新光大桥桥墩钢板桩围堰的优化设计与监测-骆冠勇

第34卷第2期2006年2月华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.34No.2February2006文章编号:10002565X(2006)0220124206新光大桥桥墩钢板桩围堰的优化设计与监测骆冠勇曹洪潘泓周红星(华南理工大学建筑学院,广东广州,510641)摘要:新光大桥5和6不封底方案.,进行比较,:(1)在钢板桩墙受力的初期,,变形量比设计值大,后期随着,,墙的整体刚度得到恢复,此时的变形增量与设(由于钢板桩间的纵向接头刚度小于钢板桩本身的刚度,致使变形在接头附近集中.文中最后指出,在进行钢板桩围堰支护体系的设计时,钢板桩在不同的受力阶段应取不同的模量,支撑的安全系数应比钢板桩的大.关键词:钢板桩;围堰;优化设计;监测中图分类号:TU46文献标识码:A##广州新光大桥位于南珠江沥滘水道,江中5,6桥墩由36根桩及承台构成,承台尺寸为34.7m×48.3m×6.0m(顺桥向×横桥向×高),围堰平面尺潮落潮,江水位为4.0～6.9m(广州市政高程),设#为±0.0m,需开挖至-3.5m;6墩附近河床主要为细砂,河床起伏很大,高程为-8.0～-3.0m,高潮承台原方案采用厚2.5m水下混凝土封底,同时采用5层对撑加钢板桩支护.优化方案采用不封底,回填1.0m的石粉压渗、上铺厚0.5m的素混凝土垫层,同时采用4层对撑加角撑.国内目前深水围堰多采用钢护桶加水下混凝土封底方案,单层刚板桩支护应用在深水围堰中并不多,主要有中山东河水利枢纽钢板桩围堰,天津彩虹[1]大桥钢板桩围堰和番禺大桥主塔基础钢板桩围[2]堰等.相对于用钢护桶加水下混凝土封底方案,钢##板桩围堰加石粉压渗方案具有几个方面的优势:一收稿日期:2005205211作者简介:骆冠勇(19792),男,博士生,主要从事岩土工程及渗流的研究.E2mail:luogyong@126.com图15#和6#桥墩典型的地质剖面(单位:m)##Fig.1Typicalgeologicalconditionsof5and6piers(Unit:m)第2期骆冠勇等:新光大桥桥墩钢板桩围堰的优化设计与监测125是施工方便,节省工期,钢护桶需要预加工,对于大面积基坑,钢护桶很大,制作和运输的工作量很大,相对而言,钢板桩运输和施工都很方便;二是钢板桩可以重复利用,节约成本;三是石粉压渗相对于水下混凝土封底也具有很大的经济优势.石粉压渗不封底方案实施的关键取决于渗漏量大小和围堰的抗渗稳定,同时围堰位于江中,必须考虑由于江水位涨落、水流冲击、施工船只对围堰体系的撞击等不利因素的影响.另一方面钢板桩墙是单根钢板桩通过槽口互卡而成,卡口之间靠互相咬合来传递剪力,该咬合关系随钢板桩的变形而发生变化,目前这种“变形-刚度”定.文献[325]了研究,,,,用于计算,但这种特定情况并不适用于一般工程,确切而实用的方法有待于进一步的研究.在本工程中,采用刚度折减的方法来考虑这种影响.钢板桩围堰的抗渗稳定方面的论证将另文论述.本研究着重介绍深水钢板桩围堰的优化设计,根据监测结果对钢板桩的受力性能进行分析,通过对比设计结果指出两者在变形上产生较大差异的可能原因及类似设计中要注意的问题.案和原方案相比,实施方案优势很明显:(1)为施工预留了很大的空间,方便了施工.基坑的施工类似于“逆作法”,由上及下施工,如果上层的支撑结构太密,下层的支撑材料便很难往下传送,即使勉强可以,下层支撑吊装时或拆除下层支撑向上吊走时也较容易碰撞上层已经受力的支撑,影[6]响其工作性能.(2)传力更加明确,避免了纵横撑之间的影响.(3)角撑的引入,把角撑与围檩节点之间做好,可以使整个支撑平面结构稳定性增强.(4)节省钢材,经济性好.“[728,,支撑点已发生位移So,则虚拟拉力的大小Fv=KSo,K为支撑刚度.将虚拟拉力Fv作为主动荷载加在支撑点后继续开挖,用全量法计算得位移为S,则该支撑受到支撑力F=K(S-So).在本工程中,为了控制桩身的弯矩,计算虚拟拉力Fv时,虚位移So的计算是在低潮水位时(≤+5.9m)所得,这相当于给支撑加了预应力,使桩身往回弹.所以在施工围堰支撑体系应避免在高潮水位(>+5.9m)合拢对接.计算时参考了中山东河水利枢纽钢板桩围堰工程实测数据的反算结果,按复合桩墙刚度的1/2计算与实测数据吻合较好,故在本次设计中把桩墙刚度折减了50%.刚度折减后,先以单根钢板桩弯矩设计值计算板桩的允许曲率,然后以桩墙受弯时等曲率的原则确定桩墙弯矩的设计值.分析设计中所取的参数如表1所示.表1土层计算参数Table1Soilparametersforcomputation类型石粉淤泥粉砂细砂亚粘土残积土密度×10-3凝聚力/(kg・m-3)/kPa050020201围堰支护体系受力分析支护结构采用钢板桩加钢支撑体系.钢板桩为.磨擦角)/(°25625301525变形模量/MPa20120302530泊松比图2支护结构示意图(单位:m)Fig.2Sketchmapofsupportingstructure(Unit:m)在图中,每层共有8条角撑,4条南北向横撑和2条东西向纵撑.