巖組織結(jié)構(gòu)大部分已破壞，取芯呈土夾碎石狀，厚度一般為3.0～10.0 m；⑤-3(弱風(fēng)化)砂質(zhì)泥巖：主要成分為長石、石英等，巖芯呈碎塊狀～短柱狀，裂隙發(fā)育，揭露厚度大于3 m。

采用各土層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 采用土層物理力學(xué)參數(shù)建議值

1.4 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)流方案

根據(jù)施工進(jìn)度安排，工程需跨汛期施工。根據(jù)《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 645—2013)的規(guī)定，破口新建穿堤建筑物時(shí)，若需跨越汛期施工，則不應(yīng)降低所在堤防的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

導(dǎo)流方案采用圍堰一次攔斷河涌內(nèi)、外江，該河涌為河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由內(nèi)涌的另一端導(dǎo)流。

外江設(shè)計(jì)水位按現(xiàn)狀堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)枯水期(10月—翌年3月)10年一遇，相應(yīng)水位為1.85 m(工況1)；全年50年一遇，相應(yīng)水位為2.84 m(珠基，下同，工況2)；圍堰頂高程與現(xiàn)狀堤防防浪墻同高，為4.2 m。

1.5 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外江迎水側(cè)采用單排鋼板樁擋水，鋼板樁頂高程為4.2 m，鋼板樁長24.0 m，樁底高程為-19.8 m，深入粘土層至少2.0 m；高程1.0 m處采用2×32C槽鋼設(shè)置圍檁；鋼板樁靠基坑側(cè)分若干個(gè)單元設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，每組支撐采用3DN600×8的鋼管樁群作為支撐體系，鋼管樁群與鋼板樁的圍檁之間采用DN450×8的鋼管進(jìn)行連接。鋼管樁長為18 m，樁底深入硬質(zhì)土層至少3.0 m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1與圖2。

圖1 單排鋼板樁與鋼管樁群支撐體系

圖2 單排鋼板樁與鋼支撐體系斷面示意

2 有限元局部模型與公式法結(jié)合

2.1 鋼管樁群穩(wěn)定計(jì)算

首先建立鋼管樁群的有限元模型(見圖3)，采用有限元計(jì)算分析鋼管樁群的容許水平推力值，在樁頂施加一定的水平推力，求得鋼管樁群承受的最大水平推力值。計(jì)算取最不利斷面，即河床最低處斷面作為計(jì)算斷面。計(jì)算得出，當(dāng)水平力為500 kN時(shí)，求得最大彎矩值為352.85 kN·m，分布在鋼管樁中上部(如圖4所示)；最大應(yīng)力為210.27 MPa，分布在鋼管樁中上部(如圖5所示)；鋼管樁應(yīng)力底端最小，頂部與單排鋼板樁連接處，由于聯(lián)系鋼管的約束和加強(qiáng)，應(yīng)力次之，中上部應(yīng)力最大。計(jì)算得鋼管樁頂位移為13.2 1cm，位移呈由底端向頂部遞增的趨勢(shì)(如圖6～圖7所示)。應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求，位移值滿足工程位移控制值(小于15cm)要求，故鋼管樁群支撐體系能夠提供500 kN的水平抗力。

圖3 鋼管樁群支撐體系有限元計(jì)算模型示意

圖4 鋼管樁群支撐體系彎矩示意

圖5 鋼管樁群支撐體系應(yīng)力示意

圖6 鋼管樁群支撐體系位移示意

圖7 鋼管樁群支撐體系整體位移示意

2.2 單排鋼板樁穩(wěn)定性分析

單排鋼板樁穩(wěn)定采用瑞典圓弧法進(jìn)行分析，按照懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。采用理正深基坑模塊計(jì)算(同上)，計(jì)算選取河床最深處斷面。

1) 采用瑞典圓弧法進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算

(1)

式中：

W——土條重量,kN；

V——垂直地震慣性力(V向上為負(fù)，向下為正),kN；

u——作用于土條底面的孔隙壓力,kN/m2;

α——條塊重力線與通過此條塊底面終點(diǎn)的半徑之間的夾角；

b——條塊寬度；

c′，φ′——土條底面的有效凝聚力和有效內(nèi)摩擦角；

Mc——水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；

R——圓弧半徑。

2) 對(duì)鋼板樁前趾的抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

(2)

式中:

KQ——抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；

Ti——錨固力設(shè)計(jì)值,kN；

ZTi——支點(diǎn)至支護(hù)結(jié)構(gòu)底部或最下道支撐的豎向距離,m。

3) 抗隆起穩(wěn)定計(jì)算

(3)

