內河深水坡碼頭雙排鋼板樁擋水圍堰施工及數值模擬研究

萬 華, 趙定發,彭述權

(1.湖南路橋建設集團有限責任公司,湖南 長沙 410007;2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

雙層鋼板樁圍堰是指沿著一定水平間距插打2排鋼板樁，鋼板樁間填充砂石，板樁之間采用拉桿相互錨固的結構形式。它由鋼板樁約束散體填料，形成直立岸壁；內部填料通過抗剪切的方式抵抗結構所受的水平荷載，并利用自重來抵抗整體滑移與傾覆，屬于一種重力式圍堰結構[1]，可用于水(船)閘、船塢、深水橋墩和沉管隧道等工程圍堰擋水[2-5]。由于堰體寬度比較大，在水平側壓力和豎向超載作用下，堰體兩側的變形和土壓力將不同，因此兩側鋼板樁受力和變形也將不同[6-8]。目前圍堰變形設計中沒有考慮兩側板樁土壓力和位移的差異，因此不能合理分析堰體變形，進而影響其穩定性評價。本文針對長沙市中山路消防取水坡碼頭改造工程中的擋水圍堰工程，在原有設計基礎上，采用三維數值建模方法分析水平側水壓力和豎向超載作用下圍堰變形和兩側土壓力變化規律，為類似圍堰工程變形分析提供參考。

1 工程概況

長沙市中山路消防取水坡碼頭改造工程位于湘江東岸，毗鄰主航道。該工程采用箱梁式架空結構形式，前緣斜坡道段深入江水中，頂面高程為27.20～31.40 m；其余斜坡道及取水平臺均在鄰水側設置擋墻；擋墻建基面高程22.40～28.40 m。施工期間正常最高水位為29.5 m。為保證碼頭水下建筑物的干作業施工，需在該碼頭江側設置與岸堤相連的單邊圍堰進行擋水。 對沙袋圍堰、格形板樁圍堰、雙層鋼板樁圍堰等3種方案進行了比較后，確定采用雙層鋼板樁圍堰擋水(見圖1)。

圍堰地層包括粘性填土、砂礫和巖層(見圖2)。對該雙排鋼板樁圍堰進行墻體抗剪切穩定性、抗滑動穩定性、抗傾覆穩定性、地基承載力和沉降、整體滑動性、鋼板樁強度及入土深度等驗算分析。其中圍堰在水平荷載作用力下發生剪切破壞時，圍堰后壁填料處于被動狀態，前壁后方的填料處于主動狀態，填料主動破裂角為π/2-φ/2，被動破裂角π/2+φ/2(見圖3)。取最大水深10 m處，河床為裸露基巖的最不利位置處作為計算截面，根據文獻[3]，圍堰填料對計算底面產生的抵抗力矩設計值Mt和計算底面以上墻體背后的荷載對計算底面處產生的傾覆力矩Md分別為：

圖1 消防取水碼頭圍堰平面圖

(1)

(2)

式中：γR為抗力分項系數，取1；γ為填料重度，取19.4 kN/m3；B為堰體寬度，取10 m；H為設計水位至計算底面的高度，取10 m，φ為填料摩擦角，取32°；γ0為結構重要性系數，取1.0；γg為荷載組合系數,偏安全取1.35，γ1為水的重度，取10 kN/m3。

將以上系數代入式(1)和式(2)得到：Mt-Md=748 kN·m≥0，滿足規范要求。

考慮河床覆蓋層薄且部分裸露，圍堰立面內外側上、下各設置2道圍檁：1道設置于頂面以下1 m處，1道設置于河床面以上0.5 m。圍堰鋼板樁為拉森Ⅳ型，最大樁長為15 m；圍堰內部填料采用中粗砂或砂礫石，摩擦角φ=32°。內外側圍檁每隔2 m標準間距設置1道直徑32 mm精軋螺紋鋼進行拉結，局部拐角處加密，以抵抗填料的水平側壓力。

