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        深厚淤泥地層中“單排鋼板樁+鋼管樁群”圍堰結構安全分析

        2022-11-08 12:19:36童利芹王建娥
        廣東水利水電 2022年10期
        關鍵詞:單排支撐體系淤泥

        童利芹,王建娥

        (中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司,廣州 510610)

        目前,在深厚淤泥地層中建設水利工程施工圍堰,多采用充填砂袋圍堰[1]、土石圍堰[2]、雙排鋼板樁圍堰[3-5]等形式。然而,在淤泥覆蓋的傾斜岸坡地形上填筑土石圍堰或堆填充填砂袋圍堰,易造成整體滑移失穩(wěn)[6-7];在20 m級厚度的淤泥層中,采用雙排鋼板樁圍堰往往存在單樁長度過長,陸上焊接后施打設備不夠長、水上焊接工效較低、質量難把控等問題[8-9]。本文結合工程實際,提出了“單排鋼板樁+鋼管樁群”的圍堰形式,避免了斜坡地層充填砂袋圍堰或土石圍堰整體失穩(wěn)的問題,并且相較于雙排鋼板樁圍堰[10-11]能節(jié)約工程投資,安全性好。

        因該圍堰為新形結構,暫無完整、成熟的計算模型或者計算軟件可進行安全復核,本文通過有限元方法[12]與公式法[13]相結合,對圍堰進行穩(wěn)定分析計算。

        1 方案概況

        1.1 工程概況

        某穿堤水閘位于珠江河口區(qū)域,系拆除重建工程,設計采用單孔鋼筋混凝土閘、平板鋼閘門結構,閘室段長為20 m。水閘閘室結構采用開敞式,底板為平底板結構,閘孔凈寬為7.0 m,閘室凈高為7.0 m;閘室上、下游設C30鋼筋砼護坦長均為6 m,格賓石籠海漫長均為4 m,拋石防沖槽長均為3.5 m。外江側設出口“八”字翼墻,采用C30鋼筋砼懸臂式擋土墻結構,翼墻凈高為6.0 m。水閘閘室基礎采用Φ500PHC預制管樁,樁基進入全風化粉砂巖1.0 m。

        1.2 水文氣象

        工程區(qū)屬于南亞熱帶海洋季風性氣候區(qū),海洋性氣候顯著,氣候溫和濕潤。該地區(qū)年平均氣溫為21.8℃,極端最低氣溫為0℃,最高氣溫為36℃;各月平均相對濕度在71%~85%之間,多年平均相對濕度為80%;多年平均年降雨量為1606mm,歷年最大年降雨量為2 652.8 mm,最小年降雨量為1 030.1 mm;降雨量年內分配極不均勻,汛期(4—9月)降雨量占年總量的80%以上,枯水期(10月—次年3月)降雨量不足20%。

        本區(qū)域為熱帶氣旋影響區(qū),每年5—11月為其活動季節(jié),平均每年受影響3次。臺風影響期間會帶來大風和暴雨、暴潮,破壞性極強。

        1.3 工程地質

        工程區(qū)位于珠江三角洲地貌沖積平原區(qū),河網縱橫,屬亞熱帶季風氣候,地形開闊平坦。巖性主要為人工填土層(Q4s)、第四系全新統(tǒng)海陸交互相的松散堆積層(Q4mc)、新近沉積的第四系沖積層(Q3al),下伏基巖為白堊系上統(tǒng)大朗山組(k2d2)屬內陸湖相碎屑巖建造泥質砂巖。

        工程閘基土層主要為:①-1素填土,成分以粘、粉粒為主,次為砂粒和少量礫石,稍濕,局部砂感較強,層厚為4.0~4.3 m;②-1淤泥,該層分布于人工填土下方,埋深淺,為堤基主要持力層,經上部人工填土多年的堆載壓實,已完成了部分排水和沉降,目前大部分已轉變?yōu)橛倌噘|土,局部甚至為粘性土,層厚為1.5~4.9 m;②-2淤泥質粘土,主要成分為粘粉粒,含少量有機質,為堤基主要持力層,壓縮性高,厚度一般為1.6~8.5 m;②-3淤泥質粉細砂,主要成分為石英粉細砂粒、次為粉粘粒和少量砂礫,含較多貝殼殘骸及少量有機質,厚度一般為1.4~2.8 m;③-2淤泥質粘土,該層屬工程區(qū)較廣泛分布的軟土層,埋深較深,厚度一般為1.0~9.0 m;⑤-1(全風化)砂質泥巖,主要由石英細粒、高嶺石等粘土礦物組成,巖石風化成土狀,厚度一般為2.0~10.5 m;⑤-2(強風化)砂質泥巖,主要成分為長石、石英,次為粘土礦物等,原巖組織結構大部分已破壞,取芯呈土夾碎石狀,厚度一般為3.0~10.0 m;⑤-3(弱風化)砂質泥巖:主要成分為長石、石英等,巖芯呈碎塊狀~短柱狀,裂隙發(fā)育,揭露厚度大于3 m。

