萬(wàn) 華, 趙定發(fā),彭述權(quán)

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410007;2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

雙層鋼板樁圍堰是指沿著一定水平間距插打2排鋼板樁，鋼板樁間填充砂石，板樁之間采用拉桿相互錨固的結(jié)構(gòu)形式。它由鋼板樁約束散體填料，形成直立岸壁；內(nèi)部填料通過(guò)抗剪切的方式抵抗結(jié)構(gòu)所受的水平荷載，并利用自重來(lái)抵抗整體滑移與傾覆，屬于一種重力式圍堰結(jié)構(gòu)[1]，可用于水(船)閘、船塢、深水橋墩和沉管隧道等工程圍堰擋水[2-5]。由于堰體寬度比較大，在水平側(cè)壓力和豎向超載作用下，堰體兩側(cè)的變形和土壓力將不同，因此兩側(cè)鋼板樁受力和變形也將不同[6-8]。目前圍堰變形設(shè)計(jì)中沒有考慮兩側(cè)板樁土壓力和位移的差異，因此不能合理分析堰體變形，進(jìn)而影響其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。本文針對(duì)長(zhǎng)沙市中山路消防取水坡碼頭改造工程中的擋水圍堰工程，在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用三維數(shù)值建模方法分析水平側(cè)水壓力和豎向超載作用下圍堰變形和兩側(cè)土壓力變化規(guī)律，為類似圍堰工程變形分析提供參考。

1 工程概況

長(zhǎng)沙市中山路消防取水坡碼頭改造工程位于湘江東岸，毗鄰主航道。該工程采用箱梁式架空結(jié)構(gòu)形式，前緣斜坡道段深入江水中，頂面高程為27.20～31.40 m；其余斜坡道及取水平臺(tái)均在鄰水側(cè)設(shè)置擋墻；擋墻建基面高程22.40～28.40 m。施工期間正常最高水位為29.5 m。為保證碼頭水下建筑物的干作業(yè)施工，需在該碼頭江側(cè)設(shè)置與岸堤相連的單邊圍堰進(jìn)行擋水。 對(duì)沙袋圍堰、格形板樁圍堰、雙層鋼板樁圍堰等3種方案進(jìn)行了比較后，確定采用雙層鋼板樁圍堰擋水(見圖1)。

圖1 消防取水碼頭圍堰平面圖

圍堰地層包括粘性填土、砂礫和巖層(見圖2)。對(duì)該雙排鋼板樁圍堰進(jìn)行墻體抗剪切穩(wěn)定性、抗滑動(dòng)穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、地基承載力和沉降、整體滑動(dòng)性、鋼板樁強(qiáng)度及入土深度等驗(yàn)算分析。其中圍堰在水平荷載作用力下發(fā)生剪切破壞時(shí)，圍堰后壁填料處于被動(dòng)狀態(tài)，前壁后方的填料處于主動(dòng)狀態(tài)，填料主動(dòng)破裂角為π/2-φ/2，被動(dòng)破裂角π/2+φ/2(見圖3)。取最大水深10 m處，河床為裸露基巖的最不利位置處作為計(jì)算截面，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，圍堰填料對(duì)計(jì)算底面產(chǎn)生的抵抗力矩設(shè)計(jì)值Mt和計(jì)算底面以上墻體背后的荷載對(duì)計(jì)算底面處產(chǎn)生的傾覆力矩Md分別為：

圖2 消防取水碼頭圍堰立面圖(單位： mm)

圖3 雙排鋼板樁圍堰計(jì)算原理圖

(1)

(2)

式中：γR為抗力分項(xiàng)系數(shù)，取1；γ為填料重度，取19.4 kN/m3；B為堰體寬度，取10 m；H為設(shè)計(jì)水位至計(jì)算底面的高度，取10 m，φ為填料摩擦角，取32°；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0；γg為荷載組合系數(shù),偏安全取1.35，γ1為水的重度，取10 kN/m3。

將以上系數(shù)代入式(1)和式(2)得到：Mt-Md=748 kN·m≥0，滿足規(guī)范要求。

考慮河床覆蓋層薄且部分裸露，圍堰立面內(nèi)外側(cè)上、下各設(shè)置2道圍檁：1道設(shè)置于頂面以下1 m處，1道設(shè)置于河床面以上0.5 m。圍堰鋼板樁為拉森Ⅳ型，最大樁長(zhǎng)為15 m；圍堰內(nèi)部填料采用中粗砂或砂礫石，摩擦角φ=32°。內(nèi)外側(cè)圍檁每隔2 m標(biāo)準(zhǔn)間距設(shè)置1道直徑32 mm精軋螺紋鋼進(jìn)行拉結(jié)，局部拐角處加密，以抵抗填料的水平側(cè)壓力。

