陶庭震

（建德市交通發(fā)展投資有限公司，浙江 建德311600）

0 引言

跨越河流的橋梁，在具體施工中，受河內(nèi)水流情況復雜、工程施工時間長影響，施工難度較大[1-3]。由于暗流、地形等情況復雜[4-5]，其中難度最大的是河流水深區(qū)域。深水暗流鋼圍堰施工是橋梁建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，鋼圍堰牢固與否，關(guān)系到整個橋梁的安全性能[6-8]。施工團隊應綜合分析工地實際情況，研究深水鋼圍堰施工中的各項技術(shù)指標，對各種施工危險情況進行控制，保證橋梁發(fā)揮最優(yōu)作用。但現(xiàn)在國內(nèi)外關(guān)于鋼圍堰施工尚無規(guī)范和標準，在實際施工過程中，施工團隊僅根據(jù)以往相關(guān)經(jīng)驗進行施工[9]，因此，施工水平良莠不齊，在多種因素影響下，施工過程中安全事故時有發(fā)生[10-11]。

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，利用有限元來智能模擬施工形式日益廣泛[12]。有限元可展現(xiàn)施工過程中遇到的問題，為鋼圍堰施工提供數(shù)據(jù)依據(jù)[13]，并可根據(jù)鋼圍堰荷載狀況，有效預防事故發(fā)生[14]。因此有必要通過有限元，對內(nèi)河深水暗流鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 內(nèi)河深水暗流鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

1.1 研究區(qū)概況

以位于某鐵路支線公路的L大橋為研究背景，該支線全長11.622km，該大橋的中心里程為DK15+231.846，橋梁全長1445.44m，其橋位通過段隸屬于感潮河段的江下游，河道的水流主流線平行于河岸，橋位斷面夾角為43°。橋址地表水富足，受大氣降水以及潮汐影響顯著。依據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘查結(jié)果可知，橋址區(qū)附近無區(qū)域性活動斷裂存在，新構(gòu)造運動不發(fā)育，下伏的不可溶巖類基巖具備較好的穩(wěn)定性，橋址處于建筑抗震有利地段。

1.2 有限元模型建立

ABAQUS是可以模擬工程的有限元軟件，可解決由簡單線性分析到復雜非線性問題，分析固體力學結(jié)構(gòu)[15]。ABAQUS有限元軟件主要由單元庫和材料庫組成，可模擬任何幾何形狀和各種工程物料性能，如土壤、巖石、復合材料、金屬、鋼筋混凝土、泡沫等材料。利用ABAQUS可模擬巖土力學、熱傳導、熱電耦合、質(zhì)量擴散、聲學分析等問題[16]。ABAQUS主求解器模塊由ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit組成，并且具有支持求解器的人機交互前后處理模塊ABAQUS/CAE。其應用非常廣泛，功能強大[17]。

1.2.1 模型條件設(shè)定

結(jié)合四周土體與圍堰鋼板柱安裝過程中力的相互影響，利用有限元構(gòu)建三維空間模型對鋼圍堰施工過程進行分析。鋼板柱圍堰為對稱圓柱形，綜合過往工程經(jīng)驗，為節(jié)省計算步驟并提升計算準確度，取鋼圍堰三維空間模型的1/4展開計算分析。土體三維有限元模型范圍是X向30m、Y向30m，垂直方向Z向21.6m，其土層自上而下為淤泥與細圓礫土。為保障計算精確度與計算速度，使用Tie約束鋼板樁與土體、工字梁，通過調(diào)整靜水壓力大小來解決抽水時的水位降低問題[18]。

邊界條件設(shè)置如下：模型分別關(guān)于XOZ、YOZ平面對稱的側(cè)面設(shè)置相應的對稱約束邊界條件；XOZ、YOZ剩余X向與Y向兩個側(cè)面設(shè)置水平方向位移約束；底部分別設(shè)置X向、Y向、Z向垂直水平位移約束；不設(shè)置河床表面約束。選擇適當鋼圍堰各個受力構(gòu)件單元類型來模擬最優(yōu)鋼圍堰施工流程；對于鋼板樁、工字梁、圓鋼管支撐、土體等，模擬分別使用Shell單元下的S4、S4R和S4單元，bean單元下的B31單元，solid單元下的C3D8R單元，以降低應力集中影響，并準確計算鋼圍堰位移、應力、應變。

三維有限元模型將鋼板柱單元、土體單元、內(nèi)支撐單元分別劃分成5711個、127857個、7842個單元，合計141410個單元。鋼圍堰四周土體網(wǎng)格實施加密處理，采用ABAQUS的網(wǎng)格檢查功能，所有網(wǎng)格劃分均勻后才可進行下一步。鋼圍堰三維有限元模型見圖1。

