张广东,刘雄,熊剑(．武汉市勘察设计有限公司,湖北武汉 4300; ．中国地质大学(武汉)信息工程学院,湖北武汉 430074)

软弱基础水中双排钢板桩围堰变形分析

张广东1∗,刘雄2,熊剑1
(1．武汉市勘察设计有限公司,湖北武汉 430022; 2．中国地质大学(武汉)信息工程学院,湖北武汉 430074)

摘 要:作为临时围护结构,水中钢板桩围堰的稳定性对工程施工安全的重要性不言而喻。对围堰进行变形监测研究,掌握变形状况,控制施工风险,不仅能够防范施工期间事故的发生,还能节约工程成本。通过分析某湖中大型通道项目施工中临时双排钢板桩围堰变形监测数据,研究围堰变形量和抽水过程中水位差的联系,经过拟合分析得出结论,可为类似水上工程设计和施工提供参考。

关键词:拉森钢Ⅳ型板桩;围堰;变形监测;假设检验

1 引 言

钢板桩围堰具有水密性好、施工简便、节约空间、可重复利以及环保等优点,其在国内基坑工程和涉水工程中的应用越来越广泛。但由于多数工程地质水文条件复杂,影响钢板桩围堰变形因素具有多样性,极容易成为工程安全的不稳定因素[1],国内对钢板桩围堰变形监测研究还没有构成系统,尚处于摸索状态。本文结合某湖底隧道工程中双排拉森钢板桩围堰的变形监测数据,阐述截水钢板桩需关注的监测项目,并着重分析了水位因素和钢板桩位移间的关系,给出了相关建议。

2 工程概况

该隧道工程穿越风景区,全长10．6 km,主体前半部分下穿湖泊,后半部分主要为半敞开段和穿山隧道。湖中段施工采用钢板桩围堰截水,排水后按明挖隧道工程方式进行主体结构施工。保证钢板桩围堰的稳定,在修筑围堰、围堰内抽排水和基坑施工阶段进行变形监测,提供可靠信息指导施工。湖区平均水深3 m,最深处约5 m。底部淤泥最大厚度约4 m,平均淤泥厚度1．06 m,由于工程大部分位于湖中心,淤泥偏厚。湖中心主要地质条件如图1所示:

不同于大部分水中桩基工程钢板桩围堰封闭型式,该工程的钢板桩围堰成带状分布在线路两侧,受力比较简单。钢板桩围堰迎水面和背水面均用拉森Ⅳ型钢板桩,其主要技术参数为: Wy=2 270 cm3/ m, g =76．1 kg/ m,A=242．5 cm2/ m。围堰设计宽度为7 m,迎水面钢板桩比背水面钢板桩高1 m,围堰顶部设28b槽钢围檩并用钢筋拉结。围堰横断面结构如图2所示:

图1　围堰底部地质断面图

图2　钢板桩围堰标准断面图

钢板桩的长度为12 m,从地质断面图看,钢板桩底部主要是粉质黏土和黏土。从围堰结构看,围堰近似于悬臂结构,其承受的外力主要为静水压力,内部受堰芯填土压力和拉结筋拉力。

3 钢板桩围堰变形监测

围堰监测工作划分为两个主要阶段:①围堰内湖水排干阶段;②基坑、结构施工阶段。笔者选取了钢板桩围堰顶部位移和沉降观测值作为主要分析对象研究钢板桩在不同水位下的变形情况。

围堰形变监测遵守《建筑变形测量规范(JGJ8 -2007)》和《建筑基坑工程监测技术规范(GB50497 -2009)》中有关要求。其中钢板桩位移监测采用莱卡全站仪系列1″级仪器,按照一级变形监测要求进行观测,沉降观测使用天宝DiNi03按二等水准要求进行监测。监测点按照每对30 m的间距布设在围堰迎水面和背水面钢板桩上。

如图3、图4所示为K1+180处迎、背水面钢板桩的位移沉降变化对比曲线。此位置即湖心段,淤泥很厚,钢板桩的变化情况极具代表性,能够反映在此种地质条件下钢板桩围堰的变化情况。

图3　抽水期间围堰钢板桩顶部位移变化曲线图

图3可以得出:(1)内外侧钢板桩位移变化具有一致性,而且迎水面钢板桩的位移量大于背水面钢板桩的变化,随着围堰内外侧水位差的增大,两者的差值也逐渐增大,说明顶部钢板桩顶部向内靠拢;(2)钢板桩位移的变化相对于水位差的变化稍显滞后,滞后期约5天～10天,且抽水完成后,钢板桩有突变的趋势,有很高的风险。

