双排土芯钢板桩围堰变形特性研究_谢靖宇.pdf

王桦，纪洪广 跨孔直流电阻率法 勘探技术研究 地球物理学进展，（）：罗彩红，邢健，郭蕾 基于井间电磁 探测的岩溶空间分布特征 岩土力学，（）：何耀京 跨孔地震 在城市岩溶勘察中的应用 山东化工，（）：张莉，孙锐，李建 声波 技术在桥梁混凝土加固工程中的研究与应用 施工技术，（）：收稿日期：基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（）。作者简介：谢靖宇（），男，年毕业于长安大学土木工程专业，工商管理硕士，高级工程师，：。通信作者：朱 君（），女，年毕业于河海大学土木水利专业，工学硕士，：。文章编号：（）双排土芯钢板桩围堰变形特性研究谢靖宇 洪 钊 党星赛 李会军 朱 君 杨博文 黄 俊（.中交隧道工程局有限公司，南京；.河海大学土木与交通学院，南京；.苏交科集团股份有限公司，南京）摘 要：为研究双排土芯钢板桩围堰变形特性，以竺山湖隧道围堰工程为背景，对施工现场进行数据监测，同时利用三维数值模拟软件 建立了施工现场的三维模型。通过数值模拟，研究不同施工阶段钢板桩的变形情况及内力分布情况，并与现场监测数据进行对比，以进一步分析单根钢板桩受力变形的特征。研究表明：围堰变形主要集中在钢拉杆和钢板桩与土交界处，呈现为中间凸出的复合变形特征；围堰受力集中于钢拉杆支撑处以及背水面钢板桩与土交界处，其中围堰背水面钢板桩的堰脚处弯矩最大；迎水面钢板桩位移较小且桩顶产生向围堰内侧的位移，背水面钢板桩位移较大；抽水工序对钢板桩变形及内力影响最为显著。关键词：隧道；双排钢板桩；围堰；数值模拟法；变形特征中图分类号：；.文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（）：（，；，；，）：，双排土芯钢板桩围堰变形特性研究：谢靖宇 洪 钊 党星赛等 ，：；引言在浅水区修建隧道时，常需设置临时围堰。围堰的常见类型有土石围堰、钢筋混凝土围堰、钢板桩围堰等。采用定位桩与钢板桩构成的围堰共同承受水流、波浪的冲击和土压力作用，可确保钢板桩围堰不会在软弱淤泥中发生整体倾覆，降低了风浪对预制承台的安装影响，可有效延长海上作业时间，实现了大型跨海大桥围堰施工工厂预制标准化、现场安装装配化。双排钢板桩围堰作为一种重力式支护结构，通过将两排钢板桩打入水中，在两排钢板桩间设置拉杆并填土，使其起到支撑作用且具挡水特性，现已广泛应用于市政工程及水利工程领域。针对双排土芯钢板桩的变形特点，侯永茂等分析加固围堰内侧土体对控制围堰变形的作用，认为双排钢板桩围堰变形较大，具有显著的三维空间效应；朱艳等研究深厚淤泥质软土地基条件下双排钢板桩围堰的变形特性，在淤泥地层施工时打入桩施工和桩身止水性能都能得到保证，但有发生较大桩身整体变形的可能，应考虑内侧坑底加固，以避免踢脚稳定性破坏。针对不同工序对钢板桩变形的影响，徐顺平等研究软土地基条件下双排钢板桩围堰在 种不同抽水速率工况下变形和应力；罗毅等建立有限元模型，分析海域双排钢板桩围堰与明挖基坑变形特征和相互影响规律；赵挺生等针对工程实例，建立 三维有限元模型，并将现场监测数据与获得的各工况下钢板桩围堰及其内支撑体系的结构变形、构件受力和整体振型进行比较；崔春义等通过建立有限元数值模型，对不同水位下钢板桩围堰在加载过程中的受力变形特征进行分析；张政伟等通过分析工程实例中钢板桩围堰变形监测数据及数值模拟，得出围堰支护施工过程中的最不利工况，认为围堰内支撑轴力受基坑周边荷载的影响明显。在复杂荷载作用下，双排钢板桩围堰的变形较明显，不同工序下迎水面、背水面钢板桩的变形特性存在一定差异，其机理尚不明确。