急流裸岩环境下钢板桩围堰施工安全性分析

高文银, 陈文尹, 李嘉鑫

(1. 雅安交建集团项目管理有限公司, 四川雅安625000;2.中铁四局集团第七工程分公司, 安徽合肥 230000; 3.西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031)

0 引言

围堰施工能提供跨河、跨海桥梁基础施工无水的环境,其结构形式和施工方法可根据所处的水文、地质、气象、巷道等条件的不同而不同。 目前,桥梁水中基础施工的围堰形式主要有双臂钢围堰、钢吊箱围堰、钢板桩围堰等。其中,钢板桩围堰在防水性能、强度、经济性和施工上都具有很好的优势,所以这种围堰结构在各种桥梁基础的施工中被广泛应用。它不仅可以作为混凝土的模板使用还可以形成挡水结构,有强度高、容易打入坚硬土层、可以组成各种外形、可以重复使用等优点[1]。

到目前为止,人们已经对钢板桩围堰的受力性能、施工工艺等做了大量研究。邱训兵[2]进行了大型钢板桩围堰施工设计,计算分析了在不同荷载工况下钢板桩围堰的受力性能,总结了大型钢板桩施工的一些建议;杨炳勋等[3]结合海河特大桥基础施工,对钢板桩围堰的强度、刚度、稳定性进行验算,并提出了钢板桩围堰施工质量控制要求;李迎久[4]系统介绍了钢板桩围堰施工技术发展状况、设计理论及计算方法、施工技术难题等;刘跃武[5]对海河春意桥水中墩施工中钢板桩围堰的应运进行了计算,验证其施工的安全性;潘泓等[6]通过MIDAS-GTS建立了钢板桩围堰的有限元模型,研究了围堰在不同施工工序下的受力性能、变形情况;汤劲松等[7]用ANSYS建立了钢板桩围堰以及围堰外土体的有限元模型,根据钢板桩围堰的实际施工步骤,探讨了钢板桩围堰设计时的土压力计算方法。

上述研究大部分都是基于深水缓流环境,而在水库下游水流湍急、岩层裸露的环境中,钢板桩围堰的研究和应用还比较少。本文主要研究了钢板桩围堰在急流裸岩条件下的各种性能,对以后在相似环境下的施工提供依据。

1 工程概况

兰州(新城)至永靖沿黄河快速通道是甘南州、临夏州与青海、河西走廊及新疆之间交通往来的重要通道,是兰州1 h都市经济圈内的交通要道,也是临夏州各县区与外界联系的主要通道。路线起点位于兰州市西固区新城镇新城黄河桥南,与已建的西固区至新城一级公路终点顺接,终至永靖县古城村,与永靖县新城区已建的环湖路终点相连。此外,该项目还通过永靖县已建的规划六路与临夏折桥至兰州达川二级公路相接。该项目横跨黄河大桥共有3座,其中盐锅峡黄河大桥位于盐锅峡水电站大坝下游约1 km处,水流湍急,流速达5.7 m/s。盐锅峡黄河大桥所处地理位置特殊,导致该处河床面无覆盖层,河床表面为中风化砂岩。

兰永黄河快速通道盐锅峡黄河大桥4#、5#墩施工采用9 m长的拉森Ⅲ型钢板桩围堰,围堰内共设置3道围檩和支撑。围檩和支撑采用36a工字钢(图1、图2)。

图1 围堰、支撑立面布置(单位:m)

图2 围堰、支撑平面布置(单位: mm)

2 基本参数

钢板桩围堰、钢围檩以及内支撑所用钢材为Q235钢,封底混凝土采用C30水下速凝混凝土。其物理参数如表1所示。河床底土层为岩层,主动土压系数Ka取0.419,被动土压力系数Kp取2.398,土的饱和重度为19.8 kN/m3。

表1 钢材和混凝土物理参数

3 有限元模型

采用有限元软件ANSYS建立钢板桩围堰的模型。建模时,拉森III型钢板桩采用 Shell63壳单元模拟。Shell63单元既具有弯曲能力又具有膜力,可以承受平面内荷载和法向荷载。该单元每个节点具有6个自由度:沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动,应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。

