钢板桩围堰封底混凝土厚度优化设计分析

2021-03-17甘采华宁怡豪

西部交通科技 2021年12期

甘采华　宁怡豪

摘要：封底混凝土在围堰内部抽水后主要承受内外水头差的作用，因此在枯水期和洪水期封底混凝土的受力情况是不同的。为确保不同时期钢板桩围堰及封底混凝土结构的安全稳定性，文章以某钢板桩围堰施工为例，分别考虑枯水期和洪水期不同水位高度，采取有限元软件建立细部仿真计算模型进行分析。结果表明，洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度分别为2.7 m和2.1 m，为不同水位期间封底混凝土厚度的取值提供了理论依据，以供类似水文地质條件的工程借鉴参考。

关键词：钢板桩;封底混凝土;厚度;水头差;优化设计

中国分类号：U443.16+2文章标识码：A170644

0 引言

近些年来，我们国家的经济建设越来越繁荣，社会生产力得到了极大的提高，因此对于交通建设的要求越来越严格，在此期间出现了一大批跨大江大河的桥梁工程，施工过程中所遇到的困难不断增多，如施工工期紧、水文条件复杂、河床冲刷大、地质条件复杂、施工干扰大等，给桥梁承台基础施工带来了很大的难度。而钢板桩围堰的广泛应用给桥梁基础施工带来了很大的便利，并且与双壁钢围堰和钢套箱相比，钢板桩围堰有施工便捷、对周边河流土体影响小、经济环保、重复利用率高等优点。目前针对钢板桩围堰已有大量的研究成果[1-4]，但针对枯水期和洪水期围堰封底混凝土厚度这方面鲜有涉及[5-7]。而本文将分别考虑在枯水期和洪水期不同水位高度下最小厚度封底混凝土结构的受力安全性，通过理论计算和仿真分析洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度，在不同时期可采用不同厚度的封底混凝土，在保证安全性的前提下尽可能地节约施工成本。

1 工程概况

某跨河大桥基础承台施工采用钢板桩围堰施工，水中墩由12根桩及承台构成，承台采用整体式结构，围堰尺寸设计为28.8 m（横桥向）×10.4 m（顺桥向），钢板桩围堰内支撑围檩选取双拼HN500×200型钢以及双拼HN700×300型钢，横、斜撑选取[WTBX]630 mm×10 mm钢管，水下封底混凝土选用C20水下混凝土，封底混凝土设计厚度为1.5 m，承台底面标高为+1 197.25 m，洪水期最高水位为+1 206.99 m，枯水期最高水位为+1 203.99 m，

2 封底混凝土厚度计算原理

封底混凝土在围堰中起到防水渗漏的作用，抵抗水头差在围堰区域的浮托力后，方可进行承台施工。通常情况下封底混凝土厚度越大，对于钢板桩围堰结构抗浮稳定性及封底混凝土强度越有利，但不断增加封底混凝土厚度将导致结构性能过剩，造成材料的浪费，增加施工成本，并且还不利于现场施工。封底混凝土厚度的考虑因素主要有两个：（1）混凝土抗水压强度，在围堰抽水后，封底混凝土底部承受巨大水压对其强度影响很大;（2）围堰和封底混凝土共同形成一个浮体，其抗浮稳定性需满足要求。在考虑强度因素时，通常将封底混凝土当作单向板或者双向板来看。简化为单向板时，封底混凝土厚度即为单向板厚度，跨度按最大桩距或桩与围堰之间的距离，混凝土结构最大拉应力需满足规范容许值要求。简化为双向板时，大多采用沉井封底混凝土的计算方法，混凝土结构最大拉应力同样满足规范容许值要求。

3 封底混凝土厚度理论优化计算

3.1 计算参数

钢板桩围堰总重285.744 t。钢护筒直径D为1.8 m，间距最大值l为2.7 m，封底混凝土为C20，长度为28.8 m，宽为10.4 m，面积A为299.52 m2。