2 雙排鋼板樁擋水圍堰施工

雙排鋼板樁圍堰按清基→定位樁施工→鋼板樁插打→圍檁安裝→對(duì)拉桿安裝→填料施工的總體順序進(jìn)行。施工起始時(shí)間為2018年11月29日至2019年1月12日，歷時(shí)45 d。

2.1 鋼板樁施工

為保證鋼板樁插打正常進(jìn)行，施工前，采用長(zhǎng)臂挖機(jī)對(duì)圍堰范圍內(nèi)、河床覆蓋層中的塊石、片石進(jìn)行清理。在圍堰墻體范圍內(nèi)每隔6 m橫向設(shè)置1排定位鋼管樁，作為鋼板樁定位依據(jù)。同時(shí)，由于圍堰部分區(qū)域河床裸露，該區(qū)定位鋼板樁每2排采用型鋼連接成格構(gòu)式板凳樁，以形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，有利于鋼板樁插打后臨時(shí)錨固，抵御水流的沖擊影響(見圖4)。鋼板樁采用60式液壓鋼板樁打樁機(jī)進(jìn)行插打施工。內(nèi)外排鋼板樁由上游向下游交替插打，并在下游的某一拐角處合龍。插打時(shí)，鋼板樁鎖口下端用木栓塞住，防止泥砂進(jìn)入鎖口內(nèi)影響后續(xù)鋼板樁的施工。

圖4 定位鋼管樁施工

2.2 圍楞和對(duì)拉桿安裝

雙層鋼板樁施工完成后，采用汽車吊在內(nèi)、外排鋼板樁的外側(cè)設(shè)置2層雙拼36b型工字鋼作圍檁，上層圍檁直接錨固在鋼板樁上，下層圍檁由于在水中，采用懸吊的方式進(jìn)行臨時(shí)定位。內(nèi)、外側(cè)圍檁由Φ32 mm精軋螺紋鋼拉桿進(jìn)行拉結(jié)，以防止填砂施工時(shí)，板樁內(nèi)側(cè)壓力過(guò)大，使鋼板樁產(chǎn)生過(guò)大的變形。鋼板樁插打前，應(yīng)在預(yù)定位置設(shè)置對(duì)拉孔，待圍檁安裝就位后，上層對(duì)拉螺桿采用人工直接安裝，下層水中拉桿由潛水員配備加力桿扳手進(jìn)行安裝。所有拉桿均應(yīng)及時(shí)預(yù)緊。對(duì)于鋼板樁上過(guò)大的拉桿孔縫隙，可利用袋狀微膨水泥條進(jìn)行封堵。

2.3 填砂施工和抽水

為防止圍堰鋼板樁傾覆，鋼板樁插打完畢后應(yīng)立即進(jìn)行內(nèi)部填砂施工作業(yè)。對(duì)于圍堰內(nèi)部的填充材料，應(yīng)盡量采用優(yōu)質(zhì)中砂、礫石等，也可采用級(jí)配碎石材料，但不宜采用粘性土。用于圍堰內(nèi)部的砂石材料，其粉土含量宜控制在15%以下，塊石重量不宜超過(guò)50 kg。砂石船將填料運(yùn)至圍堰處后，直接利用砂石船傳輸設(shè)備向雙層板樁間進(jìn)行砂石填充(見圖5)。為避免圍堰內(nèi)填料各向壓力不均及填料流動(dòng)等原因?qū)е聡邇A斜及扭轉(zhuǎn)，應(yīng)從圍堰中心處開始，向兩側(cè)方向均勻投入，使之遍布各處，不偏向某一側(cè)。由于單純投入的方法不能獲得充分的密實(shí)度，故在圍堰填充過(guò)程中，要利用振動(dòng)擠實(shí)法或振沖法等對(duì)填料進(jìn)行密實(shí)，并人工對(duì)表面進(jìn)行修整。圍堰施工完成后，采用大功率抽水機(jī)進(jìn)行抽水，發(fā)現(xiàn)漏水處，及時(shí)封堵。抽水時(shí)，按1 m1級(jí)，分級(jí)進(jìn)行。每級(jí)抽水完成后，及時(shí)對(duì)圍堰變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止意外。

