深水基础大规模超长钢板桩围堰施工过程安全性分析_汤劲松.pdf

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1、第 卷，第期 中国铁道科学 年月 ，文章编号：（）深水基础大规模超长钢板桩围堰施工过程安全性分析汤劲松，熊保林，（石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 ；石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北 石家庄 ）摘要：以阜阳至六安铁路颍河特大桥主墩深水基础超长钢板桩围堰施工为例，考虑钢板桩、内支撑和周围土体相互作用，运用 软件，建立其三维整体有限元模型，分别对静水和流水条件下超长钢板桩围堰施工过程进行力学行为及安全性分析。结果表明：钢板桩桩身水平位移随着工序的推进不断增大，最大水平位移位于基坑开挖面附近；每道内支撑最大轴向应力出现在该道内支撑施工完成以后的第个抽水吸

2、泥工序，并随工序的推进而波动变化；施工过程中应该特别注意最后个工序的施工安全；流水压力对钢板桩围堰的影响主要体现在迎水面的钢板桩桩身水平位移有所增大；基底抗隆起和围堰整体抗倾覆安全系数均满足相关规范要求，施工过程结构是安全的。关键词：钢板桩围堰；施工过程；力学行为；安全性；数值模拟；深水基础；桥梁工程中图分类号：；文献标识码：收稿日期：；修订日期：基金项目：上海铁路局科研计划项目（）作者简介：汤劲松（），男，安徽桐城人，副教授，博士。钢板桩围堰以其施工速度快、效率高、成本低、止水效果好等特点，广泛应用于桥梁深水基础低桩承台施工的防水围堰。目前，钢板桩围堰的设计方法大多采用传统的土与围堰结构分离

3、的计算方法，设计计算大多采用平面几何模型及简化力学模型，缺少空间整体分析；有些采用有限元方法，也是把水压力和土压力作为外荷载考虑，选取几个工序对钢板桩围堰结构进行有限元分析。这种设计计算方法是基于简化假定和工程经验，只能在一定程度上满足设计要求，不能反映其施工全过程的力学行为。同时，钢板桩围堰在施工期受静水压力、土压力、流水压力等诸多荷载作用，且桩土间存在复杂的相互作用问题，经验算法带有很大的近似性，有时会出现较大的偏差。本文以新建阜阳至六安铁路颍河特大桥深水基础大规模超长钢板桩围堰施工为例，考虑钢板桩、内支撑和周围土体相互作用，应用 软件，建立其三维整体有限元模型，进行静水和流水条件下超长钢

4、板桩围堰施工全过程的力学行为及安全性分析。工程概况新建阜阳至六安铁路颍河特大桥位于安徽省阜阳市境内，设计采用一联（）连续梁跨越颍河主航道，主墩基础（编号分别为 和）为 根 群桩基础，设计桩长；考虑通航要求采用低桩承台，承台平面尺寸为 ；主墩河床面标高分别为 和 ，承台底面标高分别为 和 。根据地质勘察报告，主墩处主要地层岩性特征自上而下分别为粉砂、下覆粉质黏土和粉土交替分布。除粉砂层下第层粉质黏土为软塑、局部硬塑外，其他粉质黏土呈硬塑状。颍河特大桥深水基础钢板桩围堰设计为矩形，平面尺寸为 ，规模较大，如图所示。采用拉森 型钢板桩，设计长度为。钢板桩桩顶标高为 ，桩尖标高为 。围堰从上到下设道支

5、撑，第道至第道围檩与内支撑均由单排 型钢 组成，支撑中钢板桩专家 东合南岩土 心线标高分别为 ，和 ；第道至第道围檩及内支撑均由双拼 型钢 组成，支撑中心线标高分别为 ，和 。在上部道支撑之间设置剪刀撑（角钢 ）和竖撑（），将各道支撑连成整体，以提高钢板桩围堰的整体刚度。其设计断面如图所示。图 钢板桩围堰平面布置（单位：）图 钢板桩围堰设计断面（单位：）钢板桩围堰施工过程模拟 分析模型的建立由于 墩河床面较高，标高为 ；同时，该墩承台底面标高相对较低，为 ，施工过程中钢板桩围堰受到的土水压力较大，因此，数值模拟以 墩为研究对象。考虑到围堰开挖对周围环境的影响，要求计算模型的侧面边界到钢板桩的平

