黃凌君，席海永，田爾布

(三明學院，福建三明365004)

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拉森IV型鋼板樁圍堰力學特性研究

黃凌君，席海永，田爾布

(三明學院，福建三明365004)

摘要：鋼板樁圍堰在施工過程中的危險系數(shù)高，坍塌后往往會造成重大傷亡事故。以國道205線三明市區(qū)過境段工程荊東互通主線橋拉森IV型鋼板樁為例，采用ANSYS軟件建立鋼板樁圍堰模型，進行有限元仿真計算分析，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)比較。結果表明：該工程鋼板樁圍堰采用的模型和計算方法是合理的，抗彎強度滿足要求，關鍵部位變形在容許范圍之內(nèi)，實際結構較為可靠。

關鍵詞：拉森IV型；鋼板樁圍堰；力學特性

拉森IV型鋼板樁圍堰由于防水性能好，施工速度較快，施工費用低廉[1]，在工程中得到較為廣泛的應用。然而，由于鋼板樁圍堰在河道橋墩施工過程中的危險性較高[2]，需要對圍堰結構進行力學特性研究。目前，圍繞鋼板樁圍堰體系研究取得了許多成果，但專門針對拉森IV型鋼板樁圍堰的研究還比較少，本文根據(jù)背景工程中拉森IV型鋼板樁圍堰的實際受力情況，采用ANSYS軟件建立模型。按施工階段不同，對5種工況進行加載，研究鋼板樁的抗彎強度，并對2種最不利工況下的圍堰內(nèi)支撐位移和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較分析，研究的過程和結果可為其他類似工程提供應用參考。

1工程概況

國道205線三明市區(qū)過境段工程荊東互通主線橋起訖里程為K18+070.5～K18+651.5，橋長581 m，橋梁上部結構采用預制連續(xù)T梁(4 m×35 m)+預制連續(xù)T梁(3 m×40 m)+變截面懸澆連續(xù)箱梁(72 m+130 m+72 m)+異形箱梁(2 m×21.5 m)，其中8#主墩位于航道上，百年一遇流速1.94 m/s，設計水位139.83 m，最高通航水位136.6 m，最低通航水位132.5 m，施工期間常水位約為133.5 m。

8#墩水深約7m，承臺底面標高126.2 m，頂面標高130.7 m。單幅承臺尺寸為13.3 m×14.7 m×4.5 m，圓矩形，基坑深8.7 m。地質(zhì)鉆探發(fā)現(xiàn)，8#墩原河床線以下10 m內(nèi)主要地層巖性為粉質(zhì)黏土、卵石、砂土狀強風化構造巖。經(jīng)對方案的安全性、經(jīng)濟性、實用性、可行性、工期等方面分析比較，決定選用拉森IV型鋼板樁圍堰方案施工。

2拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰計算資料

2.1基礎資料

2.1.1河床底土層性能指標與土壓力系數(shù)

河床底從上至下的土層指標見表1。

表1　土層參數(shù)表(直接快剪指標)

由以上地質(zhì)資料，可計算得到各主動、被動土壓力系數(shù)。根據(jù)《基坑工程手冊》(第2版)[3]第14.2.3節(jié)表14-3，計算土壓力強度時，應考慮板樁墻與土的摩擦作用，將板樁墻前和墻后的被動土壓力分別乘以修正系數(shù)。對被動土壓力進行修正后，各土層的土壓力系數(shù)見表2。

表2　修正后土壓力系數(shù)表

2.1.2水流壓力

取百年一遇流速1.94 m/s，流水壓力沿垂直面從河面至河床呈倒三角形分布。流水壓力根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)[4]第4.3.8條計算，形狀系數(shù)取1.3。

2.1.3靜水壓力

設防水位133.5 m，靜水深6.0 m，靜水壓力沿鋼板樁由上往下呈三角形布置。

2.2拉森Ⅳ型鋼板樁的技術參數(shù)

