急流裸巖環境下鋼板樁圍堰施工安全性分析

高文銀, 陳文尹, 李嘉鑫

(1. 雅安交建集團項目管理有限公司, 四川雅安625000;2.中鐵四局集團第七工程分公司, 安徽合肥 230000; 3.西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031)

0 引言

圍堰施工能提供跨河、跨海橋梁基礎施工無水的環境,其結構形式和施工方法可根據所處的水文、地質、氣象、巷道等條件的不同而不同。 目前,橋梁水中基礎施工的圍堰形式主要有雙臂鋼圍堰、鋼吊箱圍堰、鋼板樁圍堰等。其中,鋼板樁圍堰在防水性能、強度、經濟性和施工上都具有很好的優勢,所以這種圍堰結構在各種橋梁基礎的施工中被廣泛應用。它不僅可以作為混凝土的模板使用還可以形成擋水結構,有強度高、容易打入堅硬土層、可以組成各種外形、可以重復使用等優點[1]。

到目前為止,人們已經對鋼板樁圍堰的受力性能、施工工藝等做了大量研究。邱訓兵[2]進行了大型鋼板樁圍堰施工設計,計算分析了在不同荷載工況下鋼板樁圍堰的受力性能,總結了大型鋼板樁施工的一些建議;楊炳勛等[3]結合海河特大橋基礎施工,對鋼板樁圍堰的強度、剛度、穩定性進行驗算,并提出了鋼板樁圍堰施工質量控制要求;李迎久[4]系統介紹了鋼板樁圍堰施工技術發展狀況、設計理論及計算方法、施工技術難題等;劉躍武[5]對海河春意橋水中墩施工中鋼板樁圍堰的應運進行了計算,驗證其施工的安全性;潘泓等[6]通過MIDAS-GTS建立了鋼板樁圍堰的有限元模型,研究了圍堰在不同施工工序下的受力性能、變形情況;湯勁松等[7]用ANSYS建立了鋼板樁圍堰以及圍堰外土體的有限元模型,根據鋼板樁圍堰的實際施工步驟,探討了鋼板樁圍堰設計時的土壓力計算方法。

上述研究大部分都是基于深水緩流環境,而在水庫下游水流湍急、巖層裸露的環境中,鋼板樁圍堰的研究和應用還比較少。本文主要研究了鋼板樁圍堰在急流裸巖條件下的各種性能,對以后在相似環境下的施工提供依據。

1 工程概況

蘭州(新城)至永靖沿黃河快速通道是甘南州、臨夏州與青海、河西走廊及新疆之間交通往來的重要通道,是蘭州1 h都市經濟圈內的交通要道,也是臨夏州各縣區與外界聯系的主要通道。路線起點位于蘭州市西固區新城鎮新城黃河橋南,與已建的西固區至新城一級公路終點順接,終至永靖縣古城村,與永靖縣新城區已建的環湖路終點相連。此外,該項目還通過永靖縣已建的規劃六路與臨夏折橋至蘭州達川二級公路相接。該項目橫跨黃河大橋共有3座,其中鹽鍋峽黃河大橋位于鹽鍋峽水電站大壩下游約1 km處,水流湍急,流速達5.7 m/s。鹽鍋峽黃河大橋所處地理位置特殊,導致該處河床面無覆蓋層,河床表面為中風化砂巖。

蘭永黃河快速通道鹽鍋峽黃河大橋4#、5#墩施工采用9 m長的拉森Ⅲ型鋼板樁圍堰,圍堰內共設置3道圍檁和支撐。圍檁和支撐采用36a工字鋼(圖1、圖2)。

圖1 圍堰、支撐立面布置(單位:m)

圖2 圍堰、支撐平面布置(單位: mm)

2 基本參數

鋼板樁圍堰、鋼圍檁以及內支撐所用鋼材為Q235鋼,封底混凝土采用C30水下速凝混凝土。其物理參數如表1所示。河床底土層為巖層,主動土壓系數Ka取0.419,被動土壓力系數Kp取2.398,土的飽和重度為19.8 kN/m3。

表1 鋼材和混凝土物理參數

3 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS建立鋼板樁圍堰的模型。建模時,拉森III型鋼板樁采用 Shell63殼單元模擬。Shell63單元既具有彎曲能力又具有膜力,可以承受平面內荷載和法向荷載。該單元每個節點具有6個自由度:沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節點坐標系X、Y、Z軸的轉動,應力剛化和大變形能力已經考慮在其中。