        采用各土層物理力學參數(shù)建議值見表1。

        表1 采用土層物理力學參數(shù)建議值

        1.4 導流標準及導流方案

        根據(jù)施工進度安排,工程需跨汛期施工。根據(jù)《水利水電工程圍堰設計規(guī)范》(SL 645—2013)的規(guī)定,破口新建穿堤建筑物時,若需跨越汛期施工,則不應降低所在堤防的設計標準。

        導流方案采用圍堰一次攔斷河涌內、外江,該河涌為河網結構,由內涌的另一端導流。

        外江設計水位按現(xiàn)狀堤防防洪標準枯水期(10月—翌年3月)10年一遇,相應水位為1.85 m(工況1);全年50年一遇,相應水位為2.84 m(珠基,下同,工況2);圍堰頂高程與現(xiàn)狀堤防防浪墻同高,為4.2 m。

        1.5 圍堰結構設計

        外江迎水側采用單排鋼板樁擋水,鋼板樁頂高程為4.2 m,鋼板樁長24.0 m,樁底高程為-19.8 m,深入粘土層至少2.0 m;高程1.0 m處采用2×32C槽鋼設置圍檁;鋼板樁靠基坑側分若干個單元設置支撐結構,每組支撐采用3DN600×8的鋼管樁群作為支撐體系,鋼管樁群與鋼板樁的圍檁之間采用DN450×8的鋼管進行連接。鋼管樁長為18 m,樁底深入硬質土層至少3.0 m。結構設計見圖1與圖2。

        圖1 單排鋼板樁與鋼管樁群支撐體系

        圖2 單排鋼板樁與鋼支撐體系斷面示意

        2 有限元局部模型與公式法結合

        2.1 鋼管樁群穩(wěn)定計算

        首先建立鋼管樁群的有限元模型(見圖3),采用有限元計算分析鋼管樁群的容許水平推力值,在樁頂施加一定的水平推力,求得鋼管樁群承受的最大水平推力值。計算取最不利斷面,即河床最低處斷面作為計算斷面。計算得出,當水平力為500 kN時,求得最大彎矩值為352.85 kN·m,分布在鋼管樁中上部(如圖4所示);最大應力為210.27 MPa,分布在鋼管樁中上部(如圖5所示);鋼管樁應力底端最小,頂部與單排鋼板樁連接處,由于聯(lián)系鋼管的約束和加強,應力次之,中上部應力最大。計算得鋼管樁頂位移為13.2 1cm,位移呈由底端向頂部遞增的趨勢(如圖6~圖7所示)。應力滿足強度要求,位移值滿足工程位移控制值(小于15cm)要求,故鋼管樁群支撐體系能夠提供500 kN的水平抗力。

        圖3 鋼管樁群支撐體系有限元計算模型示意

        圖4 鋼管樁群支撐體系彎矩示意

        圖5 鋼管樁群支撐體系應力示意

        圖6 鋼管樁群支撐體系位移示意

        圖7 鋼管樁群支撐體系整體位移示意

        2.2 單排鋼板樁穩(wěn)定性分析

        單排鋼板樁穩(wěn)定采用瑞典圓弧法進行分析,按照懸臂結構進行計算。采用理正深基坑模塊計算(同上),計算選取河床最深處斷面。

        1) 采用瑞典圓弧法進行整體穩(wěn)定計算

        (1)

        式中:

        W——土條重量,kN;

        V——垂直地震慣性力(V向上為負,向下為正),kN;

        u——作用于土條底面的孔隙壓力,kN/m2;

        α——條塊重力線與通過此條塊底面終點的半徑之間的夾角;

        b——條塊寬度;

        c′,φ′——土條底面的有效凝聚力和有效內摩擦角;

        Mc——水平地震慣性力對圓心的力矩;

