灌注排樁支護(hù)對(duì)大孔徑活動(dòng)堰結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響

費(fèi)照驊， 李 昱， 呂 犇， 鄭宏偉

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215103)

閘室底板作為整個(gè)閘室結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是全面支承在地基梁上一塊受力條件復(fù)雜的彈性基礎(chǔ)板。此結(jié)構(gòu)體系嚴(yán)格上應(yīng)按照空間問(wèn)題對(duì)其應(yīng)力分布進(jìn)行分析，不過(guò)此計(jì)算較為繁瑣，工程上常采用“截板成梁”的方法對(duì)將其簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，采用相應(yīng)的有限元計(jì)算軟件按彈性地基梁法對(duì)底板彎矩進(jìn)行計(jì)算[1]，從而選定合適的底板結(jié)構(gòu)尺寸。

河道控導(dǎo)工程基坑一般采用邊坡開(kāi)挖的方式進(jìn)行施工，該施工方式需要足夠的施工場(chǎng)地區(qū)域。蘇南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，河道施工影響范圍內(nèi)可能存在無(wú)法拆遷的房屋或者重要管線，需采用灌注排樁等基坑支護(hù)方式減小河道開(kāi)挖影響范圍。閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要受幾大因素影響，包括：填土邊載、地下水位、地質(zhì)情況等。不同的基坑開(kāi)挖方式，作用的邊載也不同，且荷載的傳遞還會(huì)受灌注排樁支護(hù)的阻隔作用[2]。對(duì)于大跨徑節(jié)制閘而言，閘室底板厚度越后，邊載的荷載效應(yīng)越明顯[3]，支護(hù)方式對(duì)于閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響越大。本文以太倉(cāng)市主城區(qū)28 m活動(dòng)堰為例，采用二維數(shù)值模擬的方式，比較了不同基坑支護(hù)方式下活動(dòng)堰底板的彎矩，研究表明，采用灌注排樁支護(hù)的方式可以有效較小底板彎矩；灌注排樁對(duì)邊載的阻隔作用隨著樁長(zhǎng)的增大而增大。

1 工程概況

太倉(cāng)市主城區(qū)水質(zhì)提升控導(dǎo)工程是太倉(cāng)市主城區(qū)暢流活水工程之一，是保障入城水質(zhì)、實(shí)現(xiàn)入城水量可控的重要工程，是滿足“二環(huán)”內(nèi)主城區(qū)先期活水需求的核心內(nèi)容之一。控導(dǎo)工程將對(duì)十八港東岸及鹽鐵塘東岸現(xiàn)狀敞開(kāi)的口門新建控制建筑物，使楊林塘水可通過(guò)十八港、湖川塘流向西南部的中心城區(qū)而不往東流失，滿足引水期間目標(biāo)區(qū)域的水動(dòng)力提升要求。按實(shí)施主體不同，14座活動(dòng)堰分為5座水務(wù)局實(shí)施項(xiàng)目和9座高新區(qū)實(shí)施項(xiàng)目，其中水務(wù)局實(shí)施項(xiàng)目包括：洙涇河、湖川塘東、城北河活動(dòng)堰單孔凈寬均為28m。本文擬對(duì)洙涇河及城北河活動(dòng)堰的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行分析。

洙涇河河活動(dòng)堰實(shí)施范圍內(nèi)地形開(kāi)闊，無(wú)制約因素，可采用邊坡開(kāi)挖的方式進(jìn)行基坑施工；城北河活動(dòng)堰南北側(cè)存在市政道路，無(wú)法采用常規(guī)的基坑開(kāi)挖方式，經(jīng)方案論證，擬采用灌注排樁支護(hù)及放坡相結(jié)合的方式，具體如圖1所示。

圖1 活動(dòng)堰基坑支護(hù)方案示意圖

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

節(jié)制閘結(jié)構(gòu)計(jì)算是在各土層土質(zhì)均勻的前提下進(jìn)行[4]。計(jì)算按平面有限元的思想，用AutoBank建模進(jìn)行計(jì)算。

