王 煉

(上海友為工程設(shè)計(jì)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(shí)性擋水、擋土構(gòu)筑物，如長(zhǎng)興造船基地3#、4#船塢工程、蘇州市中環(huán)快速路北段陽(yáng)澄西湖隧道工程、北安市山口水庫(kù)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(diǎn)，除大漂石及堅(jiān)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(shí)施，因此其使用范圍也越來越廣[1-2]。

在部分已經(jīng)實(shí)施的大斷面尺寸雙排鋼樁圍堰項(xiàng)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(gè)典型工程實(shí)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(xiǎn)，為以后鋼樁圍堰設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

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(zhǎng)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(shí)圍堰擋水。

該項(xiàng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)拉鋼筋(鋼筋采用PSB830精軋螺紋鋼，直徑40mm，水平間距為1370mm)，對(duì)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(tái)，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(yùn)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(shí)為拉桿斷裂聲。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，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(chǎng)拉桿斷口平整，無頸縮現(xiàn)象，也無明顯切入口?，F(xiàn)場(chǎng)斷裂的拉桿如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)斷裂的拉桿

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拉桿軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如圖2所示)，現(xiàn)場(chǎng)拉桿軸力遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)承載能力，部分拉桿未能拉緊。監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(shí)間跨度約為當(dāng)年12月20日至次年2月17日，共計(jì)60d。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)拉桿軸力監(jiān)測(cè)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)21m。在外河側(cè)鋼板樁內(nèi)側(cè)設(shè)置型號(hào)為HN700×300mm H型鋼加強(qiáng)，樁長(zhǎng)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(duì)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(yùn)輸車輛駛?cè)胙咝荆w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(jì)共計(jì)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(duì)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(zhǎng)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(shí)伴有大聲響，符合脆性斷裂的特征。實(shí)測(cè)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(diǎn)：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(zhǎng)江中下游地區(qū)，氣候相對(duì)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?yàn)閼?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(shí)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(jì)，假定拉桿簡(jiǎn)支于前后排鋼管管壁，采用能量法[6]計(jì)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(shí)，此時(shí)鋼樁作為支座對(duì)拉桿約束能力相對(duì)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(jì)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)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(duì)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(duì)拉桿斷裂位置的統(tǒng)計(jì)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(duì)稱循環(huán)疲勞曲線，試件達(dá)到疲勞破壞時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降量為97.7mm。而鋼樁入土較深，沉降量較小，同期監(jiān)測(cè)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(shí)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(jì)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(jì)時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)，沖擊位移小，應(yīng)力大，容易發(fā)生破壞，因此在選材時(shí)除考慮鋼材強(qiáng)度外還應(yīng)考慮伸長(zhǎng)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(duì)脆性斷裂有較大影響，厚鋼板的缺口韌性差已由相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)：

(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(shí)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(shí)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(shí)，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(xiàng)

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(duì)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(yǔ)

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(jì)至關(guān)重要的一環(huán)。根據(jù)本文所列兩個(gè)具體工程實(shí)例，判斷實(shí)例中拉桿斷裂類型為脆性斷裂，其斷裂原因?yàn)檠咝咎钔習(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(jì)時(shí)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(duì)拉桿的保護(hù)，避免野蠻施工。