圖5 圍堰填砂

3 雙排鋼板樁圍堰鋼板位移和水平側(cè)壓力分析

3.1 數(shù)值建模

采用ANSYS軟件建立雙排鋼板樁網(wǎng)格模型，采用MATLAB軟件將網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成FLAC3D軟件格式，建立數(shù)值模型(見圖6)。雙排樁長(zhǎng)180 m，圍堰寬10 m，地面以上部分高10 m，插入深度5 m(包括1m填土層和4 m砂礫層)，地下巖層厚度10 m，寬50 m，拉森Ⅳ鋼板折算厚度0.166 7 m[9-10]，單元數(shù)量為66 900，拉桿單元布置在距離墻頂1 m水平高度，沿縱向按間隔20 m布置，模型底部固支，拉桿面積為8.2×10-4m2，地面以下部分水平約束，圍堰地面部分自由無(wú)約束，圍堰外部受到水平側(cè)水壓力，頂部受到豎向超載作用，模型參數(shù)見表1,水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖7。鋼板插入地面以下5 m位置，即地基中巖層和土層分界線位置。為便于比較，豎向超載和水平超載采用相同的加載水平，最小加載100 Pa，共7級(jí)加載，i級(jí)加載應(yīng)力大小為10(i-0.5)×100 Pa(見圖8)?？紤]FLAC3D荷載為逐級(jí)增加，實(shí)際按照?qǐng)D8中逐級(jí)加載水平加載。數(shù)值模型中考慮水的作用，按照飽和土體進(jìn)行計(jì)算，因此,選擇其飽和重度和飽和狀態(tài)下內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力。

圖6 三維模型圖

表1 數(shù)值模型參數(shù)表材料名稱本構(gòu)模型剪切模量/MPa體積模量/MPa密度/kg·m-3 粘結(jié)力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/kPa砂土mohr501002 0000.0132.40粘土mohr501002 00015210填土mohr101002 0000320粉砂巖mohr1e 61e62 5002040.25拉森鋼板彈性模型20e6206e67 800///拉桿cable模型/1e12/032.33e6

圖7 水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖8 逐級(jí)加載曲線

3.2 雙排鋼板樁圍堰兩側(cè)板樁位移和土壓力

3.2.1水平側(cè)向壓力作用

圖9為水平側(cè)向壓力作用下雙排鋼板樁圍堰板樁兩側(cè)位移和土壓力對(duì)比分析圖。前樁為圍堰與水接觸、水壓力作用一側(cè)的板樁；后樁為無(wú)水壓力作用一側(cè)的板樁。由圖9可知：水平側(cè)向壓力作用下，圍堰兩側(cè)板樁均發(fā)生向內(nèi)位移，前后樁水平變形特征不相同;隨著水平側(cè)壓力增加，前樁壓位移和應(yīng)力沿樁高非線性分布，最大位移約為4.0 cm，位于距離樁頂4 m位置；而后樁基本上呈線性分布,最大位移處于樁頂位置，約為1.0 cm。前樁的樁頂應(yīng)力比鋼板插入地基處應(yīng)力大，分別約為2.5 MPa和1.2 MPa，而后樁鋼板插入地基處的應(yīng)力最大，大約為1.2 MPa。這是因?yàn)樵黾铀絺?cè)壓力，圍堰內(nèi)的拉桿對(duì)前樁的支撐作用逐漸發(fā)揮出來(lái)，相當(dāng)于在拉桿位置(距離墻頂1 m位置)增加了一道水平約束，從而導(dǎo)致前樁的位移和應(yīng)力沿著樁高非線性分布，同時(shí)拉桿和鋼板插入地基處相當(dāng)于2個(gè)水平約束，產(chǎn)生了較大的水平應(yīng)力。所以，可以推定側(cè)向壓力作用下，水平拉桿首先對(duì)前樁產(chǎn)生較強(qiáng)約束作用，而后對(duì)后樁產(chǎn)生約束作用，而鋼板插入地基同時(shí)對(duì)前后樁產(chǎn)生約束作用，水平拉桿和鋼板插入地基使前后樁產(chǎn)生協(xié)同作用減少圍堰水平位移。同時(shí)圖9表明：在約21 MPa作用下，前樁側(cè)壓力沿墻高波動(dòng)比較大，推定為墻后土體產(chǎn)生塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布所致。

表2為水平側(cè)壓力作用前后樁應(yīng)力對(duì)比表，由圖9和表2可見：前后樁水平應(yīng)力比隨水平側(cè)壓力作用增加而增加，在10 m水頭側(cè)向壓力作用下，其比值約為8左右；在水平20 m水頭作用下，其比值為可接近10。

a)水平側(cè)壓力作用下前樁位移

b)水平側(cè)壓力作用下后樁位移

c)水平側(cè)壓力作用下前樁應(yīng)力

d)水平側(cè)壓力作用下后樁應(yīng)力

e)水平側(cè)壓力作用位移比

f)水平側(cè)壓力作用應(yīng)力比

表2 水平側(cè)壓力作用前后樁應(yīng)力對(duì)比表荷載水平/Pa前后樁應(yīng)力比應(yīng)力比平均值前后樁位移比位移比平均值683.7722.261.792162.282.987.6521 622.87.265.992.243.9968 377.17.813.54216 2289.624.74