6、面距离不小于围堰开挖深度的倍。土体三维有限元模型的边界范围为：以钢板桩围堰的长边为方向，取 ；以钢板桩围堰的短边为方向，取 ；以钢板桩围堰的深度为方向，取。钢板桩采用 软件中 壳单元模拟；围檩和内支撑采用 梁单元进行模拟；土体采用 三维实体单元模拟，根据地质勘察报告，将土体的计算模型从上到下划分为层。有限元模型共划分单元 个，其中钢板桩单元 个，围檩和内支撑单元 个，土体单元 个。考虑桩土相互作用的钢板桩围堰三维整体有限元模型如图所示。图 钢板桩围堰三维整体有限元模型计算采用的边界条件为约束计算模型侧面边界方向和方向的水平位移，约束模型的下部边界方向的竖向位移，河床表面为自由边界。计算参数的确

7、定计算过程中，土层采用弹塑性模型，并服从 破坏准则。土层的物理力学参数根据地质勘察报告选取，见表。钢板桩、围檩和内支撑采用理想线弹性模型，表 土层的物理力学参数层号岩性重度（）饱和重度（）浮重度（）黏聚力 内摩擦角（）变形模量 泊松比 粉砂 粉质黏土 粉土 粉质黏土 粉土 粉质黏土 夹粉土 粉土 粉砂 第期 深水基础大规模超长钢板桩围堰施工过程安全性分析钢板桩专家 东合南岩土 弹性模量为 ，泊松比为 。由于个钢板桩间的缝隙受摩擦力控制，根据以往经验，围堰的刚度按复合桩墙的刚度折减 与实际情况较为吻合 ，因此，将钢板桩的弹性模量取为原来的一半，即为 。拉森 型钢板桩设计应力 容 许 值 为 ；围

8、 檩 和 内 支 撑 采 用 钢材，设计应力容许值为 。垫层混凝土也采用线弹性模型，根据 混凝土结构设计规范 的规定，其弹性模量取为 ，泊松比取为 。施工过程的模拟河床面标高为 ，位于颍河特大桥深水基础 墩围堰的第道和第道支撑之间。在逐层抽水吸泥并施加内支撑到第道支撑后，继续抽水吸泥开挖到承台底面以下 ，灌注 混凝土 作为垫层，干法施工承台。具体模拟的施工工序如下：（）钢板桩顶面标高为 ，钢板桩插打完毕后，围堰外水位标高为 。安装第道内支撑，支撑中心线标高 。安装好第道内支撑后，围堰内抽水至标高 处；此时，围堰外水位为 。（）安装第道内支撑及剪刀撑和竖撑，支撑中心线标高为 。安装好第道内支撑后

9、，围堰内抽水至标高 处；此时，围堰外水位为 。（）安装第道内支撑及剪刀撑和竖撑，支撑中心线标高为 。安装好第道内支撑后，围堰内抽水并吸泥至标高 处；此时，围堰外水位为 。（）安装第道内支撑及剪刀撑和竖撑，支撑中心线标高为 。安装好第道内支撑后，围堰内抽水并吸泥至标高 处；此时，围堰外水位为 。（）安装第道内支撑及剪刀撑和竖撑，支撑中心线标高为 。安装好第道内支撑后，围堰内抽水并吸泥至标高 处；此时，围堰外水位为 。（）安装第道内支撑，支撑中心线标高为 。安装好第道内支撑后，围堰内抽水并吸泥至标高 处，施工垫层混凝土，厚度为 ；此时，围堰外水位为 。（）垫层混凝土施工完毕后，进行承台下半部分浇筑

10、施工。当承台下半部分施工完毕后，往承台与钢板桩围堰间的间隙填砂夹石至标高 处，在支撑对应位置砂夹石上浇筑 厚、宽的 混凝土；当混凝土强度达到 后，拆除第道支撑的外露部分，拆除后继续在承台与钢板桩围堰间的间隙填砂夹石至标高 ，拆除第道支撑的内部斜撑杆，然后进行上部承台的钢筋绑扎和混凝土浇筑。此时，围堰外水位为 。施工过程模拟计算时，先对土体在自重应力条件下进行求解，得到模型的初始状态。再设置钢板桩进行稳定求解，得到钢板桩插打合龙以后的状态，并对计算模型的位移清零。采用生死单元功能按照每道支撑的施工顺序，依次激活各道支撑，实现对支撑的模拟。每道支撑是在钢板桩水平位移发生以后施加上去，计算中通过改变

