拉森IV型钢板桩围堰力学特性研究

黄凌君，席海永，田尔布

(三明学院，福建三明365004)



拉森IV型钢板桩围堰力学特性研究

黄凌君，席海永，田尔布

(三明学院，福建三明365004)

摘要：钢板桩围堰在施工过程中的危险系数高，坍塌后往往会造成重大伤亡事故。以国道205线三明市区过境段工程荆东互通主线桥拉森IV型钢板桩为例，采用ANSYS软件建立钢板桩围堰模型，进行有限元仿真计算分析，并与实际监测数据比较。结果表明：该工程钢板桩围堰采用的模型和计算方法是合理的，抗弯强度满足要求，关键部位变形在容许范围之内，实际结构较为可靠。

关键词：拉森IV型；钢板桩围堰；力学特性

拉森IV型钢板桩围堰由于防水性能好，施工速度较快，施工费用低廉[1]，在工程中得到较为广泛的应用。然而，由于钢板桩围堰在河道桥墩施工过程中的危险性较高[2]，需要对围堰结构进行力学特性研究。目前，围绕钢板桩围堰体系研究取得了许多成果，但专门针对拉森IV型钢板桩围堰的研究还比较少，本文根据背景工程中拉森IV型钢板桩围堰的实际受力情况，采用ANSYS软件建立模型。按施工阶段不同，对5种工况进行加载，研究钢板桩的抗弯强度，并对2种最不利工况下的围堰内支撑位移和实际监测数据进行比较分析，研究的过程和结果可为其他类似工程提供应用参考。

1工程概况

国道205线三明市区过境段工程荆东互通主线桥起讫里程为K18+070.5～K18+651.5，桥长581 m，桥梁上部结构采用预制连续T梁(4 m×35 m)+预制连续T梁(3 m×40 m)+变截面悬浇连续箱梁(72 m+130 m+72 m)+异形箱梁(2 m×21.5 m)，其中8#主墩位于航道上，百年一遇流速1.94 m/s，设计水位139.83 m，最高通航水位136.6 m，最低通航水位132.5 m，施工期间常水位约为133.5 m。

8#墩水深约7m，承台底面标高126.2 m，顶面标高130.7 m。单幅承台尺寸为13.3 m×14.7 m×4.5 m，圆矩形，基坑深8.7 m。地质钻探发现，8#墩原河床线以下10 m内主要地层岩性为粉质黏土、卵石、砂土状强风化构造岩。经对方案的安全性、经济性、实用性、可行性、工期等方面分析比较，决定选用拉森IV型钢板桩围堰方案施工。

2拉森Ⅳ型钢板桩围堰计算资料

2.1基础资料

2.1.1河床底土层性能指标与土压力系数

河床底从上至下的土层指标见表1。

表1　土层参数表(直接快剪指标)

由以上地质资料，可计算得到各主动、被动土压力系数。根据《基坑工程手册》(第2版)[3]第14.2.3节表14-3，计算土压力强度时，应考虑板桩墙与土的摩擦作用，将板桩墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数。对被动土压力进行修正后，各土层的土压力系数见表2。

表2　修正后土压力系数表

2.1.2水流压力

取百年一遇流速1.94 m/s，流水压力沿垂直面从河面至河床呈倒三角形分布。流水压力根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)[4]第4.3.8条计算，形状系数取1.3。

2.1.3静水压力

设防水位133.5 m，静水深6.0 m，静水压力沿钢板桩由上往下呈三角形布置。

2.2拉森Ⅳ型钢板桩的技术参数

经综合考虑，采用单根长度为12 m的拉森Ⅳ型钢板桩，其技术参数如下：

1)钢板桩。宽度B=400 mm，高度h=170 mm，厚度t=15.5 mm，截面积A=96.99 cm2，重量W=76.1 kg/m，惯性矩Ix=4 670 cm4，截面模量Wx=362 cm3。Q295 钢材的弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比为0.3。

2)每延米钢板桩技术参数。重量W=190 kg/m，惯性矩Ix=38 600 cm4，截面模量Wx=2 270 cm3，半截面面积矩Sx=1 564 cm3。

2.3钢板桩支护基本结构尺寸

钢板桩材质SY295，单根长度为12 m，围堰平面尺寸为33.7 m×15.3 m，共设置2道内支撑。围堰顶高程为+134.9 m，围堰底高程为+124.9 m，封底混凝土厚1.3 m。钢板桩围堰立面图如图1，2道内支撑构造图如图2。

3钢板桩计算工况、边界条件及荷载取值

3.1计算工况

根据施工方案，围堰计算分为5种工况[5]：

1)插打钢板桩完成后，安装临时支撑。清基至封底砼底面，封底混凝土未浇筑时，围堰内、外水位持平。

2)封底混凝土达到设计强度值，拆除临时支撑，即第1层内支撑安装前。

3)第1层内支撑安装好后，抽水至第2层支撑设计位置以下10.5 m，安装第2层内支撑前。

图1　钢板桩围堰AA断面立面图(标高：m；尺寸：cm)

(a)第1层内支撑

(b)第2层内支撑

4)第2层内支撑安装好后，抽水至基坑底部，承台混凝土浇筑前。

5)承台混凝土施工完毕后，注水至承台顶面以下0.05 m，拆除第2层内支撑后。

3.2各工况下边界条件模拟和荷载取值

采用朗肯土压力理论，对砂性土按照水土分算的原则，计算得各个土层分界处(或土、水分界处)的土压力(表3)。计算时以常水位标高作为0.0 m位置，参照图1进行分层。

5种工况加载条件下，研究钢板桩抗弯强度的模型用ANSYS软件中等值梁建立，边界条件则根据钢板桩入土深度、持力层特性、支撑的作用情况来设定。主动土压力5个工况采用相同取值。

