跨海桥梁钢板桩围堰渗流模拟研究.pdf

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·桥涵工程·收稿日期:20150105基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目(14-A01)跨海桥梁钢板桩围堰渗流模拟研究赵多苍(中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300)摘要福平铁路平潭海峡公铁两用大桥(B0-B58)浅水区有覆盖层承台施工采用钢板桩围堰。通过建立三维渗透模型,将钢板桩视为具有一定渗透性的材料,对钢板桩围堰的渗流问题进行模拟研究,计算分析不同工况下,渗流总水头、压力水头、渗流流速分布及流量和封底砼受力状况。研究表明:钢板桩围堰采用水下混凝土封底,封底砼和钢板桩可以起到较好的防渗效果;采用1m厚封底砼就可满足本工程防渗要求;封底砼底部的总水头、孔隙水压强随封底厚度增大而增大。研究结果对类似工程钢板桩围堰防渗的设计和施工具有参考和指导意义。关键词渗流钢板桩围堰封底砼数值模拟中图分类号U445.556文献标识码A文章编号10094539(2016)03006505NumericalSimulationResearchoftheSteelSheetPileCofferdamSeepageforSea-crossingBridgeZhaoDuocang(ChinaRailwayConstructionBridgeEngineeringBureauGroupCo.Ltd.,Tianjin300300,China)AbstractThecushioncapinshallowwaterwithacoveringlayer,whichisofthehighwayandrailwaycombinedbridgeoverthePingtanStrait(B0-B58)ofFuzhou-PingtanRailway,adoptssteelsheetpilecofferdamforconstruction.Thepaperestablishesthethree-dimensionalpercolationmodelofthesteelsheetpilecofferdam,inwhichthesteelsheetpileisdeemedasacertainpermeabilitymaterial,andsimulatesthesteelsheetpilecofferdamseepageproblem,calculatesandanalyzesseepagetotalhead,pressurehead,seepageflowvelocitydistributionandforceofthesubsealingconcreteindifferentcondi-tions.Theresultsshowthat:Firstly,thesteelsheetpilecofferdamcanplayagoodanti-seepageeffectbyusingsubsealingconcreteandsteelsheetpile.Secondly,itcanmeettherequirementsoftheproject,with1mthicksubsealingconcrete.Thirdly,thetotalheadandporewaterpressureatthebottomofthesubsealingconcretewillbeincreasedalongwithrisingthicknessofthesubsealingconcrete.Theresultscanguidethedesignandconstructionofsimilarprojectsinseepagepreven-tionofsteelpilecofferdam.Keywordsseepage;steelsheetpilecofferdam;subsealingconcrete;numericalsimulation1引言在21世纪,随着国家经济发展和区域间紧密连接,国家交通网将向国土四面八方扩展延伸,高速铁路、公路桥梁跨江、跨海将日益频繁,因此,水中施工将是以后桥梁工程的常态工作环境。变水中为陆上,创造干地施工环境是水中施工的一个重要思想。目前,涉水桥梁基础承台施工主要是利用钢板桩、钢管桩、钢吊箱、筑岛等结构形成围堰挡水,创造施工干地[1]。在这些结构中,钢板桩围堰由于结构简单、施工快、造价低,且可回收利用等优点,在浅水环境中应用较为广泛[2]。但在砂层等渗透性较强地层施工时,由于钢板桩围堰是通过板桩锁口连接而成,水很容易从锁口渗入围堰基坑。因此,钢板桩围堰防渗是工程设计应重点考虑问题。通常,对于基坑以上板桩在围堰形成后封堵防漏,基坑内采用水下混凝土封底来防渗。