軟弱基礎(chǔ)水中雙排鋼板樁圍堰變形分析

張廣東,劉雄,熊劍(．武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司,湖北武漢 4300; ．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

軟弱基礎(chǔ)水中雙排鋼板樁圍堰變形分析

張廣東1?,劉雄2,熊劍1
(1．武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司,湖北武漢 430022; 2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

摘 要:作為臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu),水中鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性對(duì)工程施工安全的重要性不言而喻。對(duì)圍堰進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)研究,掌握變形狀況,控制施工風(fēng)險(xiǎn),不僅能夠防范施工期間事故的發(fā)生,還能節(jié)約工程成本。通過(guò)分析某湖中大型通道項(xiàng)目施工中臨時(shí)雙排鋼板樁圍堰變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究圍堰變形量和抽水過(guò)程中水位差的聯(lián)系,經(jīng)過(guò)擬合分析得出結(jié)論,可為類似水上工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞:拉森鋼Ⅳ型板樁;圍堰;變形監(jiān)測(cè);假設(shè)檢驗(yàn)

1 引 言

鋼板樁圍堰具有水密性好、施工簡(jiǎn)便、節(jié)約空間、可重復(fù)利以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),其在國(guó)內(nèi)基坑工程和涉水工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但由于多數(shù)工程地質(zhì)水文條件復(fù)雜,影響鋼板樁圍堰變形因素具有多樣性,極容易成為工程安全的不穩(wěn)定因素[1],國(guó)內(nèi)對(duì)鋼板樁圍堰變形監(jiān)測(cè)研究還沒(méi)有構(gòu)成系統(tǒng),尚處于摸索狀態(tài)。本文結(jié)合某湖底隧道工程中雙排拉森鋼板樁圍堰的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),闡述截水鋼板樁需關(guān)注的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,并著重分析了水位因素和鋼板樁位移間的關(guān)系,給出了相關(guān)建議。

2 工程概況

該隧道工程穿越風(fēng)景區(qū),全長(zhǎng)10．6 km,主體前半部分下穿湖泊,后半部分主要為半敞開(kāi)段和穿山隧道。湖中段施工采用鋼板樁圍堰截水,排水后按明挖隧道工程方式進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工。保證鋼板樁圍堰的穩(wěn)定,在修筑圍堰、圍堰內(nèi)抽排水和基坑施工階段進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),提供可靠信息指導(dǎo)施工。湖區(qū)平均水深3 m,最深處約5 m。底部淤泥最大厚度約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。湖中心主要地質(zhì)條件如圖1所示:

不同于大部分水中樁基工程鋼板樁圍堰封閉型式,該工程的鋼板樁圍堰成帶狀分布在線路兩側(cè),受力比較簡(jiǎn)單。鋼板樁圍堰迎水面和背水面均用拉森Ⅳ型鋼板樁,其主要技術(shù)參數(shù)為: Wy=2 270 cm3/ m, g =76．1 kg/ m,A=242．5 cm2/ m。圍堰設(shè)計(jì)寬度為7 m,迎水面鋼板樁比背水面鋼板樁高1 m,圍堰頂部設(shè)28b槽鋼圍檁并用鋼筋拉結(jié)。圍堰橫斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖1　圍堰底部地質(zhì)斷面圖

圖2　鋼板樁圍堰標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

鋼板樁的長(zhǎng)度為12 m,從地質(zhì)斷面圖看,鋼板樁底部主要是粉質(zhì)黏土和黏土。從圍堰結(jié)構(gòu)看,圍堰近似于懸臂結(jié)構(gòu),其承受的外力主要為靜水壓力,內(nèi)部受堰芯填土壓力和拉結(jié)筋拉力。

3 鋼板樁圍堰變形監(jiān)測(cè)

圍堰監(jiān)測(cè)工作劃分為兩個(gè)主要階段:①圍堰內(nèi)湖水排干階段;②基坑、結(jié)構(gòu)施工階段。筆者選取了鋼板樁圍堰頂部位移和沉降觀測(cè)值作為主要分析對(duì)象研究鋼板樁在不同水位下的變形情況。

圍堰形變監(jiān)測(cè)遵守《建筑變形測(cè)量規(guī)范(JGJ8 -2007)》和《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(GB50497 -2009)》中有關(guān)要求。其中鋼板樁位移監(jiān)測(cè)采用萊卡全站儀系列1″級(jí)儀器,按照一級(jí)變形監(jiān)測(cè)要求進(jìn)行觀測(cè),沉降觀測(cè)使用天寶DiNi03按二等水準(zhǔn)要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照每對(duì)30 m的間距布設(shè)在圍堰迎水面和背水面鋼板樁上。

如圖3、圖4所示為K1+180處迎、背水面鋼板樁的位移沉降變化對(duì)比曲線。此位置即湖心段,淤泥很厚,鋼板樁的變化情況極具代表性,能夠反映在此種地質(zhì)條件下鋼板樁圍堰的變化情況。