钢围堰围檩和支撑采用3维线性有限应变梁单元Beam188来模拟。Beam188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构,该单元基于铁木辛克梁结构理论,并考虑了剪切变形的影响。Beam188 是三维线性(2节点)或者二次梁单元,每个节点有6个或者7个自由度。

围堰、围檩和支撑的有限元模型如图3、图4所示。

钢板桩下部插打入坚硬岩层中,可认为其下部是固定的。所以施加边界条件时,对钢板桩底部施加完全固结约束。

4 计算工况及荷载

4.1 计算工况

围堰计算分析时,根据施工过程,考虑5个工况进行计算:

工况一:钢板桩全部安装就位,围檩、支撑没有安装。

工况二:围堰内向下抽水1 m,即抽水至第一道支撑位置以下0.5 m后进行第一道围檩、支撑的安装。

工况三:继续抽水,使水位下降2.5 m,即抽水至第二道支撑位置以下0.5 m后进行第二道围檩、支撑的安装。

工况四:继续向下抽水1.5 m,即抽水至第三道支撑位置以下0.5 m后进行第三道围檩、支撑的安装。

工况五:围堰内抽水完成,进行承台施工。

4.2 主要荷载

围堰主要所受的主要荷载有围堰外流水压力、静水压力、主动土压力,围堰内净水压力、被动土压力等。其中,围堰内外的静水压力可以直接计算静水压力差。

计算土压力时,由于岩层的透水性较差,所以直接采用水土合算法计算主被动土压力。水土合算法即直接采用土的饱和重度,而不必把水压力和有效土压力分开计算[8]。

计算时以工况五为例,其他工况下的荷载计算、有限元分析原理与工况五相同。在工况五时,围堰内的水抽空,围堰内不存在静水压力。围堰外的流水压力、静水压力对围堰产生较大影响。主要荷载如图5所示。计算流水压力时,因为围堰方向与流水方向有一个近于45°的夹角,把水流流速进行分解,使其垂直作用于在围堰的2个面上,如图6所示。

垂直作用于围堰2个面的流水速度为:

v=5.7sin45°=4.03 m/s

流水压力:

静水压力:

E2=γh=10×4.5=45 kPa

主动土压力:

Ea=Kaγωh1=19.8×3.2×0.419=26.55 kPa

被动土压力:

Ep=Kpγωh2=19.8×1.2×2.389=56.76 kPa

5 计算结果及结论

5.1 计算结果

钢材提取其Mises应力,工况五时围堰、支撑的计算结果如图7～图10所示。

图7 围堰变形(单位:m)

图9 内支撑变形(单位:m)

图10 围檩、支撑应力(MPa)

从计算结果可以看出,围堰内的水全部抽完后,钢板桩的最大位移10.4 mm。钢板桩围堰的最大应力可达到115 MPa,内部支撑的较高应力水平能达到112 MPa,支撑上的局部应力集中区域可达到168 MPa的应力大小。同时,可以看出,围堰下部的围檩、支撑的应力水平比围堰上部的大。

其他工况的计算与工况五时相同,仅仅是在有限元分析过程中输入各自工况下的相应荷载即可(表2、表3)。

表2 应力计算结果

表3 应变计算结果

5.2 结论

(1)钢板桩围堰的应力、变形都处于合理的范围内,并且存在较大的安全储备,所以能够安全施工。

(2)对于钢板桩,薄弱、危险的受力点在钢板桩的角部。因此,施工过程中应重点加强围堰角部位置的连接强度,规避围堰可能产生的破坏。

(3)围堰最大应力140 MPa左右(存在于少部分应力发生集中区域),满足材料强度要求;不安装支撑时围堰的变形很大,其最大变形为93 mm,需要在钢板桩打入前设置合理的定位装置。承台施工时,围堰内抽水完全,支撑全部安装,此时钢板桩发生11 mm左右的变形,处于安全范围之内。

(4)支撑最大应力在168 MPa左右,满足材料强度要求。