以下利用 建立了数值模型，对竺山湖隧道的双排钢板桩围堰进行模拟，研究围堰迎水面、背水面钢板桩在围堰内侧降水、基坑开挖等工序下的变形特性及内力分布情况，以期揭示其危险截面及其变形机理，并提出有针对性的建议。工程概况 省道无锡马山至宜兴周铁段设置竺山湖特长隧道 座，总长 ，其中湖区段长 ，采用 的双向六车道一级公路标准设计。湖底相对较平，线路区经过湖域段平均水深.，流速较小，全年均在.量级。该隧道采用明挖法施工，沿路线方向湖域内设置纵向围堰，与路线大致平行，总长度约为湖面宽度的，纵向围堰与基坑开挖边线的距离 倍基坑深度。围堰内隧道采用多仓流水施工的方式，各仓间设置 道横向围堰，单侧形成 个独立围堰分仓。临时大堤段平面见图（）。双排土芯钢板桩围堰桩顶高程为.，采用 型拉森钢板桩，桩间距 ，桩长.，插入地下 ，围堰断面示意见图（）。模型建立.土体本构模型选择土体硬化模型，该模型的基本特征是考虑了土体刚度的应力相关性，也结合了三轴模型试验的相关结果。相较于其他类型的模型相比，土体硬化模型不仅可以表现出主偏量引起的不可逆应变，也能在土体压缩的过程中进行压缩变形的模拟，该二阶模型可用于模拟砂土、碎石土，也可用于模拟黏土和淤泥等软土，能更真实地反映土体的非线性特性。在土体硬化模型中，三轴加载下的竖向应变 和偏应力 之间为双曲线关系，有 （）式中，为抗剪强度渐进值；为主加载下与围铁 道 勘 察 年第 期图 临时大堤段及围堰示意（单位：）压相关的刚度模量。计算公式为|（）式中，为主应力。卸载刚度模量和再加载的应力路径采用的应力相关刚度模量关系为|（）式中，为标准排水三轴试验中的割线刚度；为主固结仪加载中的切线刚度；为卸载 再加载刚度。根据钻探揭露，围堰断面土层主要强度参数见表。表 土层抗剪强度（直剪快剪）参数及压缩性质指标编号岩土名称黏聚力 内摩擦角（）压缩系数 压缩模量 淤泥.黏土.粉质黏土.粉土.淤泥质粉质黏土.在数值模拟过程中，由于土体硬化模型所需的参数较多，一般情况下需要进行室内常规三轴试验和固结试验来确定，而现场的地质勘察报告仅提供。因此，参考相关文献，取（），在 软件中，认为，。考虑现场的复杂情况，有关的土体硬化模型高级刚度参数按如下取值。当土层为粉土时，；当 土 层 为 黏 土 时，。各层土体的土体硬化模型刚度参数见表。表 各土层土体硬化模型刚度参数编号名称淤泥.黏土.粉质黏土.粉土.淤泥质粉质黏土.结构单元及参数模型使用 中的板单元结构模拟钢板桩，梁单元结构模拟钢拉杆。模型中各个结构的参数见表。表 结构参数取值项目厚度 重度 （）弹性模量 截面积 型拉森钢板桩.圆钢拉杆.模型尺寸与边界模型土体尺寸为 ，土体宽 ，单根钢板桩宽.，迎水面、背水面各 根；设有 根钢拉杆，双排土芯钢板桩的总体尺寸为 .。在钢板桩两侧创建正向界面单元，模拟桩与土的相互作用。模型边界条件：底面以及 个侧面设置固定约束，底面以及 个侧面设置固定约束，渗流表面设置地下水渗流边界条件（见图）。图 模型边界条件示意.网格划分数值模型的网格划分见图，单元数为 个，节点数为 个。.施工步骤模型各阶段按现场的施工过程来设置，具体工序双排土芯钢板桩围堰变形特性研究：谢靖宇 洪 钊 党星赛等图 网格划分示意（单位：）如下。（）打设钢板桩：围堰的插入比为.（处于.之间，取值偏安全），该阶段激活钢板桩结构，加载类型选择分步施工。（）回填并安装拉杆：该阶段激活两排钢板桩之间的填土以及钢拉杆结构，加载类型选择分步施工。（）围堰内侧抽水：该阶段通过取消双排土芯钢板桩围堰内侧的荷载来模拟抽水，外侧荷载保持不变，加载类型选择分步施工。（）堰脚堆土及基坑开挖：该阶段激活堰脚加固的土体，将开挖部分的土体设置为停用状态。开挖深度为.，基坑总宽 ，坡度为 .。结果分析抽水后整体钢板桩的水平位移和弯矩见图，钢板桩在各个工序下计算的最大值见表。图 钢板桩水平位移及弯矩（抽水）表 钢板桩各个工序下计算最大值工序位移 弯矩（）.