橋梁基礎(chǔ)鋼板樁圍堰安全性評(píng)估

摘要：以某項(xiàng)目為研究背景，通過有限元軟件對(duì)橋梁基礎(chǔ)雙排鋼板樁圍堰的位移、彎矩、剪力和土壓力分布展開分析，對(duì)橋梁基礎(chǔ)鋼板樁圍堰的安全性評(píng)估展開研究。研究結(jié)果表明，導(dǎo)流工況下的雙排鋼板樁圍堰的水平位移最大，且樁頂處水平位移最大值達(dá)到101mm，擋水前鋼板樁圍堰最大水平位移發(fā)生在距離樁底7～10m，導(dǎo)流工況相比與另外兩種工況位移值增大了278.69%。左側(cè)鋼板樁主要是地上部分樁體在承擔(dān)受力，而右側(cè)鋼板樁主要是地下部分樁體在承擔(dān)受力。鋼板樁圍堰在施工工況下并非為主動(dòng)土壓力和靜止土壓力，而是介于兩者之間。導(dǎo)流工況下的土壓力介于靜止土壓力與被動(dòng)土壓力之間，但更貼近靜止土壓力。

關(guān)鍵詞：鋼板樁；圍堰；位移；彎矩；土壓力

0 引言

在橋梁設(shè)計(jì)與施工過程中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性顯得尤為重要。其中，橋梁基礎(chǔ)鋼板樁圍堰作為常見的基礎(chǔ)支撐形式，承擔(dān)著承臺(tái)或橋墩的荷載傳遞和承托功能。橋梁基礎(chǔ)鋼板樁圍堰具備一定的特殊性和復(fù)雜性，對(duì)其安全性評(píng)估是確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。潘泓[2]研究兩種不同工序施工過程中，鋼板樁圍堰的變形及內(nèi)力不同特性，提出修正施工工序有助于大幅降低鋼板樁圍堰的變形及彎矩，充分調(diào)動(dòng)整體的協(xié)調(diào)性和安全性。張玉成[3]在傳統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)新型的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能展開有限元數(shù)值模擬，提出了一個(gè)簡化計(jì)算模型。通過對(duì)新型的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)力和位移展開數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了簡化模型的可靠性。湯勁松[4]以大橋主墩深水基礎(chǔ)超長鋼板樁圍堰施工為依托，利用ANSYS軟件研究了在靜水和流水兩種工況下鋼板樁、內(nèi)支撐和土體相互作用，發(fā)現(xiàn)鋼板樁樁身的最大水平位移在開挖面附近，流水壓力會(huì)增大迎水面的鋼板樁的水平位移。

上述研究雖然從多角度對(duì)橋梁基礎(chǔ)鋼板樁圍堰的受力和位移展開了分析，但仍未明確橋梁基礎(chǔ)雙排鋼板樁圍堰的內(nèi)在受力機(jī)理。為此本文以某項(xiàng)目為研究背景，通過有限元軟件對(duì)橋梁基礎(chǔ)雙排鋼板樁圍堰的位移、彎矩、剪力和土壓力分布展開研究，明確其內(nèi)在受力機(jī)理，確保其安全性。

1 工程概況

某工程項(xiàng)目位于某主航道，采用20根直徑為2m、長88m的樁組成基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸為24.7m×19.4m，土層自上而下由粉砂、黏土和粉土。橋梁基礎(chǔ)雙排鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)為矩形，尺寸為28m×22.4m，選用拉森Ⅳ型鋼板樁長30m，共6道支撐，前3道支撐的中心線高分別為27.46m、24.46m、21.46m，由H40c型鋼組成；后3道由2H40c型鋼組成，標(biāo)高分別為18.66m、15.86m和13.36m。

2 數(shù)值模擬參數(shù)確定

為減少邊界效應(yīng)的影響，至少需保證邊界到鋼板樁圍堰的距離大于埋深的3倍。鋼板樁圍堰的尺寸為196m×190m×40m，采用殼單元模擬鋼板樁圍堰，采用梁單元模擬支撐，并采用應(yīng)變硬化模型模擬土體。

土體重度為19kN/m3，飽和重度為19kN/m3，浮重度為9.1kN/m3，粘聚力為15.9kPa，內(nèi)摩擦角為23.6°，變形模量為6.6MPa，泊松比為0.32，折減系數(shù)為0.75。有限元網(wǎng)格共劃分113520個(gè)單元，其中包含7112個(gè)鋼板樁圍堰單元和2328個(gè)支撐單元，以及104080個(gè)土單元。約束模型側(cè)面邊界的水平位移和橫向位移，約束底部邊界的豎向變形。

