復雜地質情況下組合鋼圍堰受力性能研究

魏 謙，易明清，聶寧波，李 龍，牛俊杰

(中鐵十五局集團第一工程有限公司 西安市 710000)

0 引言

隨著橋梁建設數量的不斷增加，在橋基建設當中，為創造合適的施工條件，鋼圍堰越來越多地被運用在橋梁基礎建設當中。相關學者也對其進行了一系列研究，例如：夏爭志等[1]對深水大直徑雙壁鋼圍堰的設計和施工技術進行了研究，李剛等[2]依托實際工程對鎖扣鋼管樁圍堰的施工進行了詳細分析。張程然等[3]對臨港長江公鐵兩用大橋3號墩組合圍堰施工過程中的應力、變形進行了監測分析。

由于每個工程所處地質情況的不同，鋼圍堰方案的選擇也會有所區別。因此需要根據工程地質情況、施工條件等等原因選擇合適的圍堰方案，是圍堰施工的前提。由于圍堰施工過程中可能會遇到各種問題，尤其受力、變形情況是監控圍堰施工安全的重點，可通過模擬鋼圍堰在各個施工階段的受力、變形狀態，對圍堰施工安全進行監測。因此，根據該工程復雜地質情況對擺宴壩大橋鋼圍堰方案進行了選擇、并對其各施工階段驗算分析，保證了鋼圍堰施工安全，并為今后類似條件下的鋼圍堰施工提供了參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

廣元市擺宴壩嘉陵江大橋工程主路線長2.672km，路線主線起于省道205線，自南向北展線，通過新建橋梁跨嘉陵江，盤石濱江路及京昆高速，止于國道108線平交處，其中橋梁長1422.3m。跨江主橋為149m+133m獨塔雙索面斜拉橋，塔高130.395m。主橋結構形式采用獨塔、雙面索、密索體系、預應力混凝土箱型主梁、塔梁墩固結體系結構。全橋主梁標準段索距為6m，邊跨壓重段索距為4m。

1.2 水文地質

2 圍堰方案比選

橋梁工程中常用圍堰形式主要包括雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、鋼套箱圍堰等，而本工程借鑒塞爾維亞澤蒙大橋主橋[4]采用的圍堰形式，結合本工程地質條件、經濟情況等，通過綜合比較各個圍堰形式的優缺點如表1所示，最終選用了組合鋼管樁圍堰—PC工法組合鋼管樁的圍堰形式。PC的含義是Pipe-Combination(鋼管樁組合)，是通過鎖扣對鋼管樁和一個或多個拉森鋼板樁進行連接形成的結構形式。

表1 圍堰方案對比

該圍堰結構，結合了拉森鋼板樁和鋼管樁的優點，通過鋼管樁與拉森鋼板樁的連接形成一個整體的鋼質連續墻，整體穩定性好。并且鋼管樁具有較強的抗彎性和抗斷性，鋼管樁可通過工廠統一生產，其質量可控，能夠降低人工和地質等原因造成的施工誤差。組合后的結構體系，充分利用了鋼管的抗彎、拉森鋼板的止水、內支撐拉、彎、壓等材料的特性，形成了組合式圍堰體系。其結構簡單、施工方便、施工設備簡單、施工速度較快、拆除方便，鋼材回收率高，可周轉使用。既能滿足工程施工要求，又節省經濟。

3 組合鋼圍堰簡介

主橋主墩承臺尺寸2m×17m×17m，中間采用17m×12.5m×5m系梁連接，圍堰采用C9鎖扣樁+拉森4鋼板樁組合的圍堰形式。圍堰平面尺寸57.716m×20.32m，共設136根拉森4鋼板樁和136根C9鎖扣樁，第一層圍檁系統采用2HN600×200型鋼(Q235b鋼)；第二層圍檁系統采用2HN700×300型鋼(Q235b鋼)；第三層圍檁系統采用3HN700×300型鋼(Q235b鋼)；第四層圍檁系統采用3HN700×300型鋼(Q235b鋼)。圍堰內支撐鋼管采用Φ710×10mm+Φ630×8mm以上鋼管，材質均為Q235b鋼。圍堰圍檁加勁板采用t=10mm鋼板，圍檁對接鋼板采用t=10mm鋼板，材質均采用Q235b鋼。圍堰封底混凝土采用C25混凝土，封底厚度1m。圍堰鎖扣連接圖與立面圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 圍堰鎖扣連接圖

