內(nèi)河深水暗流鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)研究

陶庭震

（建德市交通發(fā)展投資有限公司，浙江 建德311600）

0 引言

跨越河流的橋梁，在具體施工中，受河內(nèi)水流情況復(fù)雜、工程施工時(shí)間長(zhǎng)影響，施工難度較大[1-3]。由于暗流、地形等情況復(fù)雜[4-5]，其中難度最大的是河流水深區(qū)域。深水暗流鋼圍堰施工是橋梁建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，鋼圍堰牢固與否，關(guān)系到整個(gè)橋梁的安全性能[6-8]。施工團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)綜合分析工地實(shí)際情況，研究深水鋼圍堰施工中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)各種施工危險(xiǎn)情況進(jìn)行控制，保證橋梁發(fā)揮最優(yōu)作用。但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼圍堰施工尚無(wú)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際施工過(guò)程中，施工團(tuán)隊(duì)僅根據(jù)以往相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工[9]，因此，施工水平良莠不齊，在多種因素影響下，施工過(guò)程中安全事故時(shí)有發(fā)生[10-11]。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用有限元來(lái)智能模擬施工形式日益廣泛[12]。有限元可展現(xiàn)施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題，為鋼圍堰施工提供數(shù)據(jù)依據(jù)[13]，并可根據(jù)鋼圍堰荷載狀況，有效預(yù)防事故發(fā)生[14]。因此有必要通過(guò)有限元，對(duì)內(nèi)河深水暗流鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 內(nèi)河深水暗流鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

1.1 研究區(qū)概況

以位于某鐵路支線公路的L大橋?yàn)檠芯勘尘埃撝Ь€全長(zhǎng)11.622km，該大橋的中心里程為DK15+231.846，橋梁全長(zhǎng)1445.44m，其橋位通過(guò)段隸屬于感潮河段的江下游，河道的水流主流線平行于河岸，橋位斷面夾角為43°。橋址地表水富足，受大氣降水以及潮汐影響顯著。依據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘查結(jié)果可知，橋址區(qū)附近無(wú)區(qū)域性活動(dòng)斷裂存在，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不發(fā)育，下伏的不可溶巖類(lèi)基巖具備較好的穩(wěn)定性，橋址處于建筑抗震有利地段。

1.2 有限元模型建立

ABAQUS是可以模擬工程的有限元軟件，可解決由簡(jiǎn)單線性分析到復(fù)雜非線性問(wèn)題，分析固體力學(xué)結(jié)構(gòu)[15]。ABAQUS有限元軟件主要由單元庫(kù)和材料庫(kù)組成，可模擬任何幾何形狀和各種工程物料性能，如土壤、巖石、復(fù)合材料、金屬、鋼筋混凝土、泡沫等材料。利用ABAQUS可模擬巖土力學(xué)、熱傳導(dǎo)、熱電耦合、質(zhì)量擴(kuò)散、聲學(xué)分析等問(wèn)題[16]。ABAQUS主求解器模塊由ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit組成，并且具有支持求解器的人機(jī)交互前后處理模塊ABAQUS/CAE。其應(yīng)用非常廣泛，功能強(qiáng)大[17]。

1.2.1 模型條件設(shè)定

結(jié)合四周土體與圍堰鋼板柱安裝過(guò)程中力的相互影響，利用有限元構(gòu)建三維空間模型對(duì)鋼圍堰施工過(guò)程進(jìn)行分析。鋼板柱圍堰為對(duì)稱(chēng)圓柱形，綜合過(guò)往工程經(jīng)驗(yàn)，為節(jié)省計(jì)算步驟并提升計(jì)算準(zhǔn)確度，取鋼圍堰三維空間模型的1/4展開(kāi)計(jì)算分析。土體三維有限元模型范圍是X向30m、Y向30m，垂直方向Z向21.6m，其土層自上而下為淤泥與細(xì)圓礫土。為保障計(jì)算精確度與計(jì)算速度，使用Tie約束鋼板樁與土體、工字梁，通過(guò)調(diào)整靜水壓力大小來(lái)解決抽水時(shí)的水位降低問(wèn)題[18]。