因此,封底砼厚度将是围堰设计施工重点分析计算的参数,封底过厚存在浪费,封底过薄则存在抗渗安全隐患[3-4]。本文结合福平铁路平潭海峡公铁两用大桥(B0~56铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)·桥涵工程·B58)浅水海域承台施工[5-6],对钢板桩围堰渗流问题进行研究,通过计算渗流压力、渗流量等参数,分析结构防渗效果和确定封底砼厚度。2工程概况平潭海峡公铁两用大桥是国内首座跨海公铁两用大桥,下部结构采用桩基础,高、低桩承台。全桥共59个墩台,55个位于海中,B2#~B25#墩属于浅水有覆盖层区,承台施工采用钢板桩围堰。平潭海域最大潮差在7m以上,平常在5m左右。本工程中,设计高潮位为4.18m(按十年重现期高潮位),平均高潮位2.27m。围堰处海床面标高为-3.097m,床面以下为6.2m厚粉细砂层,4.4m厚淤泥质黏土层。施工时钢板桩围堰完成后,待退潮,对钢板桩进行堵漏,同时在基坑底部浇筑素混凝土防渗。工程中,根据围堰结构受力计算,设计钢板桩长15m,深入砂层5.4m。围堰纵剖面见图1。钢板桩围堰平面尺寸为32.4m×14.4m,内部设支撑,围堰施工见图2。图1钢板桩围堰纵剖面图图2钢板桩围堰施工3计算模型3.1建立模型采用三维数值模型对围堰渗流进行计算。考虑到淤泥质黏土与细砂的渗透性相差很大(渗透系数比为∶10001),将淤泥质黏土边界考虑为不透水边界,因此,模型整体坐标系以细砂层底边设为z=0边界,考虑围堰渗透对称性,计算区域取围堰短边的一半7.2m。钢板桩厚取0.2m,围堰外取15m的计算范围。计算模型长×宽×高为:22.4m×1m×20m,钢板桩长15m,深入砂层5.4m。对整个模型进行有限元剖分,采用三维六面体形网格,网格单元18895个,节点总数23832个。计算模型网格见图3。图3计算模型网格3.2计算工况根据钢板桩围堰所处状态,模型采用6种计算工况,各工况参数见表1。表1计算工况工况潮位/m封底砼厚度/m工况1十年一遇高潮位4.181工况2平均高潮位2.271工况3平均潮位0.201工况4十年一遇高潮位4.182工况5平均高潮位2.272工况6平均潮位0.2023.3计算材料参数选取本工程钢板桩围堰所处各地层,细砂层对围堰渗透稳定性影响最大。根据试验成果,计算时认为渗透系数在水平方向和垂直方向相等[7]。模型中将钢板桩视为具有一定渗透性材料,其渗透系数选取是一个重难点。根据参考文献[8,9],钢板桩渗透系数如下考虑:(1)床面以上部分。可用人工方法进行封堵,漏水量小,计算时钢板桩可按不透水计[10]。(2)进入砂层部分。无法用人工填堵,在计算时应考虑其透水性。将进入土层的钢板桩围堰视为均质弱透水帷幕,设钢板桩附近砂层渗透系数为k,由保角变换方法[11]推导出钢板桩围堰的等效渗透系数k0为[12]:k0=αk(1)式中,α是与钢板桩结构、接缝形式及周边砂层有关的系数。根据已有的研究[8],取α=0.005。模型计算中各层材料的渗透参数取值见表2。66铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)·桥涵工程·表2各层渗透系数取值m/s材料渗透系数粉细砂2×10-6钢板桩(海床面以上)1×10-12钢板桩(深入砂层)1×10-8封底混凝土7×10-94计算结果分析4.1总水头分析图4是工况1、4钢板桩围堰总水头等值线分布图。总水头等于地下水压力势和重力势之和。可用下式算得:H=Z+prw(2)式中,H为总水头(m),Z为位置高程(m),p/rw表示压力水头(m),P孔隙水压强(Pa),rw为水的重度(N/m3)。图4十年一遇高潮位钢板桩围堰总水头等值线图4中等值线分布疏密程度,反映总水头变化情况。等值线越密表示总水头变化越剧烈,反之,表示总水头变化平缓;两条等值线之间的水头差,表示渗流从上游流向下游过程中,能量的损失。观察图4发现:细砂层中总水头等值线分布较为稀疏,钢板桩和封底砼中等值线分布较密。这表明:细砂层对水流的阻碍作用较弱,渗流流过砂层,能量损失不大;而渗流流过钢板桩和封底砼时,总水头急剧减小,能量损失很大,反映出钢板桩和封底砼的防渗效果。对比图4a与4b得到:2m厚封底砼底的总水头大于1m厚封底砼所受压力,说明封底厚度越大,其底部的总水头越大。4.2压力水头图5是工况1、4的压力水头等值线分布图。从公式(2)中知道,压力水头是由渗透层中孔隙水压强决定。通过图5可得:渗透层中,孔隙水压强随深度的增大而增大。图5十年一遇高潮位钢板桩围堰压力水头等值线对比云图5a与5b得到:2m厚封底砼底部所受的孔隙水压强大于1m厚封底砼。说明封底砼越厚,其底部所受的孔隙水压强也越大。对比图5中钢板桩两侧渗流的压力水头等值线分布发现:沿渗流方向,砂层钢板桩两侧压力水头等值线,存在明显的下跌,但下跌差值不大。这说明细砂层内的钢板桩起到了一定的防渗作用,降低了围堰内外渗透水头。