雷志強(qiáng)， 毛景權(quán)， 王 剛， 朱紹勛， 熊志勇， 莫昭輝

(中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

鋼板樁圍堰作為常用的圍堰形式，其具有施工簡(jiǎn)單、速度快、成本低、可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，在橋梁基礎(chǔ)的施工中得到廣泛的應(yīng)用，如廣州珠江北獵德大橋和廣州珠江南新光大橋等[1,2]。然而施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況往往比較復(fù)雜，水位不斷變化，由于施工技術(shù)原因部分支撐可能失效。因此，不僅需要對(duì)實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行模擬驗(yàn)算，還需要對(duì)這兩種不利工況下的深水軟巖中鋼板樁圍堰展開進(jìn)一步研究。

本文根據(jù)花莞高速公路號(hào)大橋的4#橋墩圍堰的施工情況，進(jìn)行圍堰施工全過(guò)程數(shù)值模擬，通過(guò)設(shè)置不同水位和部分支撐失效的工況，對(duì)4#橋墩的鋼板樁圍堰施工進(jìn)行分析和安全評(píng)估。

1 工程概況

1.1 承臺(tái)結(jié)構(gòu)

花莞高速公路2號(hào)大橋[3]的4#墩承臺(tái)底標(biāo)高-3.5m(承臺(tái)建議設(shè)計(jì)整體抬高1m)，承臺(tái)頂標(biāo)高+0.5 m，其平面尺寸如圖1所示。

圖1 承臺(tái)尺寸和樁位

1.2 土層參數(shù)

4#墩承臺(tái)選取的鉆孔為ZK6。土層物理參數(shù)見表1。

表1 土層物理參數(shù)

1.3 水文情況

仙村涌的水位高程為6.82 m，最高通航水位高程為9.25 m，最低通航水位高程為4.09 m，20年一遇洪水位為8.568 m，50年一遇洪水位為9.352 m。

2 圍堰設(shè)計(jì)選型

2.1 圍堰設(shè)計(jì)

圍堰支護(hù)采用型號(hào)為NSP IV型的拉森鋼板樁，其容許正應(yīng)力為275 MPa，容許剪應(yīng)力158 MPa，鋼板樁的抵抗彎矩為645 kN·m，為安全起見，本設(shè)計(jì)考慮0.7倍的折減系數(shù)后期抵抗彎矩為516 kN·m。支撐體系鋼材材料采用Q235的H型鋼，容許彎曲應(yīng)力為215 MPa，容許剪應(yīng)力為125 MPa。

本工程鋼板樁圍堰的平面形狀為兩個(gè)緊挨的矩形，每一個(gè)矩形的尺寸為17.90 m×12.60 m。本工程設(shè)置4道鋼支撐，其支撐的相互距離從上往下依次為3.5 m、3.0 m、2.5 m和3.0 m。1、2道支撐僅設(shè)置兩道角撐；3、4道支撐除設(shè)置角撐外，還增設(shè)對(duì)撐，對(duì)撐設(shè)置于中間，圍堰平面圖如圖2所示。

圖2 圍堰平面圖

2.2 模擬工況

4#墩圍堰采用逆做法施工，先安裝第1、2道支撐，再進(jìn)行鋼板樁沉樁，圍堰抽水開外，安裝第3、4道支撐。在圍堰開挖到底時(shí)，采用厚度為100 cm的C20混凝土進(jìn)行封底。

4號(hào)鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)水位為2.5 m，本次模擬鋼板的施工過(guò)程，按實(shí)際施工過(guò)程分為7個(gè)工況，各工況如下:

工況1：鋼板樁的沉樁。

工況2：第1和第2道內(nèi)支撐的安裝施工。

（5）攪拌EPDM彩色顆粒，將同一顏色不同包裝的彩色顆粒倒在一起，用鐵鍬攪拌均勻，再重新過(guò)秤包裝，防止鋪裝時(shí)顏色不均。

工況3：圍堰抽水并開挖至第3道支撐位置以下0.5 m處。

工況4：第3道內(nèi)支撐的安裝施工。

工況5：開挖至第4道支撐位置以下0.5 m處。

工況6：第4層內(nèi)支撐的安裝施工。

工況7：開挖至圍堰底。

根據(jù)上述施工工況進(jìn)行有限元的數(shù)值模擬分析，分析圍堰鋼板樁及內(nèi)支撐的受力變形情況，并對(duì)其進(jìn)行分析，判斷其受力變形是否滿足施工規(guī)范要求以及材料特性要求，從理論上分析本工程的鋼板樁圍堰施工是否滿足施工穩(wěn)定性和安全性的要求。