3.2.2豎向超載作用

圖10為豎向超載作用下雙排鋼板樁圍堰兩側(cè)板樁兩側(cè)位移和土壓力對(duì)比分析圖。由圖10可知：在豎向超載作用下，前后樁的水平變形成對(duì)稱分布規(guī)律，均與深度成非線性關(guān)系。這是因?yàn)樨Q向超載作用相對(duì)于圍堰而言是對(duì)稱荷載，因此產(chǎn)生對(duì)稱位移和應(yīng)力。在頂部約等效15 m填土超載作用，樁頂水平約為1.0 cm，鋼板樁插入地基處最大應(yīng)力8.0 MPa，其他位置快速降至2.0 MPa左右水平。這說(shuō)明10 m高雙排鋼板樁圍堰在15 m 填土超載作用下，產(chǎn)生水平位移較小。表3為豎向超載作用前后樁應(yīng)力對(duì)比圖。由圖10f和表3可見：前后樁位移和應(yīng)力比平均值約為0.9，接近1。

表3 豎向超載作用前后樁應(yīng)力對(duì)比表荷載水平/Pa前后樁應(yīng)力比應(yīng)力比平均值前后樁位移比位移比平均值683.7721.990.962 162.280.95 0.9821 622.80.340.910.960.9668 377.10.320.93216 2280.840.94

3.2.3豎向超載和側(cè)壓力作用

圖11為豎向超載和側(cè)壓力作用下雙排鋼板樁圍堰兩側(cè)前后樁位移和土壓力對(duì)比分析圖。結(jié)合圖9～圖11可知：豎向超載和側(cè)壓力作用下雙排鋼板樁圍堰兩側(cè)板樁前后樁位移相差較大。前后樁壓力沿墻高呈非線性分布，水平位移主要由側(cè)向壓力控制，豎向超載對(duì)水平位移影響較小。超載作用可以導(dǎo)致前樁位移減小，后樁位移增加。圖11也表明在豎向超載和側(cè)壓力作用下，樁體最大應(yīng)力達(dá)到14 MPa左右，說(shuō)明超載作用導(dǎo)致樁體應(yīng)力顯著增加。圖11f和表4表明：超載作用使得前后樁應(yīng)力比平均值從5.99降低至3.56，前后樁位移比平均值由3.99降至2.2，有利于降低前后樁應(yīng)力比和位移比，提高圍堰材料利用水平。

a)豎向超載作用下前樁位移

b)豎向超載作用下后樁位移

c)豎向超載作用下前樁應(yīng)力

d)豎向超載作用下后樁應(yīng)力

e)豎向超載作用位移比

f)豎向超載作用應(yīng)力比

a)豎向超載和側(cè)壓力作用下前樁位移

b)豎向超載和側(cè)壓力作用下后樁位移

c)豎向超載和側(cè)壓力作用下前樁應(yīng)力

d)豎向超載和側(cè)壓力作用下后樁應(yīng)力

e)水平側(cè)壓力和豎向超載作用位移比

f)水平側(cè)壓力和豎向超載作用壓力比

表4 豎向超載和側(cè)壓力作用前后樁應(yīng)力表荷載水平/Pa前后樁應(yīng)力比應(yīng)力比平均值前后樁位移比位移比平均值683.7726.93 2.062 162.284.683.9721 622.81.373.561.532.268 377.13.591.81216 2281.241.62

4 結(jié)論

針對(duì)長(zhǎng)沙市中山路消防取水坡碼頭擋水圍堰工程，提出雙層鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，并探討了其施工工序，數(shù)值模擬研究其水平位移和側(cè)壓力，分析其協(xié)調(diào)作用，得到如下結(jié)論：

1)雙層鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)擋水圍堰工程工序包括鋼板樁施工、圍楞和對(duì)拉桿安裝、填砂施工和抽水。雙層鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可用于其他類似碼頭圍堰工程。

2)側(cè)向水平作用逐漸增加，圍堰拉桿首先對(duì)前樁產(chǎn)生約束作用，而后對(duì)后樁產(chǎn)生約束作用，進(jìn)而使前后樁形成協(xié)同作用，圍堰內(nèi)拉桿有利于控制水平位移。

3)側(cè)向壓力作用增加，前后樁位移比和應(yīng)力比逐漸增加，最大可分別達(dá)到3.99和5.99。超載作用使前樁位移減小，后樁位移增加，且同時(shí)增加前后樁應(yīng)力，可使位移比和應(yīng)力比降低至2.2和3.56,鋼板樁插入地基處最大應(yīng)力水平由1.5 MPa增加至14 MPa左右。建議施工過(guò)程中適當(dāng)增加豎向超載作用，提高圍堰鋼板材料利用效率和圍堰穩(wěn)定性。

4)需進(jìn)一步研究拉桿布置形式、圍堰寬度等其他的參數(shù)對(duì)雙層鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)圍堰的影響規(guī)律。