軟弱基礎水中雙排鋼板樁圍堰變形分析

張廣東,劉雄,熊劍(．武漢市勘察設計有限公司,湖北武漢 4300; ．中國地質大學(武漢)信息工程學院,湖北武漢 430074)

軟弱基礎水中雙排鋼板樁圍堰變形分析

張廣東1?,劉雄2,熊劍1
(1．武漢市勘察設計有限公司,湖北武漢 430022; 2．中國地質大學(武漢)信息工程學院,湖北武漢 430074)

摘 要:作為臨時圍護結構,水中鋼板樁圍堰的穩定性對工程施工安全的重要性不言而喻。對圍堰進行變形監測研究,掌握變形狀況,控制施工風險,不僅能夠防范施工期間事故的發生,還能節約工程成本。通過分析某湖中大型通道項目施工中臨時雙排鋼板樁圍堰變形監測數據,研究圍堰變形量和抽水過程中水位差的聯系,經過擬合分析得出結論,可為類似水上工程設計和施工提供參考。

關鍵詞:拉森鋼Ⅳ型板樁;圍堰;變形監測;假設檢驗

1 引 言

鋼板樁圍堰具有水密性好、施工簡便、節約空間、可重復利以及環保等優點,其在國內基坑工程和涉水工程中的應用越來越廣泛。但由于多數工程地質水文條件復雜,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定因素[1],國內對鋼板樁圍堰變形監測研究還沒有構成系統,尚處于摸索狀態。本文結合某湖底隧道工程中雙排拉森鋼板樁圍堰的變形監測數據,闡述截水鋼板樁需關注的監測項目,并著重分析了水位因素和鋼板樁位移間的關系,給出了相關建議。

2 工程概況

該隧道工程穿越風景區,全長10．6 km,主體前半部分下穿湖泊,后半部分主要為半敞開段和穿山隧道。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行主體結構施工。保證鋼板樁圍堰的穩定,在修筑圍堰、圍堰內抽排水和基坑施工階段進行變形監測,提供可靠信息指導施工。湖區平均水深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,受力比較簡單。鋼板樁圍堰迎水面和背水面均用拉森Ⅳ型鋼板樁,其主要技術參數為: Wy=2 270 cm3/ m, g =76．1 kg/ m,A=242．5 cm2/ m。圍堰設計寬度為7 m,迎水面鋼板樁比背水面鋼板樁高1 m,圍堰頂部設28b槽鋼圍檁并用鋼筋拉結。圍堰橫斷面結構如圖2所示:

圖1　圍堰底部地質斷面圖

圖2　鋼板樁圍堰標準斷面圖

鋼板樁的長度為12 m,從地質斷面圖看,鋼板樁底部主要是粉質黏土和黏土。從圍堰結構看,圍堰近似于懸臂結構,其承受的外力主要為靜水壓力,內部受堰芯填土壓力和拉結筋拉力。

3 鋼板樁圍堰變形監測

圍堰監測工作劃分為兩個主要階段:①圍堰內湖水排干階段;②基坑、結構施工階段。筆者選取了鋼板樁圍堰頂部位移和沉降觀測值作為主要分析對象研究鋼板樁在不同水位下的變形情況。

圍堰形變監測遵守《建筑變形測量規范(JGJ8 -2007)》和《建筑基坑工程監測技術規范(GB50497 -2009)》中有關要求。其中鋼板樁位移監測采用萊卡全站儀系列1″級儀器,按照一級變形監測要求進行觀測,沉降觀測使用天寶DiNi03按二等水準要求進行監測。監測點按照每對30 m的間距布設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)內外側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,隨著圍堰內外側水位差的增大,兩者的差值也逐漸增大,說明頂部鋼板樁頂部向內靠攏;(2)鋼板樁位移的變化相對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,有很高的風險。

圖4中背水面側鋼板樁沉降量很小,但迎水面一側鋼板樁沉降變化和其位移變化趨勢一致,且變化量偏大。

4 變形數據分析

根據以上數據圖形的特點,筆者重點對抽水期間鋼板樁頂部“位移量—水位差”、“位移量—時間”以及圍堰內外側鋼板樁之間的聯系進行分析。

4．1迎水面鋼板樁頂部位移和水位差

以下采用模型對鋼板樁頂部位移與水位差之間的關系進行擬合。本文采用的是多項式擬合方式對數據進行處理,多項式階數采用假設檢驗方式進行確定。

利用最小二乘方法,采用一階擬合時,其函數可表示為:

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。

若進一步采用三階函數進行擬合,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組數據,比較上面的一、二、三階擬合函數,利用F檢驗確定最佳函數。當k=2時:

對于Fa(1,m-k-1)取a=0．05,則對應Fa(1,64)值約為4,表明二階多項式能較為顯著提高數據擬合效果。當k=3時:

可以認為三階多項式相較于二階多項式,擬合效果沒有顯著提高。

綜上,可認為迎水面鋼板樁頂部位移和水位差之間的函數關系近似于二階擬合函數的關系,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

當采用二階多項式進行擬合時,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據處理方式一樣,對背水面鋼板樁的變形數據也進行分析,得到鋼板樁變化同水位變化間最佳擬合階數也為二階,滿足如下關系:

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:首先可以對未來一段時間內的位移量進行預測,還可通過模型,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,具有現實指導意義。

5 總 結

通過以上鋼板樁圍堰和水位間的關系分析,并結合本項目的實際情況可以得出: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加劇的趨勢,應特別注意此階段鋼板樁圍堰的穩定;③由于該項目主要監測鋼板樁圍堰的頂部變形情況,建議在軟土地區對圍堰內部深層位移進行監測,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:1672-8262(2015)06-173-04中圖分類號:TU196

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—07—12

作者簡介:張廣東(1984—),男,工程師,主要從事大型工程變形監測工作。