3 三維數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

Midas是一款適用于巖土分析的通用有限元軟件，其在地鐵、坑開挖、隧道、邊坡穩(wěn)定、基礦山等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。本工程運(yùn)用Midas GTS/NX對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行模擬，并對(duì)圍堰整體和平面進(jìn)行受力變形分析。

在建模中，通過(guò)慣性矩等效原則將拉森型鋼板樁的截面等效為矩形截面，鋼板樁用shell單元，腰梁和內(nèi)支撐、對(duì)撐以及角撐用beam單元模擬，土體采用實(shí)體單元，土體本構(gòu)模型的選取為修正莫爾-庫(kù)倫。圍堰土體的側(cè)面為法向約束，內(nèi)支撐體系和圍檁之間的連接采用剛性連接。

圖3 三維有限元網(wǎng)格模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

據(jù)圍堰的施工過(guò)程對(duì)7個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到鋼板樁的變形與彎矩，整理鋼板樁圍堰變形、彎矩最大值匯總于表2。

表2 鋼板樁圍堰計(jì)算結(jié)果

鋼板樁的容許彎矩為516 kN·m，根據(jù)公式[f]=L/400求得鋼板樁的允許的水平變形為45 mm。由表2可知，鋼板樁圍堰最大變形量和最大彎矩值均出現(xiàn)在工況7，鋼板樁的最大變形量為8.9 mm<45 mm，最大彎矩值為372.64 kN·m<516 kN·m，滿足規(guī)范要求，圍堰的施工過(guò)程在理論上是安全的。

3.3 水位變化情況

此工程中常水位按2.5 m進(jìn)行模擬計(jì)算，鋼板樁位移如圖4所示。然而在實(shí)際施工過(guò)程中，由于潮汐或雨季降雨等原因，水位往往是不斷變化的，運(yùn)用Midas建立模型，改變水壓力大小，分別對(duì)水位4 m、5 m、6 m的情況下對(duì)模型進(jìn)行分析，計(jì)算整個(gè)施工過(guò)程中鋼板樁彎矩值及其變形，與鋼板樁抵抗彎矩及變形容許值相比較，判斷彎矩與變形是否滿足要求。選取最危險(xiǎn)工況即工況7進(jìn)行分析，將不同水位下的計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

圖4 鋼板樁變形云圖

表3 數(shù)值模擬結(jié)果

從表3可知，隨著水位的上升，鋼板樁的變形和彎矩都不斷增大，鋼板樁圍堰在不同水位下的強(qiáng)度及剛度滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，即可以保證在圍堰施工過(guò)程的安全性。

3.4 支撐失效情況

此工程中第一道和第二道支撐只有角撐，第三道和第四道支撐有角撐、對(duì)撐和聯(lián)系撐，如圖5所示。

圖5 內(nèi)支撐圖示

然而在施工過(guò)程中，由于施工技術(shù)原因等，可能會(huì)出現(xiàn)圍堰部分支撐失效的情況，，運(yùn)用Midas建立模型，將第三道支撐和第四道支撐中的對(duì)撐和聯(lián)系撐進(jìn)行鈍化，計(jì)算整個(gè)施工過(guò)程中鋼板樁彎矩值及其變形，與鋼板樁抵抗彎矩及變形容許值相比較，判斷彎矩與變形是否滿足要求。選取最危險(xiǎn)工況即工況7進(jìn)行分析，將計(jì)算結(jié)果匯總于表4。

表4 鋼板樁圍堰計(jì)算結(jié)果

從表4可以得到，在對(duì)撐和聯(lián)系撐失效的情況下，鋼板樁圍堰的變形和彎矩都有較為明顯的增大，最大位移和最大彎矩均在容許范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)存在比較大的安全儲(chǔ)備，施工仍然安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)模擬鋼板樁圍堰的在不同水位下和部分支撐失效情況下有限元數(shù)值模擬的結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

(1)在鋼板樁圍堰內(nèi)支撐體系中設(shè)置對(duì)撐和聯(lián)系撐可以有效減小圍堰的整體變形和彎矩。

(2)4#鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)合理，可以保證施工全過(guò)程的安全性。