由图 可知，背水面的钢板桩位移大于迎水面，钢板桩地表以上部分水平位移呈现中间大顶部小的现象。弯矩峰值出现在钢板桩与土的交界面处和钢拉杆处，这两处是钢板桩的危险截面。由表 可知，钢板桩的位移和内力在抽水时的变化最为明显，故应当重点关注抽水后由于两侧水位不等引起的钢板桩变形。监测点布置于与围堰回填土面水平的钢板桩上。一般段间距为 。软土段、转角处适当加密。南北侧钢板桩每个断面布置 个点，每侧布置 个。钢板桩水平位移监测点观测采用三角高程测量方法，控制网及监测点观测均按 铁路工程测量规范二等水平位移监测网技术要求观测。考虑到实际工程中不会出现较高应力的情况，故按实际设计的情况作为边界条件进行验证和研究。施工过程中钢板桩测斜点.桩体水平位移见图，监测结果反映了钢板桩在地表以下的位移情况，由图 可知，水平位移值最大值为.。现场实测值与数值模拟结果的对比见图。由图 可知，二者总体趋势较为一致，模拟值相比现场实测值数据偏小，这主要是因为数值模拟未能充分考虑土体的变形特点，土体参数与现场的实际土体中存在一定差异。图 .测点桩体水平位移图 水平位移对比为了更详细地探究迎水面及背水面 根钢板桩不铁 道 勘 察 年第 期同位置的受力和变形情况，在板单元迎水面和背水面选取 个剖面，分别代表 根钢板桩，其中剖面 在背水面钢板桩处，剖面 在迎水面钢板桩处（见图）。图 剖面位置示意图（）为剖面 位置钢板桩不同工序时的水平位移。第 工序时（打桩），钢板桩没有明显的位移；第 工序时（回填），桩体位移的最大值位于钢板桩所在地表高程和钢拉杆高程之间，由于钢拉杆以及土体对钢板桩的变形产生约束作用，使得桩体出现了这种中间向外凸出的复合变形现象；在第 工序时（抽水），由于抽水后钢板桩两侧水压力的变化，中间凸出部分位移有所增加，且降水速率的快慢，对围堰钢板桩水平位移累计量的影响较为明显；第 工序时（基坑开挖），对钢板桩的影响较小。图（）为剖面 位置钢板桩在不同工序下的水平位移。可以看到迎水面的钢板桩位移明显小于背水面，在第 工序时，桩体中间向外凸出；在第 工序后，由于水压力的影响，凸出的部分向内偏移；第 工序对围堰变形的影响较小。罗毅等的研究中，基坑与双排钢板桩围堰之间距离 ，留作施工平台。基坑与围堰之间距离较小时，由于地连墙的约束作用，围堰与基坑的距离减小后钢板桩围堰的变形也会相应有所减小；但当围堰与基坑的距离超过一定范围后，基坑和钢板桩围堰之间的相互影响就比较小。本工程中围堰内基坑深度为.，基坑总宽 ，采用分台阶放坡开挖，基坑两侧以 .的边坡至高程.处设.宽马道，平台向上以 .的坡率至基坑顶部，基坑顶部与双排土芯钢板桩围堰的距离大于，基坑开挖对围堰的变形影响较小。由此可以看出，在实际工程中，当基坑较小时，可通过减小施工平台宽度和增大基坑内支撑刚度等方式来减小钢板桩围堰变形；对于大断面基坑开挖，应在围堰与基坑之间设置较长的距离来减小围堰的变形。钢板桩不同工序弯矩分布见图，由图（）可知，由于钢拉杆的支撑作用，迎水面钢板桩在钢拉杆的位置产生显著的正向弯矩。由图（）可知，弯矩的最大值出现在背水侧钢板桩在地表所在高程处，故应在图 钢板桩不同工序水平位移（单位：）抽水后进行堰脚堆土，围堰内侧土体加固可以有效地限制双排钢板桩围堰的变形。对堰脚加固后，该处的弯矩有所减小。图 钢板桩不同工序弯矩分布 结论通过数值模拟对竺山湖隧道施工钢板桩围堰进行研究，并着重分析了围堰迎水面、背水面钢板桩在不同工序复杂荷载作用下的变形及内力，总结了双排钢板桩的变形特性，结论如下。（）围堰的变形区域主要位于钢板桩在地表高程和钢拉杆高程之间，呈现为中间凸出的复合变形特征。（）围堰的受力集中于钢拉杆支撑处以及钢板桩近地表处，其中围堰背水面钢板桩的堰脚处弯矩最大，应有针对性地进行加固。