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瓯江某钢板桩围堰结构稳定性原位监测分析
摘要：为掌握钢板桩围堰结构在施工使用中的受力变化过程及特征，根据围堰平面长度，在重点关注区域共布设10个拉杆轴力监测点进行整体受力情况观测。研究表明：通过在围堰工程多点布设测力计可有效观测不同区域结构受力过程及差异特征；监测初期，各监测点钢拉杆轴力数据变化较为明显，而在4～6个月后数据变化逐渐趋缓；瓯江侧和水闸右岸等区域拉杆轴力相对较大，且拉杆下部承受的拉力普遍要大于上部的压力。采用原位应力监测技术可准确发现异常位置并及时采取措施确保围堰安全。
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钢板桩因具有质量高、施工简单、经久耐用、减少施工任务对空间的要求等诸多优点，现已广泛应用于水利、交通、市政、港口、航运等工程，包括围堰、码头、桥梁、沉管隧道等工程的基础支撑[1-9]。在软土地基地区，双排钢板桩围堰结构因其结构稳定性好、抗变形、抗渗水能力强、适应工程挑战能力强而备受青睐。
学者们对双排钢板桩的实际应用进行了诸多有价值的研究，并取得了重要的成果。高加云等基于某造船基地双排钢板桩围堰工程案例，介绍了针对软土地基的围堰结构设计与变形特性；徐顺平等以东湖通道工程深厚软基中双排钢板桩围堰为背景，系统开展了不同桩长在围堰抽水阶段围堰变形研究，结合监测认识针对性提出了适宜的预警控制值；江杰等对围堰系统回填料、宽高比和土体加固等指标进行敏感性分析，据此提出了围堰体系冗余度概念及其表达式，结合工程实际验证了该理论的适用性[10-12]。上述研究虽然分析了围岩的结构稳定性和施工过程的安全性，但对于规模大、周期长以及受水流冲击等复杂因素影响下的围堰结构稳定性研究还比较有限。
对此，文章针对瓯江附近瓯飞一期钢板桩围堰结构在施工过程中受外界不利因素影响，在多个工区内不同位置钢板桩拉杆上安装测力计，实时观测了拉杆轴力变化过程及差异特征，研究结果为确保围堰结构整体安全稳定提供了一定参考。
1、工程概况
1.1围堰钢板桩结构设计
瓯飞一期围垦工程围垦面积约8867hm2,从西北端海滨围垦北堤东端开始，向东南延伸约4.3km,折向西南，沿-3.0m附近的等高线延伸成28.8km的东堤，南堤始于丁山二期南堤东端，向东南至长拔山延伸3.5km,与东堤相接，堤线总长约36.66km。南北堤防潮(洪)标准为100a,东堤为50a一遇。本工程为Ⅰ等工程，其中北1#闸净宽80m、北2#闸净宽66m。北1#、北2#闸施工围堰建筑物级别为4级，其设计标准为20a一遇设计高潮位及其同频率风浪，允许越浪；围堰结构按3级建筑物标准设计。北1#、北2#闸须在围堰围护形成的基坑内进行施工，施工围堰基坑侧边线至水闸真空预压处理范围设置约10m的安全距离，围堰轴线总长约1533m。围堰主体采用双排钢板桩结构，在与海堤结合部位采用土石围堰结构。
围堰主体采用双排钢板桩结构，在与海堤结合部位采用土石围堰结构。双排钢板桩围堰宽11.0m,内外排均采用U型冷弯钢板桩，外排钢板桩顶高程6.30m,内排钢板桩顶高程5.50m,钢板桩内填土高程5.00m,内外排钢板桩桩长均为27.0m(外排桩尖标高-20.70m,内侧桩尖标高-21.50m)。钢拉杆规格为∅70@1400,拉杆设置标高2.00m,导梁采用32b槽钢双拼，为增强钢板桩的整体性，沿围堰轴线每隔约30m设置一道钢板桩横隔墙，隔墙钢板桩桩长18m,桩顶高程4.50m。为满足围堰稳定及防冲要求，钢板桩两侧设置抛石镇压层，内镇压层顶高程-0.50m、宽15.0m,外镇压层顶高程-0.50m、宽10.0m。为满足钢板桩施工要求，在钢板桩施工前，对基础淤泥进行开挖置换砂垫层，置换深度为4.0m。
1.2钢拉杆轴力监测点布设
为掌握钢板桩围堰变形时钢拉杆所产生的应力变化，根据围堰平面长度，布设了10个拉杆轴力测试点，编号为ML1～ML10。由于钢板桩围堰变形时拉杆产生的应力是不均匀，呈非中心受力，根据这一变化特征，传感器设置按十字中心对称布置，每测试点布设4只传感器，传感器设置位置为拉杆长度1/3处，共计40支测力计。将测力计采用电弧焊连接方式与钢拉杆固定在一起，同时将电缆绑扎标记好。测力计在钢拉杆紧固固定前安装到位，在钢拉杆施加预应力前测好初始值。
1.3土压力计监测点布设
双排钢板桩堰体侧向土压力的变化采用土压力计监测，根据设计图纸位置，将土压力计按设计标高采用焊接法固定在钢板桩上，保持土压力计与钢板桩铅直，加排土靴，同时将电缆按设计走向引出，并绑扎标记好。