邊界條件設(shè)置如下：模型分別關(guān)于XOZ、YOZ平面對(duì)稱(chēng)的側(cè)面設(shè)置相應(yīng)的對(duì)稱(chēng)約束邊界條件；XOZ、YOZ剩余X向與Y向兩個(gè)側(cè)面設(shè)置水平方向位移約束；底部分別設(shè)置X向、Y向、Z向垂直水平位移約束；不設(shè)置河床表面約束。選擇適當(dāng)鋼圍堰各個(gè)受力構(gòu)件單元類(lèi)型來(lái)模擬最優(yōu)鋼圍堰施工流程；對(duì)于鋼板樁、工字梁、圓鋼管支撐、土體等，模擬分別使用Shell單元下的S4、S4R和S4單元，bean單元下的B31單元，solid單元下的C3D8R單元，以降低應(yīng)力集中影響，并準(zhǔn)確計(jì)算鋼圍堰位移、應(yīng)力、應(yīng)變。

三維有限元模型將鋼板柱單元、土體單元、內(nèi)支撐單元分別劃分成5711個(gè)、127857個(gè)、7842個(gè)單元，合計(jì)141410個(gè)單元。鋼圍堰四周土體網(wǎng)格實(shí)施加密處理，采用ABAQUS的網(wǎng)格檢查功能，所有網(wǎng)格劃分均勻后才可進(jìn)行下一步。鋼圍堰三維有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 鋼圍堰三維有限元模型

1.2.2 水文地質(zhì)參數(shù)及流水壓強(qiáng)

鋼圍堰內(nèi)支撐與鋼板柱的彈性模量、密度、泊松比分別取為260GPa、800kg/m3、0.35，設(shè)置260MPa的屈服應(yīng)力，添加到鋼圍堰三維有限元模型中，并將10個(gè)積分點(diǎn)設(shè)置在Shell的厚度上，該結(jié)構(gòu)模型為最佳彈塑性模型。封底混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，按照最佳彈性材料展開(kāi)模擬，其彈性模量、密度、泊松比分別取為30GPa、2600kg/m3、0.28；厚60cm級(jí)配碎石的彈性模量、密度、泊松比分別為100GPa、2600kg/m3、0.3。使用摩爾-庫(kù)倫模型模擬土層，土層物理學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。受礫土入水后強(qiáng)度減小影響，需降低礫土內(nèi)摩擦角，將微小的黏聚力添加到礫土中可提升計(jì)算收斂性。依據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，取變形模量的3~5倍作為土層彈性模量。

表1 土層物理學(xué)參數(shù)

1.2.3 施工荷載計(jì)算

為獲取鋼圍堰的全方位受力特性，將最不利鋼圍堰施工情況[19-20]施加到三維有限元模型中。假設(shè)鋼圍堰位于水深21.5m，其所受荷載見(jiàn)表2。鑒于鋼圍堰荷載取值標(biāo)準(zhǔn)不一致，將參照相關(guān)資料取值。

表2 鋼圍堰所受荷載

（1）鋼板樁自重荷載計(jì)算。鋼板樁、封底與填充混凝土填充自重標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式為：

式中：GK為物體自重標(biāo)準(zhǔn)值；γ為物體材料容重；V為物體體積。鋼材容重γ鋼=89.6kN/m3，填充混凝土容重γ混凝土=35kN/m3。

（2）靜水壓力計(jì)算。靜水壓力以水平方式施加到鋼板樁內(nèi)外兩側(cè)，其計(jì)算式為：

式中：Pwr為計(jì)算點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)；γw為水的容重；H為計(jì)算點(diǎn)作用水頭。其中鋼圍堰計(jì)算點(diǎn)作用水頭取河水最高水位21.5m，水的容重取10.92kN/m3,由此可知鋼圍堰外側(cè)所受靜水壓力為300.32kPa。

