水中承臺(tái)鋼板樁圍堰數(shù)值模擬及穩(wěn)定性驗(yàn)算研究

劉園園/LIU Yuan-yuan

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 101400)

1 工程概況

蒙華鐵路MHTJ-26 標(biāo)項(xiàng)目跨華洪運(yùn)河特大橋51～54#墩為40m×56m×40m 連續(xù)梁形式跨越華洪運(yùn)河。52#、53#樁基作業(yè)面位于河道內(nèi)，施工采用鋼板樁圍堰作業(yè)，設(shè)計(jì)鋼板樁頂標(biāo)高84·775m，混凝土封底厚度為1·5m，鋼板樁頂至封底砼底深度9·099m。華洪運(yùn)河連續(xù)梁承臺(tái)尺寸14·3m×9·2m×3·5m，承臺(tái)墊塊尺寸7·8m×4·6m×1·5m，墩身高度13m。

根據(jù)地勘資料顯示，52#墩地質(zhì)資料及土層參數(shù)如表1 所示。

表1 52#墩土層參數(shù)表

2 方案選定

2.1 材料選型

1)鋼板樁 鋼板樁采用拉森Ⅳ型鎖口鋼板樁，樁長(zhǎng)15m，圍堰尺寸21·3m×12·2 m，比承臺(tái)外邊緣大1·5m，鋼板樁咬合緊密，有止水作用。材質(zhì)采用Q345bz，容許彎曲應(yīng)力[σ]=310MPa。

2)圍囹及斜撐 根據(jù)以往的工程案例及經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在有兩種圍囹方案供參考如下。方案一：內(nèi)側(cè)圍囹及斜向支撐采用三拼I56a 工字鋼，縱向支撐采用雙拼630×8mm 鋼管，斜向支撐采用630×8mm 鋼管[1]，上中層兩道采用三拼工字鋼，中間兩道縱向支承，按一定間距布置。方案二：內(nèi)側(cè)圍囹及斜向支撐采用雙拼500×200H型鋼[2]，縱向支撐采用雙拼630×8mm 鋼管，斜向支撐采用630×8mm 鋼管，中間兩道縱向支承，按一定間距布置。

2.2 鋼材用量分析

鋼材用量如表2 所示。

表2 鋼材用量

從表2 可知，滿足技術(shù)、安全要求的情況下，采用方案二比方案一每個(gè)圍囹節(jié)省鋼材36·74t。

3 數(shù)值模擬分析及驗(yàn)算

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算方法

鋼板樁圍堰入土部分受土壓力嵌固作用，圍堰上端采用內(nèi)支撐支撐[3]（彈性材料，屬于彈性支撐)。計(jì)算時(shí)將內(nèi)支撐假定為鋼板樁的剛性支撐，計(jì)算出鋼板樁作用于圈梁的反力，進(jìn)一步推算出鋼板樁與內(nèi)撐連接處的最大位移[4]。通過(guò)對(duì)鋼板樁施加強(qiáng)制支座位移，得出鋼板樁的內(nèi)力和應(yīng)力[5]。

計(jì)算土壓力強(qiáng)度時(shí)，采用水土合算原則。

鋼板樁圍堰受土體摩擦作用，將板樁墻前后墻的被動(dòng)土壓力分別乘以修正系數(shù)[6]。為安全起見(jiàn)，對(duì)主動(dòng)土壓力則不予折減，鋼板樁被動(dòng)土壓力修正系數(shù)如表3 所示。

表3 主、被動(dòng)土壓力系數(shù)及被動(dòng)土修正系數(shù)

為了方便計(jì)算，做出如下假設(shè)：①假設(shè)計(jì)算時(shí)取1m 寬單位寬度鋼板樁[7]；②不考慮土的粘聚力(c=0)；③彎矩為零的位置約束設(shè)置為鉸接；④假設(shè)鋼板樁在封底砼面處固結(jié)，在MIDAS 中限制全部約束；⑤本工程土壓力計(jì)算采用不考慮水滲流效應(yīng)的水土分算法，即鋼板樁承受孔隙水壓力、有效主動(dòng)土壓力及有效被動(dòng)土壓力[8]。

3.2 工況分析及鋼板樁受力計(jì)算

1)工況1 第一道內(nèi)支撐安裝后（高程為83·775m)，圍堰內(nèi)吸泥，抽水至標(biāo)高80·275m，開(kāi)挖深度3·5m。在第一道內(nèi)支撐安裝后，抽水至+80·275m 時(shí)，第一層內(nèi)支撐受力處于最不利狀態(tài)。

2)工況2 第二道內(nèi)支撐安裝后（高程為80·775m)，圍堰內(nèi)注水至與圍堰外水面等高，吸泥或長(zhǎng)臂挖機(jī)開(kāi)挖至標(biāo)高75·176m，開(kāi)挖深度8·599m。在第二道內(nèi)支撐安裝后，注水至+83·69m 時(shí)，開(kāi)挖至+75·176m，第二層內(nèi)支撐受力處于最不利狀態(tài)。