（）迎水面钢板桩位移较小，背水面钢板桩位移较大。在水压力的作用下，迎水面钢板桩桩顶处产生了向围堰内侧的位移，背水面钢板桩桩顶处产生了向双排土芯钢板桩围堰变形特性研究：谢靖宇 洪 钊 党星赛等围堰外侧的位移。（）抽水过程中双排钢板桩的位移和内力变化最为明显，应特别关注此阶段围堰的稳定性。参考文献 郑瑞杰，彭鹏，郭劲 整体装配式钢板桩围堰在外海深水环境中的应用 施工技术，（）：郑国兵，黄朝煊，袁文喜，等 深厚淤泥中双排钢板桩结构安全稳定性研究 水利水电科技进展，（）：侯永茂，王建华，顾倩燕 等 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，（）：朱艳，石振明，卢耀如，等 海岸带特殊地质条件下双排钢板桩适用性案例分析 工程地质学报，（）：徐顺平，戴小松，张安政，等 软土地基双排钢板桩围堰稳定性分析及应用 施工技术，（）：罗毅，王建新，彭琦，等 海域双排钢板桩围堰与明挖基坑变形特性分析 水利与建筑工程学报，（）：赵挺生，周萌，唐菁菁，等 某钢板桩围堰施工监测与分析 结构工程师，（）：崔春义，黄建，孙占琦，等 不同水位下钢板桩围堰工作性状有限元分析 广西大学学报（自然科学版），（）：张政伟，雷啸，弓健，等 地震断裂带高铁大跨拱桥深基坑钢板桩围堰支护试验与监测 水利水电技术，（）：胡安峰，陈博浪，应宏伟 土体本构模型对强度折减法分析基坑整体稳定性的影响 岩土力学，（）：，汤子扬，牛志国，陈春燕 在板桩码头分析中的应用 水利水运工程学报，（）：郑瑞杰，彭鹏，郭劲 整体装配式钢板桩围堰在外海深水环境中的应用 施工技术，（）：薛清鹏 基于土体硬化模型的紧邻铁路基坑变形分析 铁道工程学报，（）：，徐中华，王卫东 敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择 岩土力学，（）：，司鹏飞，田利勇，张雨剑，等 双排钢板桩围堰变形特性研究水运工程，（）：，（）：国家铁路局 铁路工程测量规范：北京：中国铁道出版社，（上接第 页）图 加速度图像对比 结语近年来，随着无人机技术地不断发展，无人机在铁道勘察领域的应用越来越广泛，同时，围绕无人机进行的二次开发利用项目也越来越多。无人机装备的研发需要多次的实际试飞验证，受实际试飞测试受天气、空域管制、飞行安全、炸机等各方面的限制，试飞成本非常高。因此，对于新研发的无人机，应首先在模拟环境上测试，这样不但能够有效地节约研发成本，还可以大幅提高研发效率。参考文献 吴献文 无人机测绘技术基础 北京：北京交通大学出版社，张柳 铁路沿线环境无人机技术调查取证 测绘通报，（）：，蔡冬冬，胡波 大疆 教育无人机从入门到精通 北京：清华大学出版社，焦培刚 飞行仿真虚拟可视技术 北京：化学工业出版社，张琪，梁婷，王景焕 无人机仿真技术 北京：航空工业出版社，林庆峰，谌利，奚海蛟 多旋翼无人飞行器嵌入式飞控开发指南 北京：清华大学出版社，全权，戴训华，王帅 多旋翼飞行器设计与控制实践 北京：电子工业出版社，王瑞，丁晓青 四旋翼飞行器设计与实现 北京：清华大学出版社，张海龙，袁国忠 第六版中文版 北京：人民邮电出版社，王凯 面向铁路工程三维信息重建的无人机航线规划改进方法 铁道建筑，（）：刘立海，王巍，石先明 远距离无源铁路监测信息采集系统 铁道工程学报，（）：马学志，范剑雄，柴雪松，等 无人机巡检系统在铁路混凝土桥梁检测中的应用 铁道建筑，（）：贺鹏，刘奇，王通，等 基于无人机倾斜摄影技术的铁路边坡危岩落石运动特性分析 铁道标准设计，（）：姚建平，蔡德钩，安再展，等 铁路无人机巡检研究应用现状与发展趋势 铁道建筑，（）：袁磊，苏永华，张斌，等 无人机摄影测量技术在铁路桥梁巡检中的应用 铁道建筑，（）：铁 道 勘 察 年第 期