工况1为基坑开挖工况，此时钢板桩在水面以上0.5 m处设临时支撑，设钢板桩入土深度不小于2.0 m，由于持力层为稍密卵石层，抗变形能力较强，故钢板桩的抗弯强度按照顶部简支、底部固定的等值梁进行计算。计算得到剪力为0的点，该点截面处的弯矩即为钢板桩桩身的最大弯矩。由于相邻钢板桩采用扣合方式连接，取土压力分布宽度为单位宽度1.0 m。

工况2当封底混凝土达到强度设计值后，拆除临时支撑，以封底混凝土面下作为钢板桩嵌固部位，计算钢板桩内外两侧不平衡弯矩。取土压力分布为单位宽度1.0 m。

工况3抽水安装第2层支撑前，根据实际情况，当封底混凝土达到强度设计值后，在混凝土中设钢板桩为固定约束，偏安全以封底混凝土面下作为嵌固部位，对封底混凝土1/2厚度范围内的节点施加线位移约束及绕钢板桩竖向轴线的转角位移约束，在第1层支撑位置施加横向约束。

表3　土压力强度计算表

工况4抽水至基坑底，由于第1层支撑受拉，故不考虑第1层支撑的作用。在第2层支撑位置施加横向约束。

工况5注水至承台顶面以下0.05 m时，拆除第2道支撑，仅考虑第1道支撑作用。

4结果分析

4.1钢板桩的抗弯强度分析

5种工况加载条件下，钢板桩的弯矩如图3所示。

(a)工况1弯矩及反力图

(b)工况2弯矩及反力图

(c)工况3弯矩及反力图

(d)工况4弯矩及反力图

(e)工况5弯矩及反力图

4.2内支撑位移和监测数据比较研究

由以上计算可知，第1层内支撑最大支撑反力为54.4 kN(工况5)，第2层内支撑最大支撑反力为109.8 kN(工况4)，为节省篇幅，选择这2个工况内支撑顺桥向(与中间钢管平行方向)进行位移分析，如图4。云图可以显示支撑钢管和同一标高处钢板桩位移。

(a)第1层内支撑

(b)第2层内支撑

图4中可以看出第1层内支撑最大顺桥向位移出现在工况5，为17 mm，方向朝围堰内部；第2层内支撑最大顺桥向位移出现在工况4，为2.5 mm，方向也朝围堰内部。上层支撑各部位位移均大于下层支撑。这符合实际结构变形规律。

由于钢板桩围堰抗弯强度具有一定安全储备(比较计算应力和容许应力)，施工现场对结构只需采取位移监测的方法，主要进行钢板桩及内支撑水平位移(全站仪观测)、竖向沉降(水准仪观测)、基坑底隆起(水准仪观测)监测。从现场数据看，钢板桩沉降及基坑底隆起不明显，主要位移为顺桥向位移(横桥向位移偏小)，工况5第1层内支撑实测最大顺桥向位移为20 mm，工况4第2层内支撑实测最大顺桥向位移为5 mm，方向均朝围堰内部。考虑测量仪器误差，现场钢板桩变形基本与理论计算吻合，实际结构较为可靠。

5结论

对拉森IV型钢板桩围堰进行力学特性研究，经验证现场结构质量可靠，取得了预期的效果，得到如下结论：

1)本文确定的钢板桩围堰模型和计算方法是合理的，能够用来研究实际结构力学特性。

2)5种工况下，拉森IV型钢板桩均满足抗弯强度要求，且具有一定安全储备。

3)理论计算和实测结果表明，现场拉森IV型钢板桩围堰监测的重点为顺桥向位移监测。第1层内支撑最大顺桥向位移出现在工况5，第2层内支撑最大顺桥向位移出现在工况4，方向均朝围堰内部。现场钢板桩变形基本与理论计算吻合，实际结构较为可靠。

[参考文献]

[1]张校冬.拉森IV钢板桩围堰设计与施工[J].价值工程，2015(6)：131-132.

[2]梁栋，魏龙，刘向东，等.单壁钢板桩围堰体系的力学性能研究[J].河北工业大学学报，2014，43(3)：100-104.

[3]刘国斌，王卫东.基坑工程手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2009：11.

[4]中交公路规划设计院.公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]罗建华，唐娴.深水基础钢板桩围堰三维仿真验算分析[J].科技导报，2011，29(12)：62-66.

责任编辑：唐海燕

Mechanical Properties of Larson IV Type Steel Sheet Pile Cofferdam

HUANG Lingjun，XI Haiyong，TIAN Erbu

(Sanming University，Sanming 365004)

Abstract：The risk factor of steel sheet pile cofferdam construction is high,and the collapse often results in heavy casualties.The Larson IV type steel sheet pile of Jingdong interflow main bridge project in the Sanming Section of National Highway 205 taken for example,the ANSYS software is used to establish the model of steel sheet pile cofferdam,and the finite element simulation is carried out,which is later compared with the actual monitoring data.The results show that the model and the calculation method are reasonable.The bending strength of the steel sheet pile cofferdam meets the requirements of the project,the deformation of critical parts are within the allowable range,and the actual structure is more reliable.

Key words：Larson IV type;steel sheet pile cofferdam;mechanical property

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.003

收稿日期：2016- 01- 05

作者简介：黄凌君(1982—),男，工程师，一级建造师。

中图分类号：TU753.3

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)02- 0010- 06