（3）水浮力計(jì)算。水浮力計(jì)算式為：

式中：F為水浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Vw為鋼圍堰排開(kāi)水體積，m3。

（4）水流速度計(jì)算。水流速度計(jì)算式為：

式中：v為豎直方向任意點(diǎn)處的水流速度，m/s；vmax為水平面水流速度，m/s；H為水深，m；h為任意點(diǎn)處水深，m；n為常數(shù)，其值大小受水流、河床等因素影響。

（5）水面流水壓力。鋼圍堰作用于河床上，河水流速隨水深變緩，水面流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式為：

式中：P為流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；k為形狀阻力系數(shù)，取1.4；A為鋼圍堰排水面積，m2；g為重力加速度，取10.92m/s2；vmax為水面水流速度，取0.3m/s。不同形狀的k值見(jiàn)表3。

表3 形狀阻力系數(shù)

流水壓力均布力計(jì)算示意圖見(jiàn)圖2。流水壓力荷載集度計(jì)算式為：

圖2 流水壓力均布力計(jì)算示意圖

式中：q為流水壓力荷載集度，kN/m；b為迎水面阻水寬度，m；K為安全系數(shù)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，流水壓力均布力為4.87kN，分布集度為0.42kN/m，壓強(qiáng)為0.06kPa。

鋼圍堰整體滑動(dòng)、鋼圍堰底隆起失穩(wěn)、鋼圍堰構(gòu)建嵌固段推移、錨桿撥動(dòng)、鋼圍堰結(jié)構(gòu)傾覆與滑移、鋼圍堰抗浮或抗沉失敗、土體滲透破壞等穩(wěn)定性計(jì)算和驗(yàn)算，應(yīng)滿足以下條件：

式：Rkd表示抗滑力、抗浮力、抗滑力矩、抗傾覆力矩、錨桿極限抗拔承載力等平衡作用標(biāo)準(zhǔn)值組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Skd表示抗滑力、抗浮力、抗滑力矩、抗傾覆力矩等不平衡作用標(biāo)準(zhǔn)值組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

1.2.4 模型加載過(guò)程

為提高計(jì)算效率與收斂性，保障計(jì)算值精確度，模擬真實(shí)施工流程的模型加載過(guò)程分為12個(gè)步驟（見(jiàn)表4）。

鋼圍堰在吸泥、抽水、拆除內(nèi)支撐等過(guò)程時(shí)，因受力增大容易出現(xiàn)變形等情況，該情況屬于危險(xiǎn)施工情況。分析表4可知，第4步、第6步、第7步、第8步、第11步都屬于危險(xiǎn)施工情況。

2 試驗(yàn)分析

模型加載過(guò)程的危險(xiǎn)施工情況有第4步、第6步、第7步、第8步、第11步，分別用A、B、C、D、E代表，并對(duì)其展開(kāi)分析。

鋼板樁圍堰平面布置圖見(jiàn)圖3。

表4 施工流程

圖3 鋼板樁圍堰平面布置圖（單位：mm）

圍堰頂高程為+5.00m，圍堰底高程為-31m，封底混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，厚度為3.0m。由于鋼圍堰三維有限元模型Y方向與X方向?qū)ΨQ(chēng)，本文以Y方向?yàn)槔归_(kāi)分析。

2.1 地應(yīng)力平衡分析

將重力作用下的土層受力分布結(jié)果導(dǎo)入三維有限元模型，可得到地應(yīng)力平衡前后位移圖，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 土層位移（未平衡）（單位：m）