圖1 鋼圍堰三維有限元模型

1.2.2 水文地質(zhì)參數(shù)及流水壓強

鋼圍堰內(nèi)支撐與鋼板柱的彈性模量、密度、泊松比分別取為260GPa、800kg/m3、0.35，設(shè)置260MPa的屈服應力，添加到鋼圍堰三維有限元模型中，并將10個積分點設(shè)置在Shell的厚度上，該結(jié)構(gòu)模型為最佳彈塑性模型。封底混凝土強度等級為C25，按照最佳彈性材料展開模擬，其彈性模量、密度、泊松比分別取為30GPa、2600kg/m3、0.28；厚60cm級配碎石的彈性模量、密度、泊松比分別為100GPa、2600kg/m3、0.3。使用摩爾-庫倫模型模擬土層，土層物理學參數(shù)見表1。受礫土入水后強度減小影響，需降低礫土內(nèi)摩擦角，將微小的黏聚力添加到礫土中可提升計算收斂性。依據(jù)以往施工經(jīng)驗，取變形模量的3~5倍作為土層彈性模量。

表1 土層物理學參數(shù)

1.2.3 施工荷載計算

為獲取鋼圍堰的全方位受力特性，將最不利鋼圍堰施工情況[19-20]施加到三維有限元模型中。假設(shè)鋼圍堰位于水深21.5m，其所受荷載見表2。鑒于鋼圍堰荷載取值標準不一致，將參照相關(guān)資料取值。

表2 鋼圍堰所受荷載

（1）鋼板樁自重荷載計算。鋼板樁、封底與填充混凝土填充自重標準值計算式為：

式中：GK為物體自重標準值；γ為物體材料容重；V為物體體積。鋼材容重γ鋼=89.6kN/m3，填充混凝土容重γ混凝土=35kN/m3。

（2）靜水壓力計算。靜水壓力以水平方式施加到鋼板樁內(nèi)外兩側(cè)，其計算式為：

式中：Pwr為計算點的靜水壓強；γw為水的容重；H為計算點作用水頭。其中鋼圍堰計算點作用水頭取河水最高水位21.5m，水的容重取10.92kN/m3,由此可知鋼圍堰外側(cè)所受靜水壓力為300.32kPa。

（3）水浮力計算。水浮力計算式為：

式中：F為水浮力標準值，kN；Vw為鋼圍堰排開水體積，m3。

（4）水流速度計算。水流速度計算式為：

式中：v為豎直方向任意點處的水流速度，m/s；vmax為水平面水流速度，m/s；H為水深，m；h為任意點處水深，m；n為常數(shù)，其值大小受水流、河床等因素影響。

（5）水面流水壓力。鋼圍堰作用于河床上，河水流速隨水深變緩，水面流水壓力標準值計算式為：

式中：P為流水壓力標準值，kN；k為形狀阻力系數(shù)，取1.4；A為鋼圍堰排水面積，m2；g為重力加速度，取10.92m/s2；vmax為水面水流速度，取0.3m/s。不同形狀的k值見表3。

表3 形狀阻力系數(shù)

流水壓力均布力計算示意圖見圖2。流水壓力荷載集度計算式為：

圖2 流水壓力均布力計算示意圖

式中：q為流水壓力荷載集度，kN/m；b為迎水面阻水寬度，m；K為安全系數(shù)。

經(jīng)過計算，流水壓力均布力為4.87kN，分布集度為0.42kN/m，壓強為0.06kPa。

鋼圍堰整體滑動、鋼圍堰底隆起失穩(wěn)、鋼圍堰構(gòu)建嵌固段推移、錨桿撥動、鋼圍堰結(jié)構(gòu)傾覆與滑移、鋼圍堰抗浮或抗沉失敗、土體滲透破壞等穩(wěn)定性計算和驗算，應滿足以下條件：

式：Rkd表示抗滑力、抗浮力、抗滑力矩、抗傾覆力矩、錨桿極限抗拔承載力等平衡作用標準值組合的效應設(shè)計值；Skd表示抗滑力、抗浮力、抗滑力矩、抗傾覆力矩等不平衡作用標準值組合的效應設(shè)計值。

1.2.4 模型加載過程

為提高計算效率與收斂性，保障計算值精確度，模擬真實施工流程的模型加載過程分為12個步驟（見表4）。

鋼圍堰在吸泥、抽水、拆除內(nèi)支撐等過程時，因受力增大容易出現(xiàn)變形等情況，該情況屬于危險施工情況。分析表4可知，第4步、第6步、第7步、第8步、第11步都屬于危險施工情況。

