李清海 邱梅添 李誠(chéng) 馬湛雄 莫家瑋

摘? 要：鋼板樁圍堰是水下工程施工經(jīng)常采用的一種支護(hù)結(jié)構(gòu)，其在施工環(huán)境中受到較大水壓力作用，且檢修維護(hù)困難，因此其施工安全尤為重要。本文以中國(guó)澳門南灣湖1號(hào)名勝世界（金銀島酒店）的鋼板樁圍堰建設(shè)工程為例，采用有限元軟件ABAQUS建立無(wú)支撐鋼圍堰數(shù)值模型，分析了多種型號(hào)鋼板圍堰在不同工況下的受力情況。結(jié)果表明，無(wú)支撐鋼板圍堰樁采用FSP-III和FSP-IIIA類型的拉森鋼板材料能夠滿足施工承載力和變形要求。

關(guān)鍵詞：無(wú)支撐鋼板圍堰樁;拉森鋼板;有限元

中圖分類號(hào)：U445.556? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）09-0000-00

0 概述

鋼板樁圍堰是在沿海建筑，跨海、跨河橋梁等工程中常見的一種支護(hù)結(jié)構(gòu)，其具有施工速度快、可重復(fù)使用、組合形式靈活等特點(diǎn)，同時(shí)拉森鋼板的套形鎖口使其具有較強(qiáng)的防滲透性能，因此其被廣泛用于深水基礎(chǔ)承臺(tái)施工的圍堰工程中[1，2]。

在鋼圍堰施工過程中，內(nèi)側(cè)抽水、挖土等工序會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生較大的彎矩，具有較高危險(xiǎn)性，同時(shí)在實(shí)際工程中和試驗(yàn)中難以準(zhǔn)確評(píng)估[3]?；诖?，本文采用等值梁法分析鋼板樁圍堰的約束和受力條件[4]，并采用Abaqus有限元軟件對(duì)中國(guó)澳門南灣湖1號(hào)名勝世界（金銀島酒店）建設(shè)工程的圍堰鋼板樁的施工過程進(jìn)行力學(xué)模擬分析，為工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1 有限元計(jì)算參數(shù)確定

1.1 土的性質(zhì)

簡(jiǎn)化計(jì)算中假設(shè)河床僅存在上下兩種不同土層，且土質(zhì)均勻、土體飽和，土體基本信息見表1。

1.2 主、被動(dòng)土壓力的計(jì)算

鋼板圍堰采用無(wú)內(nèi)支撐的懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼圍堰高出水面1.6m。南灣湖沿岸水深約為2.4m，并在鋼圍堰內(nèi)側(cè)向下開挖2.6m，挖走淤泥土1.8m，挖走粉土0.8m。由于鋼板圍堰樁處于沿河地區(qū)，因此鋼圍堰內(nèi)外側(cè)水位線都將在土層以上。出于安全考慮，主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力的計(jì)算均采用水土分算法（即土壓力為按土的浮重度計(jì)算的有效土壓力與土體間孔隙水的水壓力之和）[5]。計(jì)算土壓力零點(diǎn)為表土層面以上0.8m，假定其為0。同時(shí)由于土壓力零點(diǎn)和反彎點(diǎn)位置接近，可以認(rèn)為土壓力零點(diǎn)位置為反彎點(diǎn)位置[6]，即反彎點(diǎn)的位置在土層表面。計(jì)算非勻質(zhì)土的嵌固深度為H=5.304m[7]。本文在有限元計(jì)算模型中采用等值梁法，即認(rèn)為嵌固深度內(nèi)的鋼圍堰（即鋼圍堰下端5.4m范圍內(nèi)）是固接的。

1.3 計(jì)算工況的設(shè)置

圍堰的主要施工工序包括先插打鋼板樁并合攏，之后進(jìn)行抽水與挖土的工作。因此施工計(jì)算過程可以分為以下幾個(gè)工況：

（1）鋼板樁插打工作結(jié)束后，將圍堰內(nèi)側(cè)的水抽干。（2）設(shè)河床的標(biāo)高為±0.00m，開挖鋼圍堰內(nèi)側(cè)全部淤泥土，即下挖至-1.80m。（3）開挖鋼圍堰內(nèi)側(cè)部分粉土，下挖增加0.8m，即下挖至-2.6m。

在有限元模型中，通過施加不同階段的靜水壓力、主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力至圍堰中體現(xiàn)不同工況效果。隨著抽水及下挖的進(jìn)行，圍堰受壓力逐漸增加。通過有限元分析各工況中圍堰的受力與位移情況，計(jì)算施工過程的可靠性。

2 有限元計(jì)算過程

2.1 鋼圍堰本構(gòu)模型的選擇

圍堰施工采用拉森鋼板樁，型號(hào)為FSP-Ⅲ，級(jí)別為S275。鋼材的彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。鋼材的屈服強(qiáng)度為275MPa，拉伸強(qiáng)度為410MPa，取斷后鋼材的塑性應(yīng)變?yōu)棣舥p=0.2186[8]。鋼材的本構(gòu)關(guān)系可采用雙線性的彈塑性模型。