圖2 消防取水碼頭圍堰立面圖(單位： mm)

圖3 雙排鋼板樁圍堰計算原理圖

2 雙排鋼板樁擋水圍堰施工

雙排鋼板樁圍堰按清基→定位樁施工→鋼板樁插打→圍檁安裝→對拉桿安裝→填料施工的總體順序進行。施工起始時間為2018年11月29日至2019年1月12日，歷時45 d。

2.1 鋼板樁施工

為保證鋼板樁插打正常進行，施工前，采用長臂挖機對圍堰范圍內、河床覆蓋層中的塊石、片石進行清理。在圍堰墻體范圍內每隔6 m橫向設置1排定位鋼管樁，作為鋼板樁定位依據。同時，由于圍堰部分區域河床裸露，該區定位鋼板樁每2排采用型鋼連接成格構式板凳樁，以形成自穩結構，有利于鋼板樁插打后臨時錨固，抵御水流的沖擊影響(見圖4)。鋼板樁采用60式液壓鋼板樁打樁機進行插打施工。內外排鋼板樁由上游向下游交替插打，并在下游的某一拐角處合龍。插打時，鋼板樁鎖口下端用木栓塞住，防止泥砂進入鎖口內影響后續鋼板樁的施工。

圖4 定位鋼管樁施工

2.2 圍楞和對拉桿安裝

雙層鋼板樁施工完成后，采用汽車吊在內、外排鋼板樁的外側設置2層雙拼36b型工字鋼作圍檁，上層圍檁直接錨固在鋼板樁上，下層圍檁由于在水中，采用懸吊的方式進行臨時定位。內、外側圍檁由Φ32 mm精軋螺紋鋼拉桿進行拉結，以防止填砂施工時，板樁內側壓力過大，使鋼板樁產生過大的變形。鋼板樁插打前，應在預定位置設置對拉孔，待圍檁安裝就位后，上層對拉螺桿采用人工直接安裝，下層水中拉桿由潛水員配備加力桿扳手進行安裝。所有拉桿均應及時預緊。對于鋼板樁上過大的拉桿孔縫隙，可利用袋狀微膨水泥條進行封堵。

2.3 填砂施工和抽水

為防止圍堰鋼板樁傾覆，鋼板樁插打完畢后應立即進行內部填砂施工作業。對于圍堰內部的填充材料，應盡量采用優質中砂、礫石等，也可采用級配碎石材料，但不宜采用粘性土。用于圍堰內部的砂石材料，其粉土含量宜控制在15%以下，塊石重量不宜超過50 kg。砂石船將填料運至圍堰處后，直接利用砂石船傳輸設備向雙層板樁間進行砂石填充(見圖5)。為避免圍堰內填料各向壓力不均及填料流動等原因導致圍堰傾斜及扭轉，應從圍堰中心處開始，向兩側方向均勻投入，使之遍布各處，不偏向某一側。由于單純投入的方法不能獲得充分的密實度，故在圍堰填充過程中，要利用振動擠實法或振沖法等對填料進行密實，并人工對表面進行修整。圍堰施工完成后，采用大功率抽水機進行抽水，發現漏水處，及時封堵。抽水時，按1 m1級，分級進行。每級抽水完成后，及時對圍堰變形進行監測，防止意外。

