基于有限元的钢板桩围堰设计方案分析

邓鲲鹏

(江苏河海科技工程集团有限责任公司,江苏 泰州 230031)

0 前 言

船坞围堰结构设计是船坞设计的关键,对船坞主体工程的质量与进度,以及工程投资有直接影响。钢板桩围堰以其整体刚度大,打、拔桩容易,施工速度快,且回收率高,节省成本,具有良好的防水性能,可用于水下施工,适用于场地狭小、无条件做止水帷幕等优点被工程广泛采用[1]。钢板桩围堰类似多层锚(撑)支护结构,锚(撑)位置不同,其土压力分布和墙板内力也各不相同。支护结构内力计算方法因考虑因素、假定条件的不同,产生了多种计算方法,1/2分割法、太沙基法、假想梁法、弹性支撑法及共同变形法等[2]。

随着有限元技术在渗流计算方面的不断发展,本文结合实际工程利用数值实验,分析钢板桩在不同的打入位置和入土深度下渗流场的变化,分析其对围堰边坡稳定性的影响,为工程建设施工提供依据。

1 工程简介

1.1 工程概况

启东丰顺修造船基地项目围堰工程施工拟在长江船厂江边进行,近坞口部分水下地形高程0.00～-5.00 m,地形坡降较大。近坞口部分地基土上部土体主要由松散状态的1-1层冲填土、低强度高压缩性的淤泥性土1-a、2-2层、3层分布,且淤泥质土极易流变,不利于堰体、抗滑和沉降稳定。围堰施工前必须对淤泥质土进行加固处理,以增强地基的稳定性,围堰外侧江底可铺设块石进行护底。现长江一道大堤采用砌石护岸,底角处均为抛石,现围堰砂袋护岸处底部均为抛石且均向长江方向延伸约15 m～25 m,另位于船坞及1#船台之间长江水域部位分布一丁字坝,丁字坝自现围堰砂袋护岸处向长江方向延伸约30 m。长江岸线在场地西侧,仍为原自然状态,东侧已进行了在一道大堤与长江外侧100 m左右围堰吹填,现状高程与本场地基本一致。

1.2 工程地质条件

围堰钢板桩插入深度及帷幕灌浆深度需进行专项设计确定。设计中涉及的坡体支护参数如表1所示。支护防渗深度应进入5-2层土。

表1 坡体支护参数表

场区地下水水位受长江涨落潮影响较大且呈季节性变化。长江口外为正规半日潮,口内则为非正规半日浅海潮,一涨一落的历时平均为12 h 25 min。一个太阴日(24 h 50 min)有两涨两落,并有日潮不等现象。当潮波进入长江口后,由于受到河床的阻力和径流的顶托而发生变形,愈向上游前坡愈陡,后坡愈缓,所以涨潮历时愈向上游愈短,而落潮历时愈长。长江口内的涨潮历时一般为4 h左右,落潮历时一般为8 h左右。勘察期间测得长江水高潮位1.80 m,低潮位 -0.80 m,潮差一般 2.00 m;根据2008年6月15日统一测得场地孔隙潜水初见水位高程0.70 m～1.40 m,稳定水位高程0.80 m～1.50 m。呈南高北低趋势,坡降由北向南渐增。梅雨期间孔隙潜水水位接近孔口。

2 围堰设计方案

钢板桩施工工艺为:施工准备,场地平整→打设钢板桩→第一次开挖(深约2 m)→设置围檩支撑→第二次开挖,挖至基坑底设计高程→基坑底设置混凝土止水帷幕→承台施工,回填碎石→拆除围檩支撑→拔钢板桩[3]。在软弱土地基上用钢板支护结构在计算上较难,这是由多方面原因造成的。钢板桩具有很大的刚度,有足够的抗弯和抗剪能力,但是,钢板桩的断面很小,单薄重量轻。并且它是有规格尺寸要求,长度是特定的。不能像土工材料做成的桩可以随心所欲决定长度。在软弱土的巨大水平推力的倾覆力矩作用下,钢板桩自身不具备由重力引起的反倾覆矩,所以,单排的钢板桩支护在软弱土中不具有优势[4-5]。因此,一般在软弱土地区除非不得已不轻易采用这种支护形式。结合本工程的施工特点及经济效率,围堰的支护措施采用摆喷防渗墙、地连墙及单排钢板桩相结合的方式。所采用钢板桩型号为五号桩(轻型)SP-Vm,材质为SY390,钢板桩尺寸 :宽 500mm,高 175mm,厚 16.5mm,单宽每米桩墙截面积为219.2cm2,转动惯量40290cm4,截面模量2310cm3。经过技术及经济的比选,围堰稳定计算水位的确定,根据《水利水电工程施工组织设计规范(SL303-2004)》[6]中3.2.6条款,本工程围堰根据其重要性按3级建筑物,其洪水标准按50 a一遇考虑,根据三条港水文站资料,长江侧水位取4.50 m。初步确定以下三种方案:方案1打桩入土点位于沿临江侧向下游62.0 m处,钢板桩顶高程0.00 m底高程-27.00 m;方案2打桩入土点位于沿临江侧向下游47.0 m处,钢板桩顶高程0.00 m,底高程-27.00 m;方案3打桩入土点位于沿临江侧向下游47.0 m处,钢板桩顶高程-1.50 m,底高程-31.00 m。