2.2 有限元軟件計(jì)算

有限元模型的建立。鋼板樁長(zhǎng)為12m，截面根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[9]中多種常見型號(hào)拉森鋼板（FSP-IA、FSP-II、FSP-III、FSP-IV、FSP-VL、FSP-VIL、FSP-IW）的實(shí)際尺寸進(jìn)行分別建模和討論。同時(shí)，根據(jù)工程中鋼板樁圍堰的布置形式的不同，對(duì)比和考察直線型和曲線型兩種布置方式下的鋼圍堰受力狀況。鋼圍堰將采用殼單元進(jìn)行三維建模?？紤]鋼圍堰變形特點(diǎn)，在鋼圍堰兩側(cè)作平行于鋼圍堰方向的位移和垂直于拉森鋼板長(zhǎng)度方向與垂直于鋼圍堰方向的轉(zhuǎn)角的邊界約束條件。

3 有限元參數(shù)分析與討論

3.1 不同型號(hào)拉森鋼板的影響

不同型號(hào)拉森鋼板組成的鋼圍堰在施工過程中其最大應(yīng)力-位移關(guān)系如圖1所示。其中FSP-IA由于板厚過小等原因，其計(jì)算結(jié)果不收斂。同時(shí)發(fā)現(xiàn)其在計(jì)算終止時(shí)的最大應(yīng)力超過了屈服應(yīng)力，其頂點(diǎn)最大位移達(dá)到了27cm，這不符合工程安全要求，因此表明FSP-IA不適用于該類圍堰工程施工。

而對(duì)于其他的拉森鋼板規(guī)格，其受力狀態(tài)均在彈性范圍內(nèi)。根據(jù)鋼板的允許撓度[f]=L/400=30mm，除了FSP-IA和FSP-IIW型號(hào)的鋼板外，可以得到對(duì)于FSP-III僅在靜水壓力下的計(jì)算結(jié)果符合要求，其他規(guī)格的鋼板也是符合的。其中在考慮價(jià)格和鋼材充分使用的角度上，F(xiàn)SP-III和FSP-IIIA較符合實(shí)際工程的應(yīng)用。

圖2為FSP-II的位移云圖（變形放大3倍以便于觀察）。其中應(yīng)力主要集中在固接與自由端交界處，即說(shuō)明鋼圍堰在此的反力是最大的，這與土力學(xué)計(jì)算中最大彎矩處的位置相吻合。

3.2 不同布置形式的影響

本次計(jì)算分別取FSP-II與FSP-III進(jìn)行直線型和有一定曲率的曲線型布置的鋼圍堰進(jìn)行對(duì)比分析。取兩種拉森鋼板組成曲面鋼圍堰為FSP-II-C、FSP-III-C，均以圓弧凸方向?yàn)殇搰邇?nèi)側(cè)，即在圓弧凹方向受水壓力和主動(dòng)土壓力作用;同時(shí)取FSP-II-C2、FSP-III-C2的圓弧凸方向?yàn)殇搰咄鈧?cè)。不同布置形式的FSP-II和FSP-III鋼板組成的鋼圍堰在施工過程中最大應(yīng)力和最大位移見表2。

由表2可知，曲面的鋼圍堰的應(yīng)力和最大位移明顯小于直線型布置的鋼圍堰。這是由于曲面布置的鋼圍堰具有一定的拱效應(yīng)，其可將壓力向兩側(cè)傳遞，使得鋼圍堰的應(yīng)力和位移減小。其中對(duì)于FSP-II弧形布置的承載力和變形能力均已滿足各項(xiàng)要求。因此在實(shí)際工程中，可以盡量采用鋼圍堰弧線型布置方式，同時(shí)間隔加上鋼柱作為側(cè)力支撐，以達(dá)到減小鋼板厚度，降低成本的目的。

4 結(jié)論

對(duì)于無(wú)內(nèi)支撐的鋼板圍堰施工過程受力的有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程結(jié)果吻合良好，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可知：土體對(duì)不同鋼板類型受力情況的影響有所差異，其中不建議采用FSP-IA和FSP-III鋼板類型進(jìn)行圍堰施工，而在考慮經(jīng)濟(jì)安全因素下，適宜選用FSP-III和FSP-IIIA類型鋼板材料。同時(shí)，應(yīng)盡可能采用弧線型布置形式，以達(dá)到更好的圍堰施工受力效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 李迎九.鋼板樁圍堰施工技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2011（2）：76-79+84.

[2] 湯勁松，熊保林.鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)的土壓力計(jì)算方法探討[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014（S2）：36-41.

[3] 潘泓，王加利，曹洪，等.鋼板樁圍堰在不同施工工序下的變形及內(nèi)力特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013（11）：2316-2324.

[4] 杜闖，丁紅巖，張浦陽(yáng)，等.鋼板樁圍堰有限元分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014（S2）：159-164.

[5] 陳愈炯，溫彥鋒.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999（2）：3-5.

[6] 田仲初，謝彬，蔣田勇，等.基于等值梁法的單層鋼板樁圍堰有限元分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017（2）：193-198.

[7] 蘆友明，姜安龍，邱明明.考慮施工過程的等值梁法在基坑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（5）：39-43.

[8] BS EN 10248-1-1996.非合金鋼熱軋制板樁[S].

[9] GB/T 20933-2007.熱軋U型鋼板樁[S].

收稿日期：2020-08-06

作者簡(jiǎn)介：李清海（1989—），男，北京人，本科，工程師，研究方向：基礎(chǔ)工程受力分析及施工技術(shù)。