基于有限元法的钢板桩围堰结构分析

2021-09-22丁巍金乾明

中外公路 2021年4期

丁巍，金乾明

(中交一公局桥隧工程有限公司，湖南长沙 410205)

如今采用钢板桩围堰施工桥梁深水基础已经非常普遍，该围堰结构形式具有施工简便、造价较低、防水性好等优点，并且随着施工技术的进步，钢板桩围堰的开挖深度也越来越大，这就对其结构的计算分析提出了更高的要求。传统的计算方法是采用等值梁法结合平面结构有限元简化计算，而围堰结构实际是空间受力体系，简化计算的结果必定存在偏差。事实上，水下桩土作用复杂，无论采用哪种方法计算都会与实际有一定的偏差，只有通过不断地优化计算方法和计算模型才能使计算结果更加可靠。

该文以湖北215省道毛市大桥14#主墩钢板桩围堰为背景，分别采用平面有限元法和整体空间有限元法进行计算分析。为确保结构安全，对围堰进行施工过程的应力及位移监测，将两种方法的计算结果与监测结果进行对比，分析方法的优缺点，为以后类似钢板桩围堰的设计与施工提供借鉴。

1 工程概况

湖北215省道毛市大桥项目位于荆州市监利县，其主桥上部结构为(75+125+75)m预应力混凝土连续梁，基础采用桩基础和矩形承台，承台尺寸为13.2 m×13.2 m×3.5 m，两主墩均位于河道边缘，现场先进行回填土方搭建施工平台，然后采用钢板桩围堰法施工主墩承台，钢板桩采用拉森Ⅳ型钢板桩，材质为Q295p，桩长18 m，围堰平面尺寸为15.6 m×15.6 m，其中14#墩地质条件相对较差，开挖深度更大，围堰顶标高为+25.000 m，底标高为+7.000 m，最大开挖深度为10.34 m，共设置4道内支撑。4道内支撑的标高分别为 +24.180、+21.450、+19.010、+16.990 m。其中第4层支撑在垫层浇筑完并达到强度后仅拆除斜撑保留围囹，承台施工完成后，回填砂土再将围囹拆除，其余支撑在墩身施工完成后围堰内回填土时拆除。14#墩钢板桩围堰布置图如图1、2所示。

图1 钢板桩围堰立面布置图(除标高单位为m外，其余：mm)

图2 围堰平面布置图(单位：mm)

2 计算参数

2.1 工程地质

根据现场地勘报告及项目附近类似工程经验，14#墩地质参数见表1。

表1 14#墩土层参数

2.2 主要计算工况

毛市大桥14#墩钢板桩围堰主要施工步骤为：① 桩基施工完成后插打钢板桩；② 围堰内开挖至+23.68 m，在+24.18 m处安装第1道内支撑；③ 围堰内开挖至+20.95 m，在+21.45 m处安装第2道内支撑；④ 围堰内开挖至+18.51 m，在+19.01 m处安装第3道内支撑；⑤ 围堰内开挖至+16.49 m，在+16.99 m处安装第4道内支撑；⑥ 围堰内开挖至+14.66 m，浇筑50 cm厚C25封底混凝土；⑦ 待封底混凝土达到强度后拆除第4道支撑的斜撑，破除桩头进行承台施工；⑧ 围堰内回填砂土，拆除第4道支撑围囹，并在承台顶位置用型钢填充承台与钢板桩间隙；⑨ 完成墩身施工，围堰内回填并拆除内支撑；⑩ 最后依次拔出钢板桩。

根据施工工序，该围堰主要考虑以下3个较危险的计算工况：

(1)工况1：第3道支撑安装完成后，围堰内开挖至+16.49 m。

(2)工况2：第4道支撑安装完成后，围堰内开挖至+14.66 m(最大深度)。

(3)工况3：封底混凝土达到强度后拆除第4层支撑的斜撑。

该文着重分析上述3个工况下的钢板桩及内支撑的受力情况，并且假定围堰内部始终处于干施工状态，这样的计算结果更为保守。

2.3 荷载计算

由于采用筑岛方法搭建施工平台，钢板桩主要荷载为土压力。围堰处土层中，粉质黏土、粉砂、细砂均为透水性土层，土压力计算时按照水土分算法进行计算。黏土层为不透水层，按水土合算法计算。

土压力计算采用朗肯主被动土压力公式计算，对于水土合算的土层：

(1)

(2)

对于水土分算的土层：

制作代书遗嘱应注意以下几点：第一，遗嘱人口述遗嘱内容，由见证人代替遗嘱人书写遗嘱。代书人应如实记载遗嘱人口述的遗嘱内容，不可对遗嘱内容作出任何更改或修正。第二，代书遗嘱必须有两个以上见证人在场见证，其中一人可为代书人。第三，代书人、见证人和遗嘱人必须在遗嘱上签名，并注明年、月、日。代书人将书写完毕的遗嘱，应交由其他见证人核实，并向遗嘱人当场宣读，经遗嘱人认定无误后，由代书人、其他见证人和遗嘱人签名，并注明具体日期。