圖2 圍堰立面布置圖

4 鋼圍堰結構受力分析

4.1 圍堰整體有限元建模

通過MIDAS Civil軟件建立整體有限元模型如圖3所示，鋼管樁、拉森鋼板、內支撐均采用梁單元模擬，整個結構共劃分7108個節點、6932個單元。圍堰受力狀態，外側采用主動土壓、水壓加載，內側采用彈性地基梁(M值)模擬。

圖3 圍堰模型

4.2 土壓力、水壓力計算參數

圍堰處地質主要為人工填土，圓礫、細砂巖回填料為小顆粒卵石，詳細土層參數表如表2所示。

表2 土層參數

其中Ka：主動土壓力系數，Ka=tan2(45°-φ/2),φ為土內摩擦角；

Kp：被動土壓力系數，Kp=tan2(45°+φ/2)，φ

為土內摩擦角(圍堰插打時主要穿過人工填土，圓礫層采用水土分算進行，細砂巖層按水土合算)。

水壓力P=rh

式中：r—水容重，取10kN/m3；

h—水深，水壓呈三角荷載分布。

4.3 各工況下的受力分析結果

4.3.1帷幕受力分析結果

根據實際工程施工過程，設計計算主要分為5個施工階段。

CS1：圍堰內首次開挖至第一層圍檁下0.5m，圍堰內外土基本平衡，固可不做驗算。

CS2：安裝第一層圍檁內支撐，基坑內開挖至第二層圍檁下0.5m。

CS3：安裝第二層圍檁內支撐，基坑內開挖至第三層圍檁下0.5m。

CS4：安裝第三層圍檁內支撐，基坑內開挖至第四層圍檁下0.5m。

CS5：安裝第四層圍檁內支撐，基坑內開挖至封底。

根據施工階段，建立有限元模型分別對各施工階段下組合鋼管樁圍堰帷幕剛度、強度進行計算，根據研究分析，帷幕最不利位置出現在長邊中間位置處的鋼板樁上，因此選取帷幕長邊中間的鋼板樁為研究對象，如圖4所示。

圖4 研究對象位置

CS1工況下，圍堰內外土基本平衡，固可不做驗算。

CS2工況下，帷幕最大彎矩、最大應力和最大變形如圖5所示。

圖5 CS2工況下帷幕最大彎矩(kN·m)、最大應力(MPa)、最大變形(mm)

CS3工況下，帷幕最大彎矩、最大應力和最大變形如圖6所示。

圖6 CS3工況下帷幕最大彎矩(kN·m)、最大應力(MPa)、最大變形(mm)

CS4工況下，帷幕最大彎矩、最大應力和最大變形如圖7所示。

圖7 CS4工況下帷幕最大彎矩(kN·m)、最大應力(MPa)、最大變形(mm)

CS5工況下，帷幕最大彎矩、最大應力和最大變形如圖8所示。

圖8 CS5工況下帷幕最大彎矩(kN·m)、最大應力(MPa)、最大變形(mm)

各施工階段帷幕最大彎矩、最大應力和最大變形匯總數據如表3所示。

表3 圍堰帷幕各施工階段最大應力、最大變形和最大彎矩

由表3可知，圍堰帷幕最大應力出現在CS5，最大應力值為142.17MPa，小于Q235鋼的強度設計值190MPa；帷幕最大變形出現在CS5，最大變形為12.53mm，小于帷幕設計允許變形值δ=L/400=24000/400=60mm，因此PC工法組合鋼管樁圍堰帷幕強度和剛度滿足施工要求。

4.3.2內支撐受力分析結果

根據有限元模型計算分析，圍堰內支撐最不利受力情況出現在CS5工況下，其內支撐最大應力出現在圍堰第四層圍檁短邊位置處，因此選取該工況下第四層圍檁短邊為研究對象，其第四層圍檁整體應力圖和短邊圍檁最大應力圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 CS5工況下第四層圍檁整體應力(單位：MPa)

圖10 CS5工況下第四層圍檁短邊最大應力(單位：MPa)

由圖9、圖10可知，圍堰內支撐最不利受力情況下的第四層圍檁最大組合應力為σmax=185.22MPa，小于Q235型鋼的許用應力[σ]=215MPa，因此圍堰內支撐結構材料強度滿足施工要求。

5 結論

根據本工程的復雜地質、施工、經濟等條件，對比各圍堰方案優缺點，比選結果表明PC工法組合鋼管樁圍堰方案最適合該工程，因此采用PC工法組合鋼管樁圍堰進行工程施工，并通過建立MIDAS有限元模型對其圍堰形式進行計算分析，分析結果表明圍堰的強度、剛度在各個施工階段下均滿足規范要求，結構施工過程安全可靠。