圖5 土層位移（平衡后）（單位：m）

綜合分析圖4、圖5可知，平衡前與平衡后土層位移最大值分別是8736mm、2661mm，該情況符合施工條件。

2.2 鋼板樁分析

鋼板樁受水壓力與礫土壓力作用而發(fā)生形變，其Y方向變形分布見(jiàn)圖6。

圖6 鋼板樁Y方向變形分布

由圖6可知，前期隨著水深增加，鋼板樁變形位移增大，并且由中部開(kāi)始位移逐漸增大。水下吸泥開(kāi)始后，鋼板樁位移增大，當(dāng)?shù)?道支撐與第2道支撐安裝后，鋼板樁發(fā)生位移情況得到改善；當(dāng)抽水完成拆除內(nèi)支撐時(shí)，鋼板樁位移增大，其中鋼板樁下部受土體和封底礫土影響，其位移較中部小。綜合幾種施工危險(xiǎn)情況分析，鋼圍堰Y方向最大位移為76mm，進(jìn)行抽水與拆除支撐時(shí)位移增大，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)施工安全警惕，保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全。

鋼板樁受材料屈服強(qiáng)度和抗拉性影響，當(dāng)鋼板樁等效應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度時(shí)，變形情況明顯，導(dǎo)致鋼圍堰安裝不牢固；當(dāng)鋼板樁等效應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，施工過(guò)程中會(huì)因鋼板樁破壞而導(dǎo)致整個(gè)鋼圍堰破壞。鋼板樁等效應(yīng)力見(jiàn)圖7。

圖7 鋼板樁等效應(yīng)力

由圖7可知，鋼板樁在施工情況為A時(shí)，其等效應(yīng)力受水深影響較小，鋼板樁受第1支撐與第2支撐作用影響，其等效應(yīng)力變化不大，而鋼板樁下部封底礫土承受更多荷載，鋼板樁等效應(yīng)力變化不明顯。施工情況為E時(shí)，內(nèi)部支撐拆除，鋼圍堰所受靜水壓力增大，其等效應(yīng)力也隨之大幅度增加。

2.3 水位上漲鋼圍堰分析

鋼圍堰設(shè)置在內(nèi)河深水暗流處，隨著水位上漲或下降，其最高水位差可達(dá)數(shù)米。因此分析危險(xiǎn)施工情況A與D時(shí)，鋼圍堰在水位上漲不同階段的位移與應(yīng)力情況。鋼圍堰土層位移結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 鋼圍堰土層位移

由表5可知：在水位上漲情況下，Y與Z方向土層位移均有明顯變化，尤其在水位上漲初期，土層負(fù)荷受水壓影響較大；水位上漲與否，Y與Z方向最大位移所處位置始終不變。

當(dāng)水位上漲時(shí)，鋼板樁X方向位移情況見(jiàn)表6。

表6 鋼板樁X方向位移

由表6可知：鋼板樁X方向位移與水位成正比，水位上漲初期鋼板樁X方向位移與水位未上漲時(shí)相差不大，到水位上漲中期和最高期則幾乎成倍上漲，因此當(dāng)水位上漲迅速時(shí)，應(yīng)警惕鋼圍堰變形情況。

當(dāng)施工情況為E時(shí)，鋼圍堰位移情況見(jiàn)圖8。

圖8 施工情況E時(shí)鋼圍堰位移

由圖8可知：施工情況為E時(shí)，鋼板樁位移隨著水位上漲而增加，在水位上漲最高期，鋼板樁承受流水壓力增大，位移達(dá)到10cm，而水位未上漲與水位上漲初期的鋼板樁位移曲線差別較小。

3 結(jié)語(yǔ)

在鋼圍堰施工過(guò)程中，鋼板樁位移隨水深增加而增加，添加支撐后，位移情況得到改善。鋼板樁下部受土體與封底礫土影響，位移較??；鋼圍堰等效應(yīng)力與靜水壓力成正比，當(dāng)拆除支撐時(shí)，其等效應(yīng)力也隨之增大；鋼圍堰外側(cè)土層位移隨水位上漲而增加，但其最大位移所處位置保持不變。因此，運(yùn)用有限元模型，可有效模擬鋼圍堰施工中面臨的問(wèn)題，分析每個(gè)施工工況中鋼板樁樁身的變形和應(yīng)力分布情況以及圍模與內(nèi)支撐的變形和應(yīng)力分布情況，確定合理的施工順序及施工方法，為實(shí)際施工提供科學(xué)依據(jù)。