經(jīng)綜合考慮，采用單根長度為12 m的拉森Ⅳ型鋼板樁，其技術參數(shù)如下：

1)鋼板樁。寬度B=400 mm，高度h=170 mm，厚度t=15.5 mm，截面積A=96.99 cm2，重量W=76.1 kg/m，慣性矩Ix=4 670 cm4，截面模量Wx=362 cm3。Q295 鋼材的彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3。

2)每延米鋼板樁技術參數(shù)。重量W=190 kg/m，慣性矩Ix=38 600 cm4，截面模量Wx=2 270 cm3，半截面面積矩Sx=1 564 cm3。

2.3鋼板樁支護基本結構尺寸

鋼板樁材質(zhì)SY295，單根長度為12 m，圍堰平面尺寸為33.7 m×15.3 m，共設置2道內(nèi)支撐。圍堰頂高程為+134.9 m，圍堰底高程為+124.9 m，封底混凝土厚1.3 m。鋼板樁圍堰立面圖如圖1，2道內(nèi)支撐構造圖如圖2。

3鋼板樁計算工況、邊界條件及荷載取值

3.1計算工況

根據(jù)施工方案，圍堰計算分為5種工況[5]：

1)插打鋼板樁完成后，安裝臨時支撐。清基至封底砼底面，封底混凝土未澆筑時，圍堰內(nèi)、外水位持平。

2)封底混凝土達到設計強度值，拆除臨時支撐，即第1層內(nèi)支撐安裝前。

3)第1層內(nèi)支撐安裝好后，抽水至第2層支撐設計位置以下10.5 m，安裝第2層內(nèi)支撐前。

圖1　鋼板樁圍堰AA斷面立面圖(標高：m；尺寸：cm)

(a)第1層內(nèi)支撐

(b)第2層內(nèi)支撐

4)第2層內(nèi)支撐安裝好后，抽水至基坑底部，承臺混凝土澆筑前。

5)承臺混凝土施工完畢后，注水至承臺頂面以下0.05 m，拆除第2層內(nèi)支撐后。

3.2各工況下邊界條件模擬和荷載取值

采用朗肯土壓力理論，對砂性土按照水土分算的原則，計算得各個土層分界處(或土、水分界處)的土壓力(表3)。計算時以常水位標高作為0.0 m位置，參照圖1進行分層。

5種工況加載條件下，研究鋼板樁抗彎強度的模型用ANSYS軟件中等值梁建立，邊界條件則根據(jù)鋼板樁入土深度、持力層特性、支撐的作用情況來設定。主動土壓力5個工況采用相同取值。

工況1為基坑開挖工況，此時鋼板樁在水面以上0.5 m處設臨時支撐，設鋼板樁入土深度不小于2.0 m，由于持力層為稍密卵石層，抗變形能力較強，故鋼板樁的抗彎強度按照頂部簡支、底部固定的等值梁進行計算。計算得到剪力為0的點，該點截面處的彎矩即為鋼板樁樁身的最大彎矩。由于相鄰鋼板樁采用扣合方式連接，取土壓力分布寬度為單位寬度1.0 m。

工況2當封底混凝土達到強度設計值后，拆除臨時支撐，以封底混凝土面下作為鋼板樁嵌固部位，計算鋼板樁內(nèi)外兩側不平衡彎矩。取土壓力分布為單位寬度1.0 m。

工況3抽水安裝第2層支撐前，根據(jù)實際情況，當封底混凝土達到強度設計值后，在混凝土中設鋼板樁為固定約束，偏安全以封底混凝土面下作為嵌固部位，對封底混凝土1/2厚度范圍內(nèi)的節(jié)點施加線位移約束及繞鋼板樁豎向軸線的轉角位移約束，在第1層支撐位置施加橫向約束。