土压力计安装在测试钢板桩插入土前设置就位，在围堰基坑抽水前的平潮时测好初始监测值。记录和描述有关情况和数据，提交 “土压力计埋设考证表”。
2、监测方法
2.1钢拉杆轴力监测
监测方法：采用振弦频率读数仪人工测读，通过其频率推算出钢拉杆所受轴力，计算公式为：
N=S[K(fi-f0)+C(ti-t0)] (1)
式中：N为钢拉杆轴力，kN;S为钢拉杆截面积，m2;K为测力计的标定系数，kN/Hz2/ m2;fi为测力计的本次频率值，Hz;f0为测力计的初始频率值，单位为Hz;C为测力计的温度修正系数，kN/℃;ti为测力计的本次测试温度值，℃;t0为测力计的初始测试温度值，℃。
2.2土压力监测
监测方法： 采用频率读数仪人工测读，根据采集到的频率模数，按下式计算：
P=k△F(2)
F=F-F0(3)
式中：P为土压力计的测量值，kPa;k为土压力计的测量灵敏度，kPa/F;△F为土压力计实时测量值相对基准值的变化量，F;F为土压力计的实时测量值，F;Fo为土压力计的基准值，F。
3、监测结果与分析
3.1钢拉杆轴力监测结果与分析
埋设工作自2014年6月2日开始，至2014年8月17日埋设完成。在施工过程中，钢板桩围堰变形以不均匀变形为主，钢拉杆应力变化复杂，致使许多仓位不同位置的钢测力计失效或破坏。截止2015年6月，各仓拉杆轴力监测资料统计见表1。
由表中各监测点数据可发现，不同区域拉杆轴力差异较大，除ML1测点拉杆轴力以压应力为主外，其他各测点拉杆轴力数据主要为受拉状态，其中围区侧ML2、ML3位置的拉应力相对较小(约400 kN),而瓯江侧和水闸右岸等区域拉杆轴力普遍较大。
表1钢拉杆轴力监测资料统计表
结合表1统计结果，进一步选取ML3、ML6、ML10围堰不同方位监测点数据可以发现，截止2015年6月，钢板桩围堰经过堰内抽水、抽真空及仓内吹沙一系列施工过程，钢拉杆轴力逐步增大，目前钢板桩拉杆最大拉力为986.64 kN,发生在拉杆ML7下部。根据各监测点各项变化数据可知，监测初期，各监测点数据变化较为明显，当时间在4～6个月后，数据变化逐渐趋缓；拉杆下部承受的拉力普遍要大于上部的压力，这说明拉杆此时的弯矩较大；其次拉杆左右主要承受拉力作用，但有的拉杆左右两部拉力大小相差较大，说明拉杆可能已弯曲。对此下一阶段要重点监测拉杆轴力变化情况，及时发现问题，确保钢板桩围堰安全运行。
3.2土压力监测结果与分析
由于原位观测进场相对较晚，施工单位已将钢板桩围堰3～12仓下部打设完成，下部高程土压应变计无法按设计要求埋设，瓯江侧31～42仓桩体应变计按设计图纸顺利完成埋设，而后增加8仓、9仓、10仓及12仓上部高程处土压应变计埋设。埋设工作自2014年4月22日开始，至2014年7月6日埋设完成。此外施工方在施工过程中对观测设施保护意识不强，加之钢板桩围堰多发生不均匀变形，致使一些仓位不同位置的土压计失效或破坏。截止2018年6月，桩侧土压监测资料统计见表2。
表2桩侧土压监测资料统计表
由监测结果可以看出，钢板桩施工过程中桩体发生不均匀变形后，内侧钢板桩土压力计埋设于基坑侧，外侧钢板桩土压计埋设于仓内侧，仓内吹沙填筑后，上部桩体侧向土压力增大，下部钢板桩在施工过程中变形量小且土体地质较差，侧向土压在40kPa以下，对钢板桩桩体稳定性基本没有影响，桩体处于稳定状态。
3、结 论
本工程双排钢板桩围堰位于瓯江出口，围堰规模大，施工环节多、周期长，岩土条件复杂，同时受到潮汐涨落、水流冲击等复杂因素的影响，在实际施工过程中开展了原位监测，研究结果如下：
1)通过在围堰不同区域的拉杆结构上合理布置测力计，可对整个围堰工程进行多点位受力变化过程及差异特征监测。
2)监测初期，各监测点钢拉杆轴力数据变化较为明显，当时间达到4～6个月后，数据变化逐渐趋缓；钢板桩拉杆最大拉力为986.64kN,发生在拉杆ML7下部。
3)瓯江侧和水闸右岸等区域拉杆轴力普遍较大，且拉杆下部承受的拉力普遍要大于上部的压力；结合实际监测情况综合判断围堰结构整体安全稳定。
4)仓内吹沙填筑后，上部桩体侧向土压力增大，下部钢板桩在施工过程中变形量小且土体地质较差，侧向土压在40kPa以下，对钢板桩桩体稳定性基本没有影响，桩体处于稳定状态。
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文章来源:吴炎,汤明礼,王锦文.瓯江某钢板桩围堰结构稳定性原位监测分析[J].黑龙江水利科技,2024,52(10):103-105+169.
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2024-11-01
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