11、节点坐标模拟。抽水引起的水位变化采用水压力以外荷载的方式施加给钢板桩，吸泥开挖采用土单元的生死功能模拟。静水条件下钢板桩围堰施工过程力学行为分析静水条件下，在钢板桩围堰施工过程中的每道支撑安装后的抽水吸泥开挖时，由于作用荷载的变化，通常引起钢板桩与内支撑的变形和应力发生变化，因此，在计算结果分析中，主要针对钢板桩桩身水平位移及其应力以及支撑系统轴向应力随工序的变化情况进行分析。钢板桩桩身水平位移分析计算结果表明，各工序条件下的桩身水平位移基本上都在钢板桩围堰矩形各边中心线的位置较大。个工序条件下，垂直于围堰的短边的方向中心线和垂直于围堰长边的方向中心线钢板桩的桩身水平位移如图所示。图中取钢板桩

12、的顶部为坐标原点，钢板桩桩长自上向下为正，桩身水平位移以向钢板桩围堰内部变形为正。由图可知，在土压力与水压力的共同作用下，随着工序的推进，钢板桩的桩身水平位移不断增大。由于钢板桩顶部有长 的部分没有受到荷载作用，下部受力将引起顶部向外扩张的趋势，即顶部一小部分桩身水平位移为负；钢板桩顶部方向与方向水平位移趋势有所不同，原因在于钢板桩围堰是长方形的，垂直于方向作用面要大于垂直于方向作用面，两者面积比为 中国铁道科学第 卷钢板桩专家 东合南岩土 。因此，在等压应力作用下，方向作用面受到的荷载要大于方向作用面受到的荷载，导致方向作用面受到较大的挤压作用，引起方向作用面向外扩展。同理，钢板桩方向的最大

13、水平位移大于方向的最大水平位移。图 施工过程中钢板桩的桩身水平位移 个工序下钢板桩方向中心线的桩身水平位移和方向中心线的桩身水平位移曲线基本上比较光滑，桩身水平位移最大值集中在桩顶以下 间，位于钢板桩的中下部。随着施工的进行，抽水吸泥开挖的深度增加，钢板桩最大水平位移的位置不断下移。第工序下钢板桩的最大水平位移为 ，位置在钢板桩顶面以下 处；第工序下钢板桩的最大水平位移为 ，位置在钢板桩顶面以下 处；第工序下钢板桩的最大水平位移为 ，位置在钢板桩顶面以下 处；第工序下钢板桩的最大水平位移为 ，位置在钢板桩顶面以下 处；第工序下钢板桩的最大水平位移为 ，位置在钢板桩顶面以下 处；第工序下钢板桩的

14、最大水平位移为 ，位置在钢板桩顶面以下 处；第工序下钢板桩的最大水平位移为 ，位置在钢板桩顶面以下 处。这些 水 平 位 移 都 小 于 桩 身 允 许 水 平 位 移 。随着开挖深度的增加，钢板桩的桩身水平位移最大值增量在开始是增大的，最后又有所减小。增量从第工序的 ，逐渐增加到第工序的最大值 ，再减小到第工序的最小值 。各工序桩身水平位移的增量占最终位移的比例分别为 ，和 。要特别重视控制第工序钢板桩的桩身水平位移，其次是第工序。钢板桩应力分析钢板桩的桩身应力如果超过材料的容许应力，有可能导致钢板桩发生破坏而引起整个围堰失稳破坏。由计算结果的桩身应力分布云图可知，各工序下钢板桩应力的最大值

15、均集中在围堰的个阳角处，这是阳角处应力集中的结果。考虑到计算模型和边界条件的对称性，取个阳角为研究对象，施工过程中桩身应力的变化情况如图所示。图 施工过程中钢板桩桩身应力的变化情况由计算结果可见，钢板桩应力随着施工的推进是波动变化的，个工序下钢板桩应力的最大值分别 为 ，和 ，均远小于钢板桩材料的容许应力 。从钢板桩应力看，也是第工序最大，其次是第工序，因此施工中应特别注意这个工序的安全。支撑系统轴向应力分析在钢板桩与支撑系统的相互作用过程中，围檩和内支撑的受力情况对判断围堰结构的整体稳定性非常关键。支撑系统发生破坏有可能导致整个围堰结构失稳破坏。考虑到模型的对称性，取模型对支撑应力进行分析。