但是由于细砂层渗透系数较大,渗透性较好,而钢板桩深入不够,未穿过砂层,进入弱透水层,使得钢板桩防渗效果减弱。4.3渗流流速和流量分析图6是工况1、4的渗流流速等值线分布图。观察图6发现:上游细砂层渗流流速小,流向垂直渗流过流断面。在钢板桩下方砂层中,流速变化剧烈,流速增大。此现象可用渗流连续性原理解释:当渗流上游来流一定时,流经钢板桩断面,由于钢板桩围堰、细砂层渗透系数不同,渗流主要从钢板桩未深入的细砂层通过。此时,过流断面减小,细砂层中渗流流速就增大。图6十年一遇高潮位钢板桩围堰渗流流速等值线渗流量的计算是围堰基坑防渗研究的重要内容。模拟计算得到围堰渗流量结果见表3。通过计算结果得到:围堰内封底砼有较好的防渗作用,封底厚度越大,围堰内渗流量越小。76铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)·桥涵工程·表3各工况渗流流量计算值工况模型计算渗流量/(m3·s-1)围堰渗流量/(m3·d-1)工况13.32248E-071.86工况22.32041E-071.30工况31.21300E-070.68工况42.18661E-071.22工况51.63128E-070.91工况67.98278E-080.454.4封底砼底部压力分布图7a和7b分别是厚度为1m和2m的封底砼底部渗流压强分布图。通过图7得到:(1)距离钢板桩越近,封底砼底部所受的渗流压强越大,在围堰中部渗流压强最小;(2)渗透压强与围堰水头差成正比;(3)封底砼底部所受的渗流压强与封底厚度成正比,随着封底砼厚度增大,其底部所受的渗流压强也增大。图7封底砼底部渗流压强分布4.5封底砼受力分析封底砼所受的力包括:(1)渗透压力P,垂直向上。(2)封底砼重力G,向下。(3)当重力G大于渗透力P时,还要受向上砂层支撑力和封底砼与钢板桩和钢护筒的粘结力fN;当重力G等于渗透力P时,封底砼只受G和P的作用,这两情况下,封底砼不存在渗透破坏问题,暂不考虑;当重力G小于渗透力P时,封底砼除了受到G和P作用,还要受到向下的封底砼与钢板桩和钢护筒的粘结力fN。此时,封底砼抗渗力为重力G和粘结力fN之和。当封底砼的抗渗力大于渗透压力时,封底砼发生渗透破坏。因此,需要通过计算确定封底砼的厚度,保证封底砼的抗渗力大于渗透力,使其不发生渗透破坏问题。通过对4.4节封底砼底部渗透压强分布,计算得到封底砼底部所受的渗透压力。再根据围堰结构尺寸和围堰内钢护筒数量及布置,计算得到封底砼的重力、粘结力和抗渗力,最后计算得围堰抗渗稳定安全系数,结果见表4。从表4结果得出:作为一种临时结构,封底砼厚度1m可满足结构使用要求;采用封底砼厚2m,封底厚度过大,不经济。表4封底砼受力值计算结果工况钢护筒直径/m数量/根封底厚度/m封底面积/m2粘结系数/(kN·m-2)渗流压强/kPa渗流力/kN封底砼重力/kN封底砼粘结力/kN抗渗力/kN安全系数工况12.514139812050.420053935824420337781.7工况22.514139812038.215199935824420337782.2工况32.514139812020.68196.2935824420337784.1工况42.514239812067.426816.61871848840675562.5工况52.5142398120552188318718488406755623.1工况62.51423981203714721.31871848840675564.65结论通过建立三维数值模型,对钢板桩围堰渗流进行模拟,得到如下结论:(1)采用封底砼的钢板桩围堰,封底砼和钢板桩可以起到防渗效果。但由于钢板桩未深入弱透水层,使得钢板桩的防渗效果减弱。(2)封底砼厚度越大,围堰内的渗流量越小,其底部所受的总水头越大。(3)对比分析各工况中受力和抗渗状况得出,本工程中,封底砼厚度1m即可满足施工要求,封底砼厚度2m时,砼过厚,不经济。参考文献[1]王松茂,丘宏余.钢板桩支护在深水基坑开挖中的应用[J].广东水利水电,2002(6):25-29.[2]张建宏.钢板桩围护结构渗水及挖孔桩流沙问题的处理措施[J].建筑技术,2000(3):13-16.[3]张继勋,任旭华,王海军.厚覆盖层上闸基渗流分析与基础处理措施研究[J].三峡大学学报,2009,31(6):19-23.[4]张晓悦,张晓乐,苏敏,等.弱透水地基上水平铺盖对闸基86铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)·桥涵工程·渗流场的影响研究[J].人民长江,2012,43(12):79-82.[5]孙百锋.深水裸岩钻孔平台施工方案比选[J].铁道建筑技术,2015(11):22-25.[6]蔡维栋.台风区浅无覆盖层(裸岩区)平台设计及施工技术[J].铁道建筑技术,2015(11):26-30.[7]张飞,卢晓春,田斌.基于深厚覆盖层变化的土石围堰堰基渗透特性[J].