表3　土壓力強度計算表

工況4抽水至基坑底，由于第1層支撐受拉，故不考慮第1層支撐的作用。在第2層支撐位置施加橫向約束。

工況5注水至承臺頂面以下0.05 m時，拆除第2道支撐，僅考慮第1道支撐作用。

4結果分析

4.1鋼板樁的抗彎強度分析

5種工況加載條件下，鋼板樁的彎矩如圖3所示。

(a)工況1彎矩及反力圖

(b)工況2彎矩及反力圖

(c)工況3彎矩及反力圖

(d)工況4彎矩及反力圖

(e)工況5彎矩及反力圖

4.2內(nèi)支撐位移和監(jiān)測數(shù)據(jù)比較研究

由以上計算可知，第1層內(nèi)支撐最大支撐反力為54.4 kN(工況5)，第2層內(nèi)支撐最大支撐反力為109.8 kN(工況4)，為節(jié)省篇幅，選擇這2個工況內(nèi)支撐順橋向(與中間鋼管平行方向)進行位移分析，如圖4。云圖可以顯示支撐鋼管和同一標高處鋼板樁位移。

(a)第1層內(nèi)支撐

(b)第2層內(nèi)支撐

圖4中可以看出第1層內(nèi)支撐最大順橋向位移出現(xiàn)在工況5，為17 mm，方向朝圍堰內(nèi)部；第2層內(nèi)支撐最大順橋向位移出現(xiàn)在工況4，為2.5 mm，方向也朝圍堰內(nèi)部。上層支撐各部位位移均大于下層支撐。這符合實際結構變形規(guī)律。

由于鋼板樁圍堰抗彎強度具有一定安全儲備(比較計算應力和容許應力)，施工現(xiàn)場對結構只需采取位移監(jiān)測的方法，主要進行鋼板樁及內(nèi)支撐水平位移(全站儀觀測)、豎向沉降(水準儀觀測)、基坑底隆起(水準儀觀測)監(jiān)測。從現(xiàn)場數(shù)據(jù)看，鋼板樁沉降及基坑底隆起不明顯，主要位移為順橋向位移(橫橋向位移偏小)，工況5第1層內(nèi)支撐實測最大順橋向位移為20 mm，工況4第2層內(nèi)支撐實測最大順橋向位移為5 mm，方向均朝圍堰內(nèi)部。考慮測量儀器誤差，現(xiàn)場鋼板樁變形基本與理論計算吻合，實際結構較為可靠。

5結論

對拉森IV型鋼板樁圍堰進行力學特性研究，經(jīng)驗證現(xiàn)場結構質(zhì)量可靠，取得了預期的效果，得到如下結論：

1)本文確定的鋼板樁圍堰模型和計算方法是合理的，能夠用來研究實際結構力學特性。

2)5種工況下，拉森IV型鋼板樁均滿足抗彎強度要求，且具有一定安全儲備。

3)理論計算和實測結果表明，現(xiàn)場拉森IV型鋼板樁圍堰監(jiān)測的重點為順橋向位移監(jiān)測。第1層內(nèi)支撐最大順橋向位移出現(xiàn)在工況5，第2層內(nèi)支撐最大順橋向位移出現(xiàn)在工況4，方向均朝圍堰內(nèi)部?，F(xiàn)場鋼板樁變形基本與理論計算吻合，實際結構較為可靠。

[參考文獻]

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[3]劉國斌，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：11.

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[5]羅建華，唐嫻.深水基礎鋼板樁圍堰三維仿真驗算分析[J].科技導報，2011，29(12)：62-66.

責任編輯：唐海燕

Mechanical Properties of Larson IV Type Steel Sheet Pile Cofferdam

HUANG Lingjun，XI Haiyong，TIAN Erbu

(Sanming University，Sanming 365004)

Abstract：The risk factor of steel sheet pile cofferdam construction is high,and the collapse often results in heavy casualties.The Larson IV type steel sheet pile of Jingdong interflow main bridge project in the Sanming Section of National Highway 205 taken for example,the ANSYS software is used to establish the model of steel sheet pile cofferdam,and the finite element simulation is carried out,which is later compared with the actual monitoring data.The results show that the model and the calculation method are reasonable.The bending strength of the steel sheet pile cofferdam meets the requirements of the project,the deformation of critical parts are within the allowable range,and the actual structure is more reliable.

Key words：Larson IV type;steel sheet pile cofferdam;mechanical property

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.003

收稿日期：2016- 01- 05

作者簡介：黃凌君(1982—),男，工程師，一級建造師。

中圖分類號：TU753.3

文獻標志碼：A

文章編號：1671- 0436(2016)02- 0010- 06