        R——圓弧半徑。

        2) 對鋼板樁前趾的抗傾覆穩(wěn)定性驗算

        (2)

        式中:

        KQ——抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù);

        Ti——錨固力設計值,kN;

        ZTi——支點至支護結構底部或最下道支撐的豎向距離,m。

        3) 抗隆起穩(wěn)定計算

        (3)

        (4)

        (5)

        式中:

        Kb——抗隆起安全系數(shù);安全等級為1級、2級、3級的支護結構,Kb分別不應小于1.8、1.6、1.4;

        γm1、γm2——基坑外、基坑內擋土構件底面以上土的天然重,kN/m3;對多層土,取各層土按厚度加權的平均重度;

        ld——擋土構件的嵌固深度,m;

        h——基坑深度,m;

        q0——地面均布荷載,kPa;

        Nc、Nq——承載力系數(shù);

        c、φ——擋土構件底面以下土的黏聚力,kPa,內摩擦角,°。

        經計算,攔擋50年一遇全年水位為2.84 m時,需提供70 kN/m的水平推力,此時整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=4.079>1.25,滿足規(guī)范要求;Kov=1.313>1.150,抗傾覆滿足規(guī)范要求。計算結果見圖8和圖9。

        圖8 工況1內力包絡線示意

        圖9 工況2內力包絡線示意

        3 有限元整體模型復核

        3.1 計算模型

        建立單排鋼板樁與鋼管樁群整體有限元模型,采用有限元進行計算。取1個“單排鋼板樁+鋼管樁群”單元(單元長度為7 m)作為計算模型,計算水位為 2.84 m(工況2),底部采用固定端約束,四周采用相應的法向約束,模型共劃分為43 476個單元,46 242個節(jié)點。計算模型如圖10所示。

        圖10 整體計算模型示意

        3.2 計算結果及分析

        經計算,鋼支撐體系最大彎矩為308.12 kN·m,最大應力為344.56 MPa,整體位移為13.48 cm;鋼板樁最大彎矩為138.48 kN·m,內力均滿足材料強度要求。由于應力集中,整體計算模型中最大彎矩與應力值出現(xiàn)在第2層水平聯(lián)系鋼管與鋼管樁相交處(如圖11~圖12所示);單排鋼板樁最大應力出現(xiàn)在其與聯(lián)系鋼管相交處(如圖13所示)。由于工程選用的鋼板樁屈服強度為435 MPa,鋼管樁斷面大于聯(lián)系鋼管,由計算可知:加大聯(lián)系鋼管的直徑可以減小應力集中的影響。

        由于整體模型相當于懸臂結構,上部受到水壓力的作用,且無約束,因此,整體模型最大位移出現(xiàn)在鋼管樁頂以及鋼板樁中上部,頂部位移最大;鋼板樁由于樁長較長,柔度較大,出現(xiàn)了“鼓肚子”的情況(如圖14所示)。

        相較于整體模型,2種方法計算得出的最大彎矩值和位移值均基本相當,規(guī)律相近。因此,本文第2節(jié)簡化的計算方法和結果亦可靠。

        圖11 鋼管樁群支撐體系彎矩示意

        圖12 鋼管樁群支撐體系應力示意

        圖13 單排鋼板樁彎矩示意

        圖14 整體位移示意

        4 工程實施效果

        本水閘圍堰已按上述方案實施,運行過程中遇最高外江水位為2.3 m,圍堰安全運行,最大位移小于計算位移。

        5 結論與建議

        本文分析了采用“單排鋼板樁+鋼管樁群”新型圍堰形式的結構安全性。根據(jù)計算結果,為保證結構安全,需滿足以下條件:

        1) 拉森Ⅳ型鋼板樁,選用鋼材材料屈服強度不得小于400 MPa。

        2) 鋼管樁群支撐體系采用鋼材強度不得小于Q345鋼材強度;

        3) 為防止鋼管樁與聯(lián)系鋼管相交處由于應力集中產生破壞,建議聯(lián)系鋼管尺寸不小于DN450×8,連接處焊接質量不低于母材強度。

        4) 根據(jù)計算,最不利工況鋼管樁支撐體系間距L=7 m時,滿足結構強度要求,建議鋼支撐體系間距不大于7 m。

        5) 由于淤泥地層的復雜性,建議施工過程中嚴格控制施工質量,提高結構整體安全裕度。

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