人民黄河,2014,36(8):126-129.[8]曹洪,罗彦,周红星.新光大桥桥墩钢板桩围堰抗渗问题分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(1):152-157.[9]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,1997,49(3):11-15.[10]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[J].华南理工大学学报:自然科学版,2006,34(2):124-129.[11]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京:中国水利水电出版社,2003:77.[12]沙金煊.用保角变换法求解渗流扬压力[J].水利水运科学研究,1993(2):檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪139-150.(上接第33页)(2)每个区段的日施工进度可以进行1~2个循环,考虑掌子面玻璃纤维锚杆和长管棚的施工时间和4个区段的交错施工,综合月进度约25m/月。5结束语(1)对于地质条件比较差和对隧道沉降有特殊要求的隧道口,洞口段的设计首先应考虑滑坡治理和边仰坡加固,要考虑在先,在出现病害或问题后再处理,就会造成损失并影响工程进度,SIDI-AICH隧道采用抗滑桩和洞顶边仰坡的预注浆加固是比“”“较成功的。在国内我们常用的早进晚出、零开”挖进洞施工方法,都是比较成熟的好方法,适用于洞口地质较好的情况,国外洞口设计的强支护情况比较多,洞口的投入要大一些。在实际应用中建议根据洞口地质条件对两种方法进行综合比较合评估,确定合理进洞方案。(2)CRD法开挖法适用于地质条件差、有水、对隧道沉降严格控制的情况。SIDI-AICH隧道浅埋段洞内采用CRD法施工,隧道沉降量控制在2mm/月[8-12],对浅埋的洞口段顶房屋没有造成影响,没有出现变形开裂、地表下沉的现象。缺点是施工进度比较慢。(3)随着劳动力成本的大幅增加,特别是海外项目,机械化的生产是必然趋势,新意法采用的玻璃纤维锚杆加固掌子面施工方法对围岩较差的隧道能够较好地控制围岩变形,实现大断面施工,提高施工进度。隧道施工用的多臂钻孔台车、锚杆台车、喷射混凝土机械手、C6钻机等先进的施工机械如大力使用,可以降低劳动力成本,提高标准化管理水平,施工安全更有保证。(4)海外项目大都采用设计、施工、采购一体化的EPC模式,在得到APS设计(初步设计)后,如能够加强施工和设计力量的整合,结合现场实际和合同进行优化,采用合理的隧道掘进施工设计和施工技术措施,就能保证隧道施工的顺利进行和得到较好的效益回报。参考文献[1]张志强,关宝树.软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律研究[J].岩土工程学报,2000,22(6):696-670.[2]曹海林.新建隧道下穿既有公路隧道施工技术[J].铁道建筑技术,2013(5):58-61.[3]杨金有.软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工技术[J].铁道建筑技术,2013(3):56-60.[4]张运庭.浅埋软弱地层隧道围岩稳定性分析及综合施工技术[J].铁道建筑技术,2014(5):86-88.[5]李新继.成都地铁区间浅埋暗挖隧道CRD法施工技术[J].铁道建筑技术,2010(6):49-52.[6]龚晓南.土力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2002:73-74.[7]董淑练,黄明琦,丰传东.软弱地质条件下隧道开挖新方法探究[J].隧道建设,2009(2):157-161.[8]张成良,侯克鹏,李克钢.开采引起上覆公路地表沉降与形变的数值分析[J].岩土力学,2008,29(S1):635-639.[9]林存友,吴立,李鹏.穿越楼房下方的隧道安全施工技术[J].安全与环境工程,2002(6):27-30.[10]李世辉.隧道围岩稳定系统分析[M].北京:中国铁道出版社,1991.[11]施成华,彭丽敏,刘宝琛,等.浅埋隧道施工引起的纵向地层移动与变形[J].中国铁道科学,2003,24(4):87-91.[12]张顶立,李鹏飞,侯艳娟,等.浅埋大断面软岩隧道施工影响下建筑物安全性控制的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(1):95-102.96铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)
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