3)工況3 水下封底混凝土澆筑完成（高程為76·676m)，抽水清淤。水下封底混凝土澆筑之后，抽水后，第二道內(nèi)支撐處于最不利荷載。

4)工況4 施工墩臺(tái)墊塊及墩臺(tái)，拆除部分第二道內(nèi)支撐鋼管（高程為80·775m)。澆筑墩臺(tái)墊塊及墩臺(tái)需拆除第一、二道部分內(nèi)支撐以提供施工空間，并于封底混凝土上倒入填土，第二道內(nèi)支撐處于最不利荷載。

根據(jù)上述工況計(jì)算，鋼板樁內(nèi)力及內(nèi)支撐支撐反力計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表4 鋼板樁內(nèi)力及內(nèi)支撐支撐反力

3.3 圍囹及內(nèi)撐受力計(jì)算

由表4 可知，第一道內(nèi)支撐最大支撐反力為38·2kN，第二道內(nèi)支撐最大支撐反力為194·9kN，拆除部分桿件后第二道內(nèi)支撐反力為131·7kN。分別按工況3 的第二道內(nèi)支撐和工況4的第二道內(nèi)支撐進(jìn)行驗(yàn)算。

3.3.1 方案一圍囹及內(nèi)撐計(jì)算

利用Midas Civil建立有限元模型進(jìn)行分析，對(duì)于方案一工況3 和工況4 條件下模型計(jì)算如圖1、圖2 所示。

圖1 方案一工況3第二道內(nèi)支撐空間有限元模型

圖2 方案一工況4第二道內(nèi)支撐空間有限元模型

由計(jì)算可知，工況3 中圍囹最大應(yīng)力為97MPa，內(nèi)支撐最大應(yīng)力為101MPa；工況4 中圍囹最大應(yīng)力為118MPa，內(nèi)支撐最大應(yīng)力為133 MPa，均小于Q235鋼材的容許彎曲應(yīng)力210MPa。

3.3.2 方案二圍囹及內(nèi)撐計(jì)算

對(duì)于方案二工況3 和工況4 條件下模型計(jì)算如圖3、圖4 所示。

圖3 方案二工況3 第二道內(nèi)支撐空間有限元模型

圖4 方案二工況4 第二道內(nèi)支撐空間有限元模型

由計(jì)算可知，工況3 中圍囹最大應(yīng)力為146MPa，內(nèi)支撐最大應(yīng)力為88MPa；工況4 中最大應(yīng)力為198MPa，均小于Q235 的容許彎曲應(yīng)力210 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.4 鋼板樁圍堰整體抗浮驗(yàn)算

封底砼采用C30，施工厚度為1·5m，圍堰尺寸為21·3m×12·2m；水下C30 混凝土設(shè)計(jì)值ftd=1·39MPa，考慮為施工階段混凝土的允許彎拉應(yīng)力取1·5 倍安全系數(shù)，則[σ]=0·93MPa，樁基鋼護(hù)筒外徑為1·7m，共10 根；鋼與混凝土粘結(jié)力：一般取100～200kN/m2，這里取120kN/m2；混凝土容重：23kN/m3；封底混凝土體積V=355·76m3；封底混凝土自重G=8182·49kN；護(hù)筒粘結(jié)力T1=8478kN；鋼板樁與封底混凝土的粘結(jié)力T2=12060kN；封底混凝土底面受水浮力P=22242·14kN。

根據(jù)《鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定抗浮安全系數(shù)≥1·05，此處抗浮系數(shù)

所以，圍堰整體抗浮滿足要求。

3.5 鋼板樁圍堰整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

作用于鋼圍堰上的流水壓力可按下式計(jì)算（公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范)。

式中P——流水壓力，kN；

K——圍堰形狀系數(shù)，方形取1·47，矩形（長(zhǎng)邊與水流平行)取1·33，圓形取0·73，尖端形取0·67，圓端形取0·60；

A——鋼圍堰阻水面積，m2，通常計(jì)算至一般沖刷線處；

γ——水的容重，一般取10kN/m；

g——標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度，m/s2；

v——計(jì)算時(shí)采用的流速，m/s。

鋼圍堰抗水流沖擊檢算主要是其抗傾覆性和抗滑移的檢算。取K=1·33，g=9·81m/s2，v=2m/s，A=269·81m2，計(jì)算得P=728·87kN。

3.5.1 抗滑移檢算

鋼管鋼板樁圍堰自重D1、鋼管樁內(nèi)的水D2(按10 根鋼管樁考慮)和封底混凝土重量D3及總重D計(jì)算得

抗滑移系數(shù)為K=10493·1/728·87=14·4＞[K]=1·3，所以滿足抗滑移要求。

3.5.2 抗傾覆檢算

抗傾覆以鋼圍堰自重與流水壓力對(duì)前支點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩比值來(lái)確定，即

綜上，鋼板樁圍堰滿足抗傾覆性和穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算分析可以得出如下結(jié)論：采用15m拉森IV 鋼板樁在各個(gè)工況下滿足要求，采用三拼I56a 工字鋼或者雙拼500×200H 型鋼，圍囹均滿足承載力要求，但采用雙拼500×200H 型鋼比三拼I56a 工字鋼，每個(gè)承臺(tái)節(jié)省鋼材36·74t，選用H 型鋼更安全、經(jīng)濟(jì)。