圖5 圍堰填砂

3 雙排鋼板樁圍堰鋼板位移和水平側壓力分析

3.1 數值建模

采用ANSYS軟件建立雙排鋼板樁網格模型，采用MATLAB軟件將網格模型數據格式轉換成FLAC3D軟件格式，建立數值模型(見圖6)。雙排樁長180 m，圍堰寬10 m，地面以上部分高10 m，插入深度5 m(包括1m填土層和4 m砂礫層)，地下巖層厚度10 m，寬50 m，拉森Ⅳ鋼板折算厚度0.166 7 m[9-10]，單元數量為66 900，拉桿單元布置在距離墻頂1 m水平高度，沿縱向按間隔20 m布置，模型底部固支，拉桿面積為8.2×10-4m2，地面以下部分水平約束，圍堰地面部分自由無約束，圍堰外部受到水平側水壓力，頂部受到豎向超載作用，模型參數見表1,水平監測點布置見圖7。鋼板插入地面以下5 m位置，即地基中巖層和土層分界線位置。為便于比較，豎向超載和水平超載采用相同的加載水平，最小加載100 Pa，共7級加載，i級加載應力大小為10(i-0.5)×100 Pa(見圖8)。考慮FLAC3D荷載為逐級增加，實際按照圖8中逐級加載水平加載。數值模型中考慮水的作用，按照飽和土體進行計算，因此,選擇其飽和重度和飽和狀態下內摩擦角和粘結力。

圖6 三維模型圖

表1 數值模型參數表材料名稱本構模型剪切模量/MPa體積模量/MPa密度/kg·m-3 粘結力/kPa內摩擦角/(°)抗拉強度/kPa砂土mohr501002 0000.0132.40粘土mohr501002 00015210填土mohr101002 0000320粉砂巖mohr1e 61e62 5002040.25拉森鋼板彈性模型20e6206e67 800///拉桿cable模型/1e12/032.33e6

圖7 水平監測點布置

圖8 逐級加載曲線

3.2 雙排鋼板樁圍堰兩側板樁位移和土壓力

3.2.1水平側向壓力作用

圖9為水平側向壓力作用下雙排鋼板樁圍堰板樁兩側位移和土壓力對比分析圖。前樁為圍堰與水接觸、水壓力作用一側的板樁；后樁為無水壓力作用一側的板樁。由圖9可知：水平側向壓力作用下，圍堰兩側板樁均發生向內位移，前后樁水平變形特征不相同;隨著水平側壓力增加，前樁壓位移和應力沿樁高非線性分布，最大位移約為4.0 cm，位于距離樁頂4 m位置；而后樁基本上呈線性分布,最大位移處于樁頂位置，約為1.0 cm。前樁的樁頂應力比鋼板插入地基處應力大，分別約為2.5 MPa和1.2 MPa，而后樁鋼板插入地基處的應力最大，大約為1.2 MPa。這是因為增加水平側壓力，圍堰內的拉桿對前樁的支撐作用逐漸發揮出來，相當于在拉桿位置(距離墻頂1 m位置)增加了一道水平約束，從而導致前樁的位移和應力沿著樁高非線性分布，同時拉桿和鋼板插入地基處相當于2個水平約束，產生了較大的水平應力。所以，可以推定側向壓力作用下，水平拉桿首先對前樁產生較強約束作用，而后對后樁產生約束作用，而鋼板插入地基同時對前后樁產生約束作用，水平拉桿和鋼板插入地基使前后樁產生協同作用減少圍堰水平位移。同時圖9表明：在約21 MPa作用下，前樁側壓力沿墻高波動比較大，推定為墻后土體產生塑性變形導致應力重分布所致。

表2為水平側壓力作用前后樁應力對比表，由圖9和表2可見：前后樁水平應力比隨水平側壓力作用增加而增加，在10 m水頭側向壓力作用下，其比值約為8左右；在水平20 m水頭作用下，其比值為可接近10。

a)水平側壓力作用下前樁位移

b)水平側壓力作用下后樁位移

c)水平側壓力作用下前樁應力

d)水平側壓力作用下后樁應力

e)水平側壓力作用位移比

f)水平側壓力作用應力比

表2 水平側壓力作用前后樁應力對比表荷載水平/Pa前后樁應力比應力比平均值前后樁位移比位移比平均值683.7722.261.792162.282.987.6521 622.87.265.992.243.9968 377.17.813.54216 2289.624.74