16、内支撑杆件的位置编号如图所示。各工序对内支撑轴向应力的影响如图图 所示，图中内支撑轴向应力以拉应力为正，压应力为负。从图图 可以看到，下部各层支撑的安装对其上部内支撑轴向应力的影响较大。由于第道内支撑位于水面以上，除了第工序受到压应力第期 深水基础大规模超长钢板桩围堰施工过程安全性分析钢板桩专家 东合南岩土 图 内支撑位置的编号图 第道内支撑轴向应力的变化图 第道内支撑轴向应力的变化图 第道内支撑轴向应力的变化作用以外，后个工序各个内支撑杆件受到的应力都是拉应力（钢板桩与支撑之间焊接连接），且数值都比较小，最大值为 。其他各层内支撑位于水面以下，在水、土压力的共同作用下基本上都受压。位于河床面

17、以上的第道和第道内支撑在内支撑安装完成并抽水后的第工序，内支撑受到的轴向应力较大，随着其他后续内支撑的安装，其应力均有所减小，不到最大值的一半，最后达到相对稳定并随工序推进波动变化。位于河床面以下的第道和第道内支撑应力，随着工序的推进也呈现波动变化的特征，但变化范围不大；最大应力值也是出现在内支撑安装以后的第个抽水吸泥工序。图 第道内支撑轴向应力的变化图 第道内支撑轴向应力的变化图 第道内支撑轴向应力的变化对于各层内支撑而言，在个工序下，每层内支撑的最大应力值都是在平行于钢板桩围堰短边的中心内支撑杆件上。在各个工序下，其值分别为：第层内支撑为 ，受拉，出现在第工序；第层内支撑为 ，受压，出现在

18、第工序；第层内支撑为 ，受压，出现在第工序；第层内支撑为 ，受压，中国铁道科学第 卷钢板桩专家 东合南岩土 出现在第工序；第层内支撑为 ，受压，出现在第工序；第层内支撑为 ，受压，出现在第工序；这些值都小于支撑材料的容许应力 。最大内支撑轴向应力仍在第工序，其次为第工序，施工中应特别注意这个工序的安全。静水条件下的钢板桩围堰安全性分析以上计算结果表明，施工过程中，钢板桩的桩身水平位移和应力以及支撑系统轴向应力均不超过其容许值，结构的安全性是能够得到保证的。由于施工过程中没有进行水下封底混凝土施工，为了保证基坑开挖的安全，有必要验算基底抗隆起稳定性。根据 建筑地基基础设计规范 的规定，计算得到的

19、基底抗隆起安全系数满足规范要求。模拟计算结果与现场监测数据的对比分析施工过程中，对钢板桩围堰的工作性状进行了实时监测，监测项目包括桩顶位移、桩身水平位移、内支撑轴力、围堰内外水位等。限于篇幅，此处仅将桩身水平位移的计算结果和监测数据进行对比。由于施工的影响，桩身水平位移的测斜管埋设深度在桩顶以下。垂直于长边的方向中心线钢板桩实测桩身水平位移如图 所示。为便于对比，将图（）方向中心线的桩身水平位移计算结果经变换以得到对应于桩顶以下 处水平位移，结果如图 所示。图 不同工序钢板桩方向中心线桩身水平位移监测值比较图 和图 可知，数值计算和现场监测的结果都表明，随着施工的进行，钢板桩桩身的相对水平位移

20、一直在增大，其沿钢板桩的桩身分布和随工序的变化规律基本一致。图 不同工序钢板桩方向中心线桩身水平位移计算值 流水条件下的钢板桩围堰安全性分析钢板桩围堰作为桥梁基础承台施工时的临时阻水结构，其施工期通常耗时几个月，甚至更长，在这期间可能会受到洪水的威胁。这种情况下，钢板桩围堰受到的荷载不仅有静水压力和土压力，还有流水压力的作用，因此，有必要对钢板桩围堰在流水压力作用下的安全性进行评估。根据 阜六铁路颍河特大桥工程防洪评价报告，桥址处颍河百年一遇设计洪水最大流速 ，五年一遇设计洪水平均流速为 。采用百年一遇设计洪水最大流速，根据 公路桥涵设计通用规范 中有关流水压力的公式，计算作用在钢板桩围堰上的