鋼圍堰圍檁和支撐采用3維線性有限應變梁單元Beam188來模擬。Beam188 單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構,該單元基于鐵木辛克梁結構理論,并考慮了剪切變形的影響。Beam188 是三維線性(2節點)或者二次梁單元,每個節點有6個或者7個自由度。

圍堰、圍檁和支撐的有限元模型如圖3、圖4所示。

鋼板樁下部插打入堅硬巖層中,可認為其下部是固定的。所以施加邊界條件時,對鋼板樁底部施加完全固結約束。

4 計算工況及荷載

4.1 計算工況

圍堰計算分析時,根據施工過程,考慮5個工況進行計算:

工況一:鋼板樁全部安裝就位,圍檁、支撐沒有安裝。

工況二:圍堰內向下抽水1 m,即抽水至第一道支撐位置以下0.5 m后進行第一道圍檁、支撐的安裝。

工況三:繼續抽水,使水位下降2.5 m,即抽水至第二道支撐位置以下0.5 m后進行第二道圍檁、支撐的安裝。

工況四:繼續向下抽水1.5 m,即抽水至第三道支撐位置以下0.5 m后進行第三道圍檁、支撐的安裝。

工況五:圍堰內抽水完成,進行承臺施工。

4.2 主要荷載

圍堰主要所受的主要荷載有圍堰外流水壓力、靜水壓力、主動土壓力,圍堰內凈水壓力、被動土壓力等。其中,圍堰內外的靜水壓力可以直接計算靜水壓力差。

計算土壓力時,由于巖層的透水性較差,所以直接采用水土合算法計算主被動土壓力。水土合算法即直接采用土的飽和重度,而不必把水壓力和有效土壓力分開計算[8]。

計算時以工況五為例,其他工況下的荷載計算、有限元分析原理與工況五相同。在工況五時,圍堰內的水抽空,圍堰內不存在靜水壓力。圍堰外的流水壓力、靜水壓力對圍堰產生較大影響。主要荷載如圖5所示。計算流水壓力時,因為圍堰方向與流水方向有一個近于45°的夾角,把水流流速進行分解,使其垂直作用于在圍堰的2個面上,如圖6所示。

垂直作用于圍堰2個面的流水速度為:

v=5.7sin45°=4.03 m/s

流水壓力:

靜水壓力:

E2=γh=10×4.5=45 kPa

主動土壓力:

Ea=Kaγωh1=19.8×3.2×0.419=26.55 kPa

被動土壓力:

Ep=Kpγωh2=19.8×1.2×2.389=56.76 kPa

5 計算結果及結論

5.1 計算結果

鋼材提取其Mises應力,工況五時圍堰、支撐的計算結果如圖7～圖10所示。

圖7 圍堰變形(單位:m)

圖9 內支撐變形(單位:m)

圖10 圍檁、支撐應力(MPa)

從計算結果可以看出,圍堰內的水全部抽完后,鋼板樁的最大位移10.4 mm。鋼板樁圍堰的最大應力可達到115 MPa,內部支撐的較高應力水平能達到112 MPa,支撐上的局部應力集中區域可達到168 MPa的應力大小。同時,可以看出,圍堰下部的圍檁、支撐的應力水平比圍堰上部的大。

其他工況的計算與工況五時相同,僅僅是在有限元分析過程中輸入各自工況下的相應荷載即可(表2、表3)。

表2 應力計算結果

表3 應變計算結果

5.2 結論

(1)鋼板樁圍堰的應力、變形都處于合理的范圍內,并且存在較大的安全儲備,所以能夠安全施工。

(2)對于鋼板樁,薄弱、危險的受力點在鋼板樁的角部。因此,施工過程中應重點加強圍堰角部位置的連接強度,規避圍堰可能產生的破壞。

(3)圍堰最大應力140 MPa左右(存在于少部分應力發生集中區域),滿足材料強度要求;不安裝支撐時圍堰的變形很大,其最大變形為93 mm,需要在鋼板樁打入前設置合理的定位裝置。承臺施工時,圍堰內抽水完全,支撐全部安裝,此時鋼板樁發生11 mm左右的變形,處于安全范圍之內。

(4)支撐最大應力在168 MPa左右,滿足材料強度要求。