2 試驗分析

模型加載過程的危險施工情況有第4步、第6步、第7步、第8步、第11步，分別用A、B、C、D、E代表，并對其展開分析。

鋼板樁圍堰平面布置圖見圖3。

表4 施工流程

圖3 鋼板樁圍堰平面布置圖（單位：mm）

圍堰頂高程為+5.00m，圍堰底高程為-31m，封底混凝土強度等級為C25，厚度為3.0m。由于鋼圍堰三維有限元模型Y方向與X方向?qū)ΨQ，本文以Y方向為例展開分析。

2.1 地應力平衡分析

將重力作用下的土層受力分布結(jié)果導入三維有限元模型，可得到地應力平衡前后位移圖，見圖4、圖5。

圖4 土層位移（未平衡）（單位：m）

圖5 土層位移（平衡后）（單位：m）

綜合分析圖4、圖5可知，平衡前與平衡后土層位移最大值分別是8736mm、2661mm，該情況符合施工條件。

2.2 鋼板樁分析

鋼板樁受水壓力與礫土壓力作用而發(fā)生形變，其Y方向變形分布見圖6。

圖6 鋼板樁Y方向變形分布

由圖6可知，前期隨著水深增加，鋼板樁變形位移增大，并且由中部開始位移逐漸增大。水下吸泥開始后，鋼板樁位移增大，當?shù)?道支撐與第2道支撐安裝后，鋼板樁發(fā)生位移情況得到改善；當抽水完成拆除內(nèi)支撐時，鋼板樁位移增大，其中鋼板樁下部受土體和封底礫土影響，其位移較中部小。綜合幾種施工危險情況分析，鋼圍堰Y方向最大位移為76mm，進行抽水與拆除支撐時位移增大，此時應加強施工安全警惕，保護生命財產(chǎn)安全。

鋼板樁受材料屈服強度和抗拉性影響，當鋼板樁等效應力大于材料屈服強度時，變形情況明顯，導致鋼圍堰安裝不牢固；當鋼板樁等效應力大于材料抗拉強度時，施工過程中會因鋼板樁破壞而導致整個鋼圍堰破壞。鋼板樁等效應力見圖7。

圖7 鋼板樁等效應力

由圖7可知，鋼板樁在施工情況為A時，其等效應力受水深影響較小，鋼板樁受第1支撐與第2支撐作用影響，其等效應力變化不大，而鋼板樁下部封底礫土承受更多荷載，鋼板樁等效應力變化不明顯。施工情況為E時，內(nèi)部支撐拆除，鋼圍堰所受靜水壓力增大，其等效應力也隨之大幅度增加。

2.3 水位上漲鋼圍堰分析

鋼圍堰設(shè)置在內(nèi)河深水暗流處，隨著水位上漲或下降，其最高水位差可達數(shù)米。因此分析危險施工情況A與D時，鋼圍堰在水位上漲不同階段的位移與應力情況。鋼圍堰土層位移結(jié)果見表5。

表5 鋼圍堰土層位移

由表5可知：在水位上漲情況下，Y與Z方向土層位移均有明顯變化，尤其在水位上漲初期，土層負荷受水壓影響較大；水位上漲與否，Y與Z方向最大位移所處位置始終不變。

當水位上漲時，鋼板樁X方向位移情況見表6。

表6 鋼板樁X方向位移

由表6可知：鋼板樁X方向位移與水位成正比，水位上漲初期鋼板樁X方向位移與水位未上漲時相差不大，到水位上漲中期和最高期則幾乎成倍上漲，因此當水位上漲迅速時，應警惕鋼圍堰變形情況。

當施工情況為E時，鋼圍堰位移情況見圖8。

圖8 施工情況E時鋼圍堰位移

由圖8可知：施工情況為E時，鋼板樁位移隨著水位上漲而增加，在水位上漲最高期，鋼板樁承受流水壓力增大，位移達到10cm，而水位未上漲與水位上漲初期的鋼板樁位移曲線差別較小。

3 結(jié)語

在鋼圍堰施工過程中，鋼板樁位移隨水深增加而增加，添加支撐后，位移情況得到改善。鋼板樁下部受土體與封底礫土影響，位移較??；鋼圍堰等效應力與靜水壓力成正比，當拆除支撐時，其等效應力也隨之增大；鋼圍堰外側(cè)土層位移隨水位上漲而增加，但其最大位移所處位置保持不變。因此，運用有限元模型，可有效模擬鋼圍堰施工中面臨的問題，分析每個施工工況中鋼板樁樁身的變形和應力分布情況以及圍模與內(nèi)支撐的變形和應力分布情況，確定合理的施工順序及施工方法，為實際施工提供科學依據(jù)。