实施方案的纵横撑节点采用“跨越式”节点,从横撑间隔340或580mm的两根[40a槽钢组合梁穿过,避免了两者之间的相互影响.实施方由于下伏基岩,钢板桩能否打入岩层对其变形126华南理工大学学报(自然科学版)第34卷#图3为位移和弯矩的典型计算结果,5墩计算所得钢板桩最大弯矩发生在围堰设计高程-2.54m处,弯矩值M=267.9kN・m,最大的位移发生在高程-2.13m处,最大位移为S=78mm,最大支撑力#F=2275kN;6墩计算所得钢板桩的最大弯矩发生在高程+0.7m处,处在第3道撑和第4道撑之间,M=240.3kN・m,最大位移发生在高程+1.45m处,S=51mm,最大支撑力F=1果,.图45#墩y方向位移的三维有限元分析结果(单位:m)4Dlacementinyof5piersanalysecby3D()#,用4结点壳体单元模拟,2结点梁单元模拟围檩,2结点的杆单元模拟支撑,将土层简化为水平层状的均质弹性材料,用8结点的实体单元模拟,利用MSC.Marc软件对围#堰受力进行了三维有限元分析,其5墩长边方向(y方向)的位移如图4所示(该结果未考虑预应力),最大位移量为91.7mm,与图3中平面计算结果相近.2施工与监测结果新光大桥5,6桥墩钢板桩围堰工程于2004年7月开始施工,插打钢板桩,2005年1月基本完成施##工,拔出钢板桩.在施工过程中,采用测斜管测量钢板桩的变形,测斜管的布置见图1,每个围堰设置8个测点.发生最大和最小位移的测点在各施工阶段的最大位移和最大曲率结果如表2所示,各施工阶段典型的位移图和曲率图如图5所示.5墩测点SC为发生最大位移的测点,6墩测点EA为大部分发生的一般位移测点.其中曲率由位移利用三点中心差分公式近似求导后经形心修正后得到[9211][12]##,综合考.从图3虑舍入误差和截断误差取步长为1.5m中可以看出施工阶段C以前,钢板桩围堰发生的位移约占了总位移的75%以上,而这时的围堰内外的水头差只占了施工过程中产生的最大的水头差的50%.从位移的空间位置看,最大位移与最小的位移##第2期骆冠勇等:新光大桥桥墩钢板桩围堰的优化设计与监测1275lacesheetpiles表21damsindifferentconstructionstages位置水位/m位移施工围堰围堰高最大值高程阶段外内差/mm/mAB5#墩CDEFGAB5#墩CDEFGAB6#墩CDEFGAB6#墩CDEFG-127-256-299-310-305-300-279-21-42-53-63-55-45-43-14-75-93-109-111-104-94-78-276-285-300-299-290-290-0.7)Table2Displacecurvatureofsteelsheetpilecoffer2曲率最大值高程/m-10.00753讨论3.1位移差异较大的原因监测所得的位移与计算的位移存在较大的差-1.7-0.0146-2.2-0.0192-2.7-0.0198-2.7-0.0186-2.2-0.0173-2.2-0.0144-0.8-1.3-2.3-2.8-2.8-3.3-3.3-0.6-1.1-1.6-2.1-2.1-2.1-2.1-0.6-0.6-1.1-1.1-1.1-1.1-1.1-0.0027-0.0059-0.0071-0.0078-0.0066-0.0060-0.0058-0.0027-0.0073-0.0091-0.0101-0.0099-0.0089-0.0075-0.0049-0.0190-0.0205-0.0209-0.0210-0.0198-0.0194测点SC测点NC测点SA21.4测点NA1)施工阶段A～D同图3;E为拆除第4道撑;F为拆除第3道撑;G为拆除第2道撑(下同).128华南理工大学学报(自然科学版)第34卷二是由于本工程中一根长24m的钢板桩是由2根长12m的桩焊接而成的,接头处按等强度连接,其刚度较差;又因卡口部位未能焊接而使该处的焊缝存在应力集中的现象,导致焊缝开裂,该接头的刚度进一步减小,从图5可看出,发生最大位移的点随荷载重心的下移而相应地往下变动不明显,而总是发生在两根钢板桩的接头处附近,说明在接头附近的刚度较钢板桩的其他部分弱.由于钢板桩长度为一定的模数,驳接的可能性较大,所以在接头处其刚度的削弱应引起足够的注意.三是由于在围堰安装好第一道支撑后,在围堰内局部有深坑没能及时回填石粉至设计高程即开始抽水,因为如果支撑一旦失稳,整个基坑就要坍塌.钢板桩属于柔性支护结构,其允许的位移可以大[13]些,并可进行非线性设计,其安全系数相对于支撑可以小些.从监测结果可看出,只有当钢板桩的变形足够大时,其刚度和抗弯能力才能完全发挥出来.4结论(1)由于基坑处于江中,水头高,地质条件差,图6不同高程处水头差与位移的关系Fig.6Relationshipbetweendisplacementandheadfallatdif2ferentelevations3.2钢板桩深水围堰设计中应注意的问题由于钢板桩的刚度是一个不容易确定的量,要较准确地算出钢板桩变形较为困难.