有底套箱围堰水下封底混凝土与护筒之间的容许握裹力取150 kPa;无底套箱围堰及钢板桩围堰水下封底混凝土与护筒之间容许握裹力取135 kPa;对于干浇封底混凝土，封底混凝土与护筒之间的容许握裹力取300 kPa，本文取135 kPa。

3.2 封底混凝土抗浮稳定性优化计算

（1）洪水期封底混凝土抗浮稳定性设计计算

洪水期封底混凝土抗浮稳定性验算，其主要承受自重、钢板桩围堰自重荷载、内外水头差产生的浮托力及钢护筒提供的握裹力作用，受力计算如下：

综上所述，运用理论计算方法得到的洪水期最小封底混凝土厚度为2.42 m，枯水期最小封底混凝土厚度为1.75 m。

4 封底混凝土有限元计算

通过前文对封底混凝土的理论计算优化，得出最佳设计厚度。为更加精确封底混凝土厚度取值，采取有限元软件Midas Fea建立离散化封底混凝土结构，验证理论计算结果，对不同厚度进行细部分析。封底混凝土厚度取值为1.8 m、2.1 m、2.4 m、2.7 m、3.0 m五种。封底混凝土结构离散化模型如图3所示。

根据不同封底混凝土设计厚度，通过有限元模拟实际受力，得到结构应力变形等结果如表1所示。由表1可知，随着封底混凝土厚度不断加大，其受力状态得到良好的改善，变形量和应力值有所减小，且所有设计厚度下封底混凝土极限应力值均超过规范设计容许值1.39 MPa。

由前文可知，依据理论计算公式得到的洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度分别为2.42 m和1.75 m，但考虑实际施工过程中底层表面凹凸不平，因此需要增高厚度使表层平整，洪水期和枯水期分别取封底混凝土厚度为2.7 m和2.1 m。根据Midas Fea建立的精细化有限元模型得到计算结果，如图4～7所示。当处在洪水期时，封底混凝土厚度取2.7 m，其最大位移为0.02 mm，最大拉应力为0.295 1 MPa，小于C20混凝土抗拉强度设计容许值;当处在枯水期时，封底混凝土厚度取2.1 m，其最大位移为0.11 mm，最大拉应力为1.19 MPa，小于C20混凝土抗拉强度设计容许值。因此，洪水取和枯水期的最小封底混凝土厚度取值能够分别满足施工中的要求。

5 结语

本文工程背景常年水位变化大，结合钢板桩围堰施工概况，根据洪水期和枯水期不同水位情况，对封底混凝土厚度的取值进行分析研究，得到以下结论：

（1）采用理论公式计算分别得到洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度为2.42 m和1.75 m。

（2）通过Midas Fea有限元软件对不同厚度的封底混凝土结构进行分析可知，随着封底混凝土厚度不断增加，其应力和变形将随之减小。

（3）综合施工实际过程中围堰底部可能存在泥土或砂卵石等，造成底层不平整，需增加封底混凝土厚度，因此洪水期和枯水期最小封底混凝土厚度分别为2.7 m和2.1 m。

（4）通过对该工程洪水期和枯水期下最小封底混凝土厚度进行有限元分析可知，其应力和变形均可满足施工中的要求。

参考文献：

[1]刘理汉.钢板桩围堰技术在桥梁施工中的应用[J].西部交通科技，2021（4）：154-157.

[2]涂先行.深水浅覆盖层倾斜岩面河床围堰设计及应用[J].铁道建筑技术，2021（3）：49-52，66.

[3]杨圣峰，刘晓星，冯燕平，等.深水致密砂岩地层中钢板桩围堰技术研究[J].公路，2021，66（1）：184-188.

[4]毛景权，雷志强，王刚，等.钢板桩围堰施工全过程数值模拟分析[J].广东建材，2020，36（9）：50-55.

[5]程金雄.基于Midas Civil的钢板桩围堰整体模型简易建模方法研究[J].中阿科技论坛（中英文），2020（9）：101-104.