图4中背水面侧钢板桩沉降量很小,但迎水面一侧钢板桩沉降变化和其位移变化趋势一致,且变化量偏大。

4 变形数据分析

根据以上数据图形的特点,笔者重点对抽水期间钢板桩顶部“位移量—水位差”、“位移量—时间”以及围堰内外侧钢板桩之间的联系进行分析。

4．1迎水面钢板桩顶部位移和水位差

以下采用模型对钢板桩顶部位移与水位差之间的关系进行拟合。本文采用的是多项式拟合方式对数据进行处理,多项式阶数采用假设检验方式进行确定。

利用最小二乘方法,采用一阶拟合时,其函数可表示为:

Y=0．2221h-85．5633

其残差的平方和残差平方和:

∑n

i=1(y′i-¯y)2=1．6665×105

若采二阶拟合则:

Y=2．240×10-5h2+0．134h-22．402其残差的平方和为:?∑n

i=1(y′i-¯y)2=1．3473×105。

若进一步采用三阶函数进行拟合,则:

Y=-5．138×10-9h3+5．027×10-5h2+0. 095h -11．021

其残差平方和:∑n

i=1(y′i-¯y)2=1．3365×105

以上三种方式共采用了67组数据,比较上面的一、二、三阶拟合函数,利用F检验确定最佳函数。当k=2时:

对于Fa(1,m-k-1)取a=0．05,则对应Fa(1,64)值约为4,表明二阶多项式能较为显著提高数据拟合效果。当k=3时:

可以认为三阶多项式相较于二阶多项式,拟合效果没有显著提高。

综上,可认为迎水面钢板桩顶部位移和水位差之间的函数关系近似于二阶拟合函数的关系,其拟合曲线如图5所示:

图5　迎水面钢板桩“水位-位移量”二阶拟合

当采用二阶多项式进行拟合时,可以得到迎水面钢板桩位移变化速率为:

υ=Y′=4．480×10-5h+0．134

即钢板桩随着水位差的增大,变化速率将越来越大。

4．2背水面钢板桩顶部位移和水位差

同迎水面钢板桩位移数据处理方式一样,对背水面钢板桩的变形数据也进行分析,得到钢板桩变化同水位变化间最佳拟合阶数也为二阶,满足如下关系:

Y=3．216×10-5h2+0．022h-6．555

图6　背水面钢板桩“水位-位移量”二阶拟合

如图6所示,利用上述所求得的迎水面、背水面拟合模型:首先可以对未来一段时间内的位移量进行预测,还可通过模型,在控制形变量的前提下,给出安全的抽水速率。在保证工程安全的前提下,确保施工速率,具有现实指导意义。

5 总 结

通过以上钢板桩围堰和水位间的关系分析,并结合本项目的实际情况可以得出:①钢板桩围堰位移量随着水位差的增大而逐渐增大,且速率也逐渐增大;②抽水期间钢板桩变形和水位差呈现加剧的趋势,应特别注意此阶段钢板桩围堰的稳定;③由于该项目主要监测钢板桩围堰的顶部变形情况,建议在软土地区对围堰内部深层位移进行监测,以全面了解围堰深层位移的变化情况。

参考文献

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Deformation Analysis of Dual Steel Sheet Pile Cofferdam with Weak Foundation in Water

Zhang Guangdong1,Liu Xiong2,Xiong Jian1
(1．Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co．,Ltd．Wuhan 430022,China; 2．China University of Geoscience,Faculty of Information Engineering,Wuhan 430074,China)

Abstract:As temporary building envelope,the stability of steel sheet pile cofferdam in water is of self-evident importance to construction safety．Researching the deformation monitoring of the cofferdam,grasping deformation conditions and controlling construction risk can prevent accidents during construction,and have great meaning to saving the project cost at the same time．The paper analyzed and discussed the deformation monitoring data of the temporary double steel sheet pile cofferdam in a lake tunnel construction project,focusing on the relationship between deformation of cofferdam and the water head in the pumping period．By best polynomial approximation,the result provides experience for similar projects．

Key words:lasenⅣsteel sheet pile;cofferdam;deformation monitoring;hypothesis testing

文章编号:1672-8262(2015)06-173-04中图分类号:TU196

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—07—12

作者简介:张广东(1984—),男,工程师,主要从事大型工程变形监测工作。