(4)

(5)

式中:

Kb——抗隆起安全系數(shù);安全等級(jí)為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)的支護(hù)結(jié)構(gòu),Kb分別不應(yīng)小于1.8、1.6、1.4；

γm1、γm2——基坑外、基坑內(nèi)擋土構(gòu)件底面以上土的天然重,kN/m3;對(duì)多層土,取各層土按厚度加權(quán)的平均重度；

ld——擋土構(gòu)件的嵌固深度,m；

h——基坑深度,m；

q0——地面均布荷載,kPa；

Nc、Nq——承載力系數(shù)；

c、φ——擋土構(gòu)件底面以下土的黏聚力,kPa，內(nèi)摩擦角,°。

經(jīng)計(jì)算，攔擋50年一遇全年水位為2.84 m時(shí)，需提供70 kN/m的水平推力，此時(shí)整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=4.079>1.25，滿足規(guī)范要求；Kov=1.313>1.150，抗傾覆滿足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 工況1內(nèi)力包絡(luò)線示意

圖9 工況2內(nèi)力包絡(luò)線示意

3 有限元整體模型復(fù)核

3.1 計(jì)算模型

建立單排鋼板樁與鋼管樁群整體有限元模型，采用有限元進(jìn)行計(jì)算。取1個(gè)“單排鋼板樁+鋼管樁群”單元(單元長度為7 m)作為計(jì)算模型，計(jì)算水位為 2.84 m(工況2)，底部采用固定端約束，四周采用相應(yīng)的法向約束，模型共劃分為43 476個(gè)單元，46 242個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型如圖10所示。

圖10 整體計(jì)算模型示意

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)計(jì)算，鋼支撐體系最大彎矩為308.12 kN·m，最大應(yīng)力為344.56 MPa，整體位移為13.48 cm；鋼板樁最大彎矩為138.48 kN·m，內(nèi)力均滿足材料強(qiáng)度要求。由于應(yīng)力集中，整體計(jì)算模型中最大彎矩與應(yīng)力值出現(xiàn)在第2層水平聯(lián)系鋼管與鋼管樁相交處(如圖11～圖12所示)；單排鋼板樁最大應(yīng)力出現(xiàn)在其與聯(lián)系鋼管相交處(如圖13所示)。由于工程選用的鋼板樁屈服強(qiáng)度為435 MPa，鋼管樁斷面大于聯(lián)系鋼管，由計(jì)算可知：加大聯(lián)系鋼管的直徑可以減小應(yīng)力集中的影響。

由于整體模型相當(dāng)于懸臂結(jié)構(gòu)，上部受到水壓力的作用，且無約束，因此，整體模型最大位移出現(xiàn)在鋼管樁頂以及鋼板樁中上部，頂部位移最大；鋼板樁由于樁長較長，柔度較大，出現(xiàn)了“鼓肚子”的情況(如圖14所示)。

相較于整體模型，2種方法計(jì)算得出的最大彎矩值和位移值均基本相當(dāng)，規(guī)律相近。因此，本文第2節(jié)簡化的計(jì)算方法和結(jié)果亦可靠。

圖11 鋼管樁群支撐體系彎矩示意

圖12 鋼管樁群支撐體系應(yīng)力示意

圖13 單排鋼板樁彎矩示意

圖14 整體位移示意

4 工程實(shí)施效果

本水閘圍堰已按上述方案實(shí)施，運(yùn)行過程中遇最高外江水位為2.3 m，圍堰安全運(yùn)行，最大位移小于計(jì)算位移。

5 結(jié)論與建議

本文分析了采用“單排鋼板樁+鋼管樁群”新型圍堰形式的結(jié)構(gòu)安全性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為保證結(jié)構(gòu)安全，需滿足以下條件：

1) 拉森Ⅳ型鋼板樁，選用鋼材材料屈服強(qiáng)度不得小于400 MPa。

2) 鋼管樁群支撐體系采用鋼材強(qiáng)度不得小于Q345鋼材強(qiáng)度；

3) 為防止鋼管樁與聯(lián)系鋼管相交處由于應(yīng)力集中產(chǎn)生破壞，建議聯(lián)系鋼管尺寸不小于DN450×8，連接處焊接質(zhì)量不低于母材強(qiáng)度。

4) 根據(jù)計(jì)算，最不利工況鋼管樁支撐體系間距L=7 m時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，建議鋼支撐體系間距不大于7 m。

5) 由于淤泥地層的復(fù)雜性，建議施工過程中嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)整體安全裕度。