3 受力變形及安全穩(wěn)定性評(píng)估方法

3.1 鋼板樁圍堰的水平位移

3.1.1 導(dǎo)流工況下鋼板樁圍堰的水平位移

圖1顯示了在施工工況、導(dǎo)流工況和永久工況下，雙排鋼板樁圍堰的左右鋼板樁的水平位移變化情況。其中左鋼板為迎水鋼板，右鋼板為基坑鋼板。由圖1可知，3種工況中，導(dǎo)流工況下的雙排鋼板樁圍堰的水平位移最大，且在樁頂處水平位移值最大為101mm，而永久工況和施工工況下的水平位移幾乎一致。

在導(dǎo)流工況下，水流沖擊力對(duì)雙排鋼板樁圍堰施加較大水平荷載。這種水平荷載作用導(dǎo)致樁頂處承受較大水平力，進(jìn)而導(dǎo)致樁體發(fā)生較大水平位移。由于樁頂是雙排鋼板樁圍堰的最上方，水平荷載在該位置的作用最為明顯，因此在樁頂處水平位移值最大。相比之下，永久工況和施工工況下的水平位移較小且?guī)缀跻恢隆?/p>

3.1.2 永久工況下鋼板樁圍堰的水平位移

永久工況下的水平力主要來自土壓力、結(jié)構(gòu)自重等靜力作用，而施工工況下的水平力主要來自于施工過程中的挖掘、澆筑等荷載。這些荷載相對(duì)較小且對(duì)整個(gè)樁體均勻分布，導(dǎo)致水平位移相對(duì)較小且在整個(gè)樁體上相對(duì)一致。

在擋水前，鋼板樁圍堰最大水平位移發(fā)生在距離樁底7～10m，導(dǎo)流工況相比與另外兩種工況的位移值增大了278.69%。這是由于鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)中距離樁底7～10m位置，相對(duì)于其他區(qū)域更加接近樁底，承受了較大水平荷載，因此其水平位移也相對(duì)較大。

相對(duì)而言，其他工況下（如永久工況和施工工況），水流沖擊力較小或不考慮水流荷載，因此產(chǎn)生的水平位移較小。而在導(dǎo)流工況下，水流沖擊力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響，導(dǎo)致較大的水平位移，相比其他工況增加了278.69%的位移值。

3.2 鋼板樁圍堰的彎矩

3.2.1 各工況下鋼板樁圍堰的彎矩變化情況

圖2顯示了在施工工況、導(dǎo)流工況和永久工況下，雙排鋼板樁圍堰的左右鋼板樁的彎矩隨深度的變化情況。由圖2可知，從樁頂?shù)綐兜?，左?cè)的鋼板樁有3塊區(qū)域承受正彎矩，2塊區(qū)域承受負(fù)彎矩，最大正彎矩為223kN·m，最大負(fù)彎矩為346kN·m。

分析認(rèn)為，左側(cè)的鋼板樁主要是地上部分的樁體在承擔(dān)受力，而右側(cè)的鋼板樁主要是地下部分的樁體在承擔(dān)受力。相較于其他兩種工況，永久工況條件下的的鋼板樁的彎矩值最大相較于施工工況而言增幅14.19%。

3.2.2 各工況下鋼板樁圍堰彎矩荷載變化機(jī)理

在永久工況下，鋼板樁圍堰承受的荷載會(huì)有所改變。永久工況包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力和其他永久性荷載等。相比之下，施工工況下的荷載通常主要是臨時(shí)荷載，如挖掘和澆筑荷載等。

永久工況下的荷載是持久存在的，可能會(huì)導(dǎo)致鋼板樁在承受荷載時(shí)產(chǎn)生更大的彎矩。在永久工況下，土體可能會(huì)發(fā)生長期壓實(shí)和變形，對(duì)鋼板樁產(chǎn)生較大的側(cè)向力。這些側(cè)向力會(huì)導(dǎo)致鋼板樁產(chǎn)生更大的彎曲變形，增加彎矩值。

永久工況下，土體的長期壓實(shí)和變形可能導(dǎo)致鋼板樁在水平方向上發(fā)生較大的位移。這種位移會(huì)導(dǎo)致樁體承受更大的彎矩。由于在永久工況下，土體的變形較大且比較持久，所以在右側(cè)的地下部分鋼板樁受力較大，彎矩值相對(duì)較高。

永久工況下，地下水的壓力可能對(duì)鋼板樁產(chǎn)生額外的力和彎矩。地下水壓力會(huì)對(duì)右側(cè)地下部分的鋼板樁產(chǎn)生側(cè)向力和彎矩，使其承受更大的受力情況。