2.2 計(jì)算假定及邊界條件

(1)閘室可簡(jiǎn)化為“U”型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[5]。

(2)活動(dòng)堰穩(wěn)定計(jì)算是在各土層土質(zhì)均勻的前提下進(jìn)行[6]。

2.3 計(jì)算荷載的選取

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，閘室主要承受的水平荷載為順?biāo)鞣较虻乃畨毫Α⒌卣饎?dòng)水壓力、地震慣性力等；豎向力主要有結(jié)構(gòu)自重、水重、揚(yáng)壓力等[7]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)各工況計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，完建期活動(dòng)堰底板彎矩最大，為活動(dòng)堰底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制工況，彎矩分布如圖2、圖3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，洙涇河活動(dòng)堰完建期最大彎矩為3 610 kN·m，城北河活動(dòng)堰完建期最大彎矩為2 190 kN·m，對(duì)于同一凈寬的閘室底板而言，采用不同基坑施工方閘室底板內(nèi)力相差較大，結(jié)構(gòu)尺寸也可相應(yīng)調(diào)整[8]。

圖2 洙涇河活動(dòng)堰底板彎矩圖(完建期)

圖3 城北河活動(dòng)堰底板彎矩圖(完建期)

“彈性地基梁法”計(jì)算閘室底板結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，主要依靠底板下土層來(lái)傳遞邊載的荷載效應(yīng)[9]。閘室底板內(nèi)力的大小取決于各作用在閘室結(jié)構(gòu)上的荷載、空箱側(cè)回填土的邊載以及地板下土體的性質(zhì)[10]。當(dāng)基坑采取灌注排樁支護(hù)時(shí)，回填土的邊載減小，回填土對(duì)于地板下土體的約束變形影響受灌注排樁的限制相應(yīng)減弱，即邊載對(duì)底板周邊的荷載效應(yīng)受到排樁的阻隔，所以對(duì)于相同跨徑的活動(dòng)堰，底板彎矩卻相差懸殊，底板結(jié)構(gòu)也可進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。

4 灌注排樁長(zhǎng)度對(duì)于底板內(nèi)力的影響分析

為了更準(zhǔn)確地研究灌注排樁對(duì)大孔徑活動(dòng)堰內(nèi)力的影響，本文擬在相同地質(zhì)及荷載條件下，研究采取不同長(zhǎng)度的灌注排樁支護(hù)時(shí)28 m活動(dòng)堰底板內(nèi)力變化情況，結(jié)果如圖4所示。(為了對(duì)比灌注樁對(duì)邊載的影響，同時(shí)計(jì)算了無(wú)邊載且不采用灌注樁支護(hù)的工況)

圖4 不同長(zhǎng)度的灌注排樁支護(hù)時(shí)底板彎矩圖

由圖4可知，采用灌注樁支護(hù)方案時(shí)，底板面層最大彎矩值開(kāi)始減小，這是因?yàn)楣嘧吨ёo(hù)開(kāi)始阻隔邊載對(duì)土體所產(chǎn)生的變形而傳遞到地板上的荷載效應(yīng)，隨著灌注樁長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，這種阻隔效應(yīng)更明顯。當(dāng)樁長(zhǎng)到達(dá)20 m時(shí)，底板面層彎矩值為529 kN·m，與無(wú)邊載時(shí)的底板面層彎矩值靠近，可以認(rèn)為邊載的荷載效應(yīng)已經(jīng)基本被灌注樁擋墻所阻隔。

對(duì)于大跨徑的底板而言，其結(jié)構(gòu)尺寸主要受內(nèi)力計(jì)算結(jié)果所控制，其中又以底板面層彎矩最為重要。當(dāng)活動(dòng)堰受環(huán)境因素所限需要采取灌注排樁的基坑支護(hù)方式時(shí)，應(yīng)具體分析不同樁長(zhǎng)時(shí)底板內(nèi)力情況，從而采取合適的排樁長(zhǎng)度，從而減小地板尺寸，優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力。 底板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化， 一方面可以節(jié)省混凝土的方量，另一方面可以減少大體積混凝土澆筑的溫控措施費(fèi)，節(jié)約整體的工程投資。

對(duì)于灌注排樁而言，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，支護(hù)成本越高，故應(yīng)該對(duì)整體施工支護(hù)方案進(jìn)行綜合計(jì)算比選，采用合理的樁長(zhǎng)，既能優(yōu)化底板結(jié)構(gòu)內(nèi)力，減小底板尺寸，又能節(jié)約工程投資。

5 結(jié) 論

(1)基坑開(kāi)挖采用灌注排樁支護(hù)時(shí)能顯著減小大跨徑底板的面層彎矩，有利于底板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

(2)采用的灌注排樁樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)力優(yōu)化效果越明顯。

(3)實(shí)際工程運(yùn)用中如需采用灌注排樁的基坑支護(hù)方式，宜通過(guò)計(jì)算的方式確定合適的灌注樁長(zhǎng)度，既對(duì)底板內(nèi)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，又節(jié)約投資。