圖3　抽水期間圍堰鋼板樁頂部位移變化曲線圖

圖3可以得出:(1)內(nèi)外側(cè)鋼板樁位移變化具有一致性,而且迎水面鋼板樁的位移量大于背水面鋼板樁的變化,隨著圍堰內(nèi)外側(cè)水位差的增大,兩者的差值也逐漸增大,說(shuō)明頂部鋼板樁頂部向內(nèi)靠攏;(2)鋼板樁位移的變化相對(duì)于水位差的變化稍顯滯后,滯后期約5天～10天,且抽水完成后,鋼板樁有突變的趨勢(shì),有很高的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4中背水面?zhèn)蠕摪鍢冻两盗亢苄?但迎水面一側(cè)鋼板樁沉降變化和其位移變化趨勢(shì)一致,且變化量偏大。

4 變形數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù)圖形的特點(diǎn),筆者重點(diǎn)對(duì)抽水期間鋼板樁頂部“位移量—水位差”、“位移量—時(shí)間”以及圍堰內(nèi)外側(cè)鋼板樁之間的聯(lián)系進(jìn)行分析。

4．1迎水面鋼板樁頂部位移和水位差

以下采用模型對(duì)鋼板樁頂部位移與水位差之間的關(guān)系進(jìn)行擬合。本文采用的是多項(xiàng)式擬合方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,多項(xiàng)式階數(shù)采用假設(shè)檢驗(yàn)方式進(jìn)行確定。

利用最小二乘方法,采用一階擬合時(shí),其函數(shù)可表示為:

Y=0．2221h-85．5633

其殘差的平方和殘差平方和:

∑n

i=1(y′i-ˉy)2=1．6665×105

若采二階擬合則:

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

i=1(y′i-ˉy)2=1．3473×105。

若進(jìn)一步采用三階函數(shù)進(jìn)行擬合,則:

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

其殘差平方和:∑n

i=1(y′i-ˉy)2=1．3365×105

以上三種方式共采用了67組數(shù)據(jù),比較上面的一、二、三階擬合函數(shù),利用F檢驗(yàn)確定最佳函數(shù)。當(dāng)k=2時(shí):

對(duì)于Fa(1,m-k-1)取a=0．05,則對(duì)應(yīng)Fa(1,64)值約為4,表明二階多項(xiàng)式能較為顯著提高數(shù)據(jù)擬合效果。當(dāng)k=3時(shí):

可以認(rèn)為三階多項(xiàng)式相較于二階多項(xiàng)式,擬合效果沒(méi)有顯著提高。

綜上,可認(rèn)為迎水面鋼板樁頂部位移和水位差之間的函數(shù)關(guān)系近似于二階擬合函數(shù)的關(guān)系,其擬合曲線如圖5所示:

圖5　迎水面鋼板樁“水位-位移量”二階擬合

當(dāng)采用二階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合時(shí),可以得到迎水面鋼板樁位移變化速率為:

υ=Y′=4．480×10-5h+0．134

即鋼板樁隨著水位差的增大,變化速率將越來(lái)越大。

4．2背水面鋼板樁頂部位移和水位差

同迎水面鋼板樁位移數(shù)據(jù)處理方式一樣,對(duì)背水面鋼板樁的變形數(shù)據(jù)也進(jìn)行分析,得到鋼板樁變化同水位變化間最佳擬合階數(shù)也為二階,滿足如下關(guān)系:

Y=3．216×10-5h2+0．022h-6．555

圖6　背水面鋼板樁“水位-位移量”二階擬合

如圖6所示,利用上述所求得的迎水面、背水面擬合模型:首先可以對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的位移量進(jìn)行預(yù)測(cè),還可通過(guò)模型,在控制形變量的前提下,給出安全的抽水速率。在保證工程安全的前提下,確保施工速率,具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

5 總 結(jié)

通過(guò)以上鋼板樁圍堰和水位間的關(guān)系分析,并結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況可以得出:①鋼板樁圍堰位移量隨著水位差的增大而逐漸增大,且速率也逐漸增大;②抽水期間鋼板樁變形和水位差呈現(xiàn)加劇的趨勢(shì),應(yīng)特別注意此階段鋼板樁圍堰的穩(wěn)定;③由于該項(xiàng)目主要監(jiān)測(cè)鋼板樁圍堰的頂部變形情況,建議在軟土地區(qū)對(duì)圍堰內(nèi)部深層位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),以全面了解圍堰深層位移的變化情況。

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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

文章編號(hào):1672-8262(2015)06-173-04中圖分類號(hào):TU196

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

收稿日期:?2015—07—12

作者簡(jiǎn)介:張廣東(1984—),男,工程師,主要從事大型工程變形監(jiān)測(cè)工作。