3 有限元计算分析

3.1 有限元计算模型

二维渗流与堰坡稳定计算中坐标采用笛卡儿直角坐标系,以垂直向为y轴,垂直向上为正;以顺江向为z轴,指向临岸侧为正向;计算坐标原点选在临江侧围堰坡角处。上游边界为围堰顶部向长江侧50.0 m,逸出边界自堰顶向下游延长70.0m,围堰基础底部的隔水边界位于原点向下-50.0处。

由于三角形单元对复杂边界有较强的适应能力,因此一般将一个二维域离散成有限个三角形单元。将围堰按照构筑材料的不同分区划分有限三角形单元,单元形状应尽可能规则,内角不应相差太多,不能出现钝角,网格划分越细,结点越多,计算结果越精确[7]。但网格加密到一定程度后计算精度的提高就不明显,同时要兼顾机时,综合考虑对支护结构的网格加密,远离支护结构的区域划分稀疏,并且使相邻分区单元的边界节点重合[8-9]。土体的计算参数见表 1,摆喷防渗墙泊松比 0.22,容重 21 kN/m3,粘聚力 1000 kPa,摩擦角 40°,渗透系数1.0×10-7cm/s;钢板桩结构为Q345钢板,容许弯曲应力[σ]=210MPa,容许剪应力[τ]=120MPa,泊松比0.2,弹性模量2×105MPa。划分出的有限元网格见图1。

图1 围堰有限元计算模型

3.2 有限元计算结果

依据所建立的有限元模型,分别计算三种方案中围堰边坡的稳定性。计算成果见图2。

图2 围堰边坡稳定计算成果图

由以上计算结果可知,方案1围堰边坡稳定系数为1.162,方案2围堰边坡稳定系数为1.147,方案3围堰边坡稳定系数为1.334,该围堰等级为3级,边坡稳定安全系数不小于1.20,故方案1、2不能满足规范要求,方案3能满足规范要求。为了满足围堰边坡稳定,建议围堰中钢板桩顶高程为-1.50 m,底高程为-31.00 m,并在钢板桩两侧设置适当降水井,有效降低地下水。另外需加强围堰观测,对可能出现的险情应有足够的防范措施[10]。

4 结 语

钢板桩围堰由于设计简单、基本不用加工件、成本低、施工周期短及偏位容易控制等优点而被工程广泛采用,市场上可供选择的板桩的截面有限,入土位置及深度对钢板桩围堰而言是十分重要的指标,传统计算时首先要根据水文条件假定一个值,然后再复核,是一个多次循环的过程,对同一个工况如此,对不同的工况更是如此,是一个繁冗而重复的计算过程。本文应用连续介质有限元法对钢板桩围堰进行分析计算,取得了较为符合实际的结果,化繁为简,化抽象为具体,使分析计算过程清晰明了,并且适于模块化编程操作,节省大量的工程量,有限元分析对处理复杂的渗流场问题具有独到的优越性。

[1]郑金飞.钢板桩应用于基坑支护施工技术与效果分析[J].铁道标准设计,2005,(5):22-24.

[2]BUHAN P,CORFDIR A.Limit designof axisymmetric shells with application to cellular cofferdams[J].Journal of Engineering Mechanics,1994,122(10):921-929.

[3]邱训兵.大型钢板桩围堰施工设计的思考[J].铁道建筑,2005,(9):12-14.

[4]聂栓林,苗中海,曾锡庭.软土地基中钢板桩挡土墙偏移原因[J].港工技术,1999,(1):43-44.

[5]周水兴.路桥施工计算手册[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6]水利部长江水利委员会长江勘测设计研究院.SL303-2004.水工混凝土结构设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2004.

[7]王元汉,李丽娟,李银平.有限元法基础与程序设计[M].广州:华南理工大学出版社,2001.

[8]雷晓燕著.有限元法[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[9]中华人民共和国交通部水运规划设计院.JTJ251—87.干船坞水工结构设计规范[S].北京:中国人民交通出版社,1987.

[10]Gajanan M Sabnis.Structural modeling and experimental Techniques[M].Prentice-Hall,2003:11-12.