3.2.2豎向超載作用

圖10為豎向超載作用下雙排鋼板樁圍堰兩側板樁兩側位移和土壓力對比分析圖。由圖10可知：在豎向超載作用下，前后樁的水平變形成對稱分布規律，均與深度成非線性關系。這是因為豎向超載作用相對于圍堰而言是對稱荷載，因此產生對稱位移和應力。在頂部約等效15 m填土超載作用，樁頂水平約為1.0 cm，鋼板樁插入地基處最大應力8.0 MPa，其他位置快速降至2.0 MPa左右水平。這說明10 m高雙排鋼板樁圍堰在15 m 填土超載作用下，產生水平位移較小。表3為豎向超載作用前后樁應力對比圖。由圖10f和表3可見：前后樁位移和應力比平均值約為0.9，接近1。

表3 豎向超載作用前后樁應力對比表荷載水平/Pa前后樁應力比應力比平均值前后樁位移比位移比平均值683.7721.990.962 162.280.95 0.9821 622.80.340.910.960.9668 377.10.320.93216 2280.840.94

3.2.3豎向超載和側壓力作用

圖11為豎向超載和側壓力作用下雙排鋼板樁圍堰兩側前后樁位移和土壓力對比分析圖。結合圖9～圖11可知：豎向超載和側壓力作用下雙排鋼板樁圍堰兩側板樁前后樁位移相差較大。前后樁壓力沿墻高呈非線性分布，水平位移主要由側向壓力控制，豎向超載對水平位移影響較小。超載作用可以導致前樁位移減小，后樁位移增加。圖11也表明在豎向超載和側壓力作用下，樁體最大應力達到14 MPa左右，說明超載作用導致樁體應力顯著增加。圖11f和表4表明：超載作用使得前后樁應力比平均值從5.99降低至3.56，前后樁位移比平均值由3.99降至2.2，有利于降低前后樁應力比和位移比，提高圍堰材料利用水平。

a)豎向超載作用下前樁位移

b)豎向超載作用下后樁位移

c)豎向超載作用下前樁應力

d)豎向超載作用下后樁應力

e)豎向超載作用位移比

f)豎向超載作用應力比

a)豎向超載和側壓力作用下前樁位移

b)豎向超載和側壓力作用下后樁位移

c)豎向超載和側壓力作用下前樁應力

d)豎向超載和側壓力作用下后樁應力

e)水平側壓力和豎向超載作用位移比

f)水平側壓力和豎向超載作用壓力比

表4 豎向超載和側壓力作用前后樁應力表荷載水平/Pa前后樁應力比應力比平均值前后樁位移比位移比平均值683.7726.93 2.062 162.284.683.9721 622.81.373.561.532.268 377.13.591.81216 2281.241.62

4 結論

針對長沙市中山路消防取水坡碼頭擋水圍堰工程，提出雙層鋼板樁支護結構，并探討了其施工工序，數值模擬研究其水平位移和側壓力，分析其協調作用，得到如下結論：

1)雙層鋼板樁支護結構擋水圍堰工程工序包括鋼板樁施工、圍楞和對拉桿安裝、填砂施工和抽水。雙層鋼板樁支護結構可用于其他類似碼頭圍堰工程。

2)側向水平作用逐漸增加，圍堰拉桿首先對前樁產生約束作用，而后對后樁產生約束作用，進而使前后樁形成協同作用，圍堰內拉桿有利于控制水平位移。

3)側向壓力作用增加，前后樁位移比和應力比逐漸增加，最大可分別達到3.99和5.99。超載作用使前樁位移減小，后樁位移增加，且同時增加前后樁應力，可使位移比和應力比降低至2.2和3.56,鋼板樁插入地基處最大應力水平由1.5 MPa增加至14 MPa左右。建議施工過程中適當增加豎向超載作用，提高圍堰鋼板材料利用效率和圍堰穩定性。

4)需進一步研究拉桿布置形式、圍堰寬度等其他的參數對雙層鋼板樁支護結構圍堰的影響規律。