21、流水压力，将流水压力作用在围堰的迎水面上，对钢板桩围堰在流水压力作用下的水平位移和应力进行有限元分析。结果表明：颍河特大桥百年一遇的洪水最大流速对钢板桩围堰的水平位移和应力影响均较小，不会对围堰的安全造成影响。流水压力对钢板桩桩身水平位移的影响主要体现在迎水面的钢板桩水平位移有所增大，垂直于迎水面方向的钢板桩水平位移几乎不变；而流水压力对钢板桩和内支撑的应力影响均不大。在流水压力作用下，钢板桩围堰整体有倾覆的趋势，应对其整体稳定性进行分析。作用在钢板桩上的流水压力可简化为作用在迎水面上的集中力来计算围堰的整体抗倾覆安全系数。计算结果表明，围堰整体抗倾覆安全系数满足规范 要求。结论（）根据颍河特

22、大桥桥址处的地质条件，采取自上而下依次施工内支撑，最后采用 混凝土垫层作为承台施工平台的钢板桩围堰施工方案是第期 深水基础大规模超长钢板桩围堰施工过程安全性分析钢板桩专家 东合南岩土 可行的。有限元计算结果表明，钢板桩桩身水平位移和应力以及内支撑系统轴向应力都小于容许值；基底抗隆起和围堰整体抗倾覆稳定分析均满足安全要求。（）随着工序的推进，钢板桩桩身水平位移不断增大，桩身水平位移增量较大的工序在接近承台底面的最后个施工步，施工过程中应特别注意这个施工步的安全。（）作用在每层内支撑上的轴向压应力并不随着围堰内水位的下降而逐渐增大，其最大值出现在该层内支撑施工完成以后的第个抽水吸泥工序，并随工序的

23、推进呈波动变化。（）内支撑轴向压应力最大值出现在最后一道支撑（第道支撑），在内支撑施工完成以后抽水吸泥至垫层混凝土底面位置的工序。（）流水压力对钢板桩桩身水平位移的影响主要体现在迎水面的钢板桩水平位移有所增大，而垂直于迎水面方向的钢板桩水平位移几乎不变；流水压力对钢板桩和内支撑的应力影响均不大。参考文献侯永茂，王建华，顾倩燕大跨度双排钢板桩围堰的变形特性分析 上海交通大学学报，（）：，（，（）：，）张玉成，杨光华，姜燕，等软土地区双排钢板桩围堰支护结构的应用及探讨 岩土工程学报，（增）：（，（）：）戴建国，费永成，王遂，等锚拉式钢板桩坞壁原体观测研究 岩土工程学报，（）：（，（）：）李仁民，杨

24、文俊深基坑浅嵌固钢板桩在红砂岩地质中的设计与应用 岩土工程学报，（增）：（，（）：）张国军浍河特大桥钢板桩围堰的有限元分析 国防交通工程与技术，（）：（，（）：）苗兰弟桥梁承台钢板桩围堰设计验算 徐州建筑职业技术学院学报，（）：，（，（）：，）吴清，尹浩辉模拟施工过程的官洲河特大桥钢板桩围堰分析计算 铁道建筑，（）：汤劲松，朱延翰特殊地质条件下超长钢板桩插打施工技术 施工技术，（）：（，（）：）张骏超长钢板桩围堰合理内支撑施工方案 石家庄铁道大学学报：自然科学版，（）：（：，（）：）骆冠勇，曹洪，潘泓，等新光大桥桥墩钢板桩围堰的优化设计与监测 华南理工大学学报：自然科学版，（）：（，：，（）：中国铁道科学第 卷钢板桩专家 东合南岩土 ）潘泓，曹洪，尹一鸣广州猎德大桥钢板桩围堰的设计与监测 岩石力学与工程学报，（）：（，（）：）中华人民共和国建设部 混凝土结构设计规范 北京：中国建筑工业出版社，（：，）中华人民共和国建设部 建筑地基基础设计规范 北京：中国建筑工业出版社，（：，）中交公路规划设计院 公路桥涵设计通用规范 北京：人民交通出版社，（：，），（，；，）：，：；（责任编辑吴彬）第期 深水基础大规模超长钢板桩围堰施工过程安全性分析钢板桩专家 东合南岩土