(3)

(4)

式中:Pa(P′a)、Pb(P′b)分别为主动土压力和被动土压力；γ为土的天然重度；γw为地下水重度；c为土的黏聚力；φ为土的内摩擦角；hwa、hwb分别为基坑外侧和内侧地下水位深度，参数取值见表1。

以最大开挖深度工况即工况2为例，计算得其土压力分布如图3所示。

3 平面有限元法计算

3.1 钢板桩受力计算

根据地质参数，取钢板桩为1 m板宽，利用理正深基坑软件计算，选用“m法”对围堰各个施工工况的内力进行分析，计算得到各层支撑位置最大反力以及板桩结构内力位移包络图，如图4所示。

拉森Ⅳ型钢板桩每延米的截面抗弯模量约为2.27×10-3m3，钢板桩最大弯矩为272.94 kN·m，则最大弯曲应力为120.2 MPa。

图3 工况2钢板桩土压力分布图(单位：kPa)

图4 钢板桩内力包络图

3.2 内支撑计算

根据图4计算结果，支反力最大值为第4层的230.64 kN，以第4层内支撑为例，利用Midas Civil建立内支撑平面模型，在围囹上施加230.64 kN/m的线荷载，计算得到内支撑最大组合应力为-121.5 MPa，其他支撑计算方法类似。

将所有支撑计算结果汇总于表2。

表2 内支撑应力极值计算结果 MPa

4 空间有限元法计算

采用Midas Civil建立钢板桩围堰的空间有限元模型，钢板桩和内支撑均采用梁单元模拟，模型共2 064个节点，2 016个单元。相邻钢板桩之间，钢板桩与围囹之间均采用铰接，钢板桩底部为铰支座约束，采用土弹簧模拟被动土压力，封底混凝土与钢板桩之间采用双向土弹簧模拟。

4.1 工况1计算结果

第3道支撑安装完成后，围堰开挖至+16.49 m。此时围堰开挖深度为8.51 m，此时第3道支撑位于最底层，受力较为不利。钢板桩和内支撑的变形和应力计算结果如图5所示。

图5 工况1计算结果

由图5可知：工况1下，钢板桩最大组合应力为80.8 MPa，最大变形量为8.6 mm；内支撑的最大组合应力为152.2 MPa，最大变形量为3.8 mm。

4.2 其他工况计算结果

其他工况计算过程与工况1基本相同，不再赘述，表3为所有工况钢板桩及内支撑的应力和位移计算结果。

表3 钢板桩围堰计算结果

由表3可以看出：毛市大桥14#墩钢板桩围堰施工过程中钢板桩最大组合应力为109.0 MPa，内支撑最大组合应力171.5 MPa。钢板桩材质为Q295P，内支撑材料为Q235钢，根据GB/T 20933—2014《热轧钢板桩》及GB 50017—2017《钢结构设计标准》其屈服强度分别为295、235 MPa，均考虑1.35倍安全系数，则钢板桩允许应力为218.5 MPa，内支撑允许应力为174.1 MPa，结构强度满足要求。钢板桩最大水平位移为15.2 mm，工况3内支撑水平位移最大值为4.4 mm。其中，钢板桩允许最大挠度为L1/400=18 000/400=45 mm，内支撑最大挠度发生在围囹跨中位置，跨中位置允许最大挠度为L2/400=3 000/400=7.5 mm。因而，围堰的刚度满足规范要求。

从计算结果云图可以看出：钢板桩最薄弱位置位于围堰每边跨中位置，内支撑受力较大位置主要位于围囹上，并且与平面有限元计算得出的规律相同：下层受力较上层大，因而设计时，靠下层的内支撑选用较大截面型钢。

5 围堰监测及比较分析

5.1 钢围堰监测

围堰监测主要包括水位监测、围堰结构位移监测以及围堰应力监测3个方面。其中围堰外水位通过在河道边设置带有标高数据的固定标尺进行监测，实际施工过程中围堰内几乎无地下水冒出，无需进行内部水位监测。

围堰结构位移监测主要为钢板桩顶部水平位移和沉降监测，监测点布置在钢板桩顶部围堰4个角点及各边中点位置。水平位移采用测边交会法进行监测，沉降量采用电子精密水准仪监测。结构应力监测选用正弦式钢板应变计进行监测，测点布置在围堰靠河侧边中间部位钢板桩上，竖向布置6个测点，所有监测点布置如图6所示。

图6 围堰监测点布置图

实际位移监测结果如图7所示。由图7可知：钢围堰整体位移较小，随着开挖深度的增加，位移值也逐渐增加，且围堰整体有向河侧倾斜的趋势。开挖至最大深度后，结构逐渐稳定，最大位移约为3 mm，发生在与河道平行的边中点位置，这是由于该位置垂直于河道方向刚度相对较低，且河侧的回填土相对于原状土对围堰的支撑作用小，施工过程中在河侧刻意进行了放坡加高处理，从而减小了整体倾斜趋势。