虽然钢板桩的刚度由于钢板桩之间的相对滑动而产生折减的现[4]象,但最终强度受其刚度的影响却不大.这就使得一般的基坑设计方法可以应用在对位移要求不高的基坑设计中.江中深水围堰的施工环境恶劣,江水位涨落、水流冲击、施工船只对围堰体系的撞击等均是极为不利的因素,这些不利因素具有很大的随机性,要通过增大安全系数方式去考虑.尤其是支撑的安全系数要足够大,依工程经验,其安全系数一般可取为2.工期紧,施工难度大,在充分考虑施工条件的基础上,,既防,.另一方面,角,为,节约钢材.整个优化方案实施,取得了较好的经济效益,同时确保了工期.(2)设计方案与实测结果的对比表明,钢板桩墙的刚度随钢板桩变形而变化,当刚板桩的变形较小时,其刚度也较小,抗弯能力较差,当变形增加时,刚度和抗弯能力随之增加.在进行钢板桩基坑支护设计时,开始受力的若干阶段可按单根钢板桩单独作用的刚度计算其变形,后面若干阶段可按钢板桩墙的整体刚度计算其变形,以整体钢板桩墙的强度复核其强度.综合考虑钢板桩“变形-刚度-抗弯能力”且简单实用的计算方法有待于进一步研究.(3)钢板桩纵向接头刚度应引起足够的注意.实测结果表明,由于钢板桩纵向接头处刚度的削弱,致使位移在接头附近集中,降低了钢板桩的抗弯能力,使得钢板桩的最终位移增大.设计时应通过适当的方式保证该接头的刚度与其它部分的刚度一致.(4)钢板桩墙属于柔性支护结构,适当的非线性设计有助于其抗弯能力的恢复,节约钢材,但支撑体系要有足够大的安全系数,以考虑各种不确定因素的作用,依工程经验,钢板桩墙的安全系数可取为1,而支撑的安全系数应取为2.参考文献:[1]冯焕富,丰思明,张兰柱.钢板桩围堰支护研究[J].铁道设计标准,1999(2):17218.FengHuan2fu,FongSi2ming,ZhangLan2zhu.Retainingstructureresearchonsteelsheetpilecofferdams[J].RailwayDesignStandard,1999(2):17218.[2]姜中祖,钟敬钧.番禺大桥水上主塔基础钢板桩围堰施工[J].广东公路交通,1997(3):11215.第2期骆冠勇等:新光大桥桥墩钢板桩围堰的优化设计与监测广东水电科技,1991(1):10215.129portationofGuangdong,1997(3):11215.[3]ByfieldMP,CrawfordRJ.ObliquebendinginU2shapedsteelsheetpiles:proceedingsoftheinstitutionofcivilengi2neers[J].StructuresandBuildings,2003(3):2552261.[4]ByfieldMP,MawerRW.AnalysisofreducedmodulusactioninU2sectionsteelsheetpiles[J].JournalofCon2structionalSteelResearch,2004(3/4/5):4012410.[5]CrawfordRJ,ByfieldMP.Anumericalmodelforpredic2tingthebendingstrengthofLarssensteelsheetpiles[J].JournalofConstructionalSteelResearch,2002(10):136121374.[6]莫海鸿,周汉香.深基坑支护结构施工工艺优化设计[J].华南理工大学学报:自然科学版,2000,28(12):59265.MoHai2hong,ZhouHan2xiang.opondesignof[Universityofon,2000,28(12):59265.[7]吴海峰,曹洪,潘泓,等.潮州供水枢纽西溪厂房基坑LuPei2yan.Simplifiedmethodofinteractionbetweenpilesandsoilundertransverseloads[J].HydroelectricityTechnologyofGuangdong,1991(1):10215.[9]OoiPSK,RamseyTL.Curvatureandbendingmomentsfrominclinometerdata[J].InternationalJournalofGeo2mechanics,2003(1):64274.[10]曹洪,熊丽珍.中山新城商业中心基坑设计及监测[J].广东水利水力,1997(1):25230.CaoHong,XiongLi2zhen.DeepexcavationdesignandmonitorofZhongshannewcommercialcenter[J].aterHydropower,1997(1):],,[M].4版.北京:,2001.[12]贺志勇,张肖宁,贺玲凤.隧道工程中基坑的施工监测技术[J].华南理工大学学报:自然科学版,2001,29(7):92294.HeZhi2yong,ZhangXiao2ning,HeLing2feng.Themoni2tor