綜上所述，相較于施工工況，在永久工況下，左側(cè)地上部分的鋼板樁和右側(cè)地下部分的鋼板樁都會(huì)受到一定的力和彎矩。永久工況下的荷載、土體變形、水平位移以及地下水壓力可能相互作用，導(dǎo)致右側(cè)地下部分鋼板樁承受更大的彎矩值，使其相對(duì)于施工工況增大14.19%的彎矩值。這種差異可能是由永久工況下不同的荷載特點(diǎn)和土體行為引起的。

3.3 鋼板樁圍堰的剪力

3.3.1 各工況條件下鋼板樁圍堰受力情況

圖3顯示了在施工工況、導(dǎo)流工況和永久工況下，雙排鋼板樁圍堰的左右鋼板樁的剪力隨深度的變化情況。由圖3可知，右板樁的剪力大于左板樁，且在導(dǎo)流工況下最大，尤其是在樁底附近的剪力變化差異最明顯。

在施工工況下，右板樁的樁底剪力由88.58kN增加到117.98kN，變化幅度為33.19%，導(dǎo)流工況下增幅為121.24%，左側(cè)鋼板的最大剪力由173.56kN減小至141.21kN，降幅為22.91%。

3.3.2 各工況下鋼板樁圍堰剪力變化機(jī)理分析

在導(dǎo)流工況下，水流的沖擊力主要作用于右側(cè)鋼板樁，由于水流方向與右板樁平面垂直，導(dǎo)致右側(cè)鋼板樁承受較大的水平剪力。而左側(cè)鋼板樁由于水流方向與其平面平行，所以承受的水平剪力較小。

在導(dǎo)流工況下，右側(cè)鋼板樁承受的水平荷載會(huì)導(dǎo)致土體產(chǎn)生反力。這些反力主要作用于右側(cè)鋼板樁，并增加了其承載的剪力。而左側(cè)鋼板樁由于水流荷載與其平面平行，土體反力較小，導(dǎo)致剪力相對(duì)較小。

導(dǎo)流工況下水流沖擊作用主要在右側(cè)鋼板樁附近，尤其是在樁底附近。由于右側(cè)鋼板樁負(fù)責(zé)承擔(dān)較大的水平荷載，尤其是位于樁底附近，因此其承受的剪力值較大。

在施工工況下，右側(cè)鋼板樁的樁底剪力由88.58kN增大到117.98kN，變化幅度為33.19%。這是由于施工工況下施加的荷載，如挖掘和澆筑荷載，使得右側(cè)鋼板樁承受的剪力增加。相比之下，左側(cè)鋼板由于水流流向和土體反力對(duì)左板樁產(chǎn)生較小的水平剪力，并導(dǎo)致其剪力值相對(duì)減小。

3.4 鋼板樁圍堰的土壓力

圖4和圖5顯示了分別在施工工況和導(dǎo)流工況下，雙排鋼板樁圍堰的左右鋼板樁承受的土壓力變化情況。從圖4、圖5可以看出，施工工況下左右鋼板樁的土壓力變化情況基本一致，隨著深度的增加先增后減。鋼板樁圍堰在施工工況下的土壓力是介于主動(dòng)土壓力和靜止之間。在導(dǎo)流工況下的左側(cè)鋼板樁的土壓力略大于右側(cè)鋼板樁，但兩者整體的變化規(guī)律基本一致。在導(dǎo)流工況下的土壓力介于靜止土壓力與被動(dòng)土壓力之間，但更貼近靜止土壓力。

分析認(rèn)為，在導(dǎo)流工況下，水流沖擊力對(duì)土體和鋼板樁都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反作用力。土體受到水流沖刷和擠壓，產(chǎn)生一定的土壓力，而鋼板樁則會(huì)受到水流的沖擊力和反作用力。這種土壓力與剪力的相互作用會(huì)影響鋼板樁圍堰的土壓力分布。由于土壓力受水流沖擊力的影響，減小了與土體位移有關(guān)的主動(dòng)土壓力成分，導(dǎo)致其更趨近于靜止平衡狀態(tài)下的土壓力。

4 結(jié)束語

本文以某主航道為研究背景，通過有限元對(duì)橋梁基礎(chǔ)雙排鋼板樁圍堰的位移、彎矩、剪力和土壓力分布展開研究，具體結(jié)論如下：

導(dǎo)流工況下的雙排鋼板樁圍堰的水平位移最大，在樁頂處水平位移最大值為101mm，而永久工況和施工工況下的水平位移幾乎一致。在擋水前鋼板樁圍堰的最大水平位移發(fā)生在距離樁底7～10m，導(dǎo)流工況相比與另外兩種工況的位移值增打了278.69%。

左側(cè)的鋼板樁主要是地上部分的樁體在承擔(dān)受力，而右側(cè)的鋼板樁主要是地下部分的樁體在承擔(dān)受力，永久工況條件下的鋼板樁的最大彎矩值相較于施工工況增大14.19%。

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