英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
施工过程中某双壁钢围堰失效调查
Meen-Wah Gui ，Khee-Kwong Han
台北理工大学土木工程系
摘要：为了阻隔洪水，围住一个河口周围修建了一个400米长的双壁围堰。这个6-25米宽的围堰是用钢支柱和焊接在围堰内的横撑来支撑的，用18米长的钢板桩穿透软海洋粘土直至中硬粘土层。然而，一场强降雨后围堰失效。一部分板桩的顶部向保留池偏转约2米，这是在围堰顶部下4.2米的最终深度之前疏浚的。现场检查显示，一些支柱是从焊接在池旁的钢板桩墙上的横撑上分离下来。启动了一项研究以调查这一围堰事故。本文介绍了失效的背景、失效的情况、失效后有限元分析的结果，最后指出了失效的实际原因。
关键词：双壁围堰 板桩墙 开挖 焊接接头 失效
目录
1.简介 2
2.双壁围堰背景 3
2.1地下条件 3
2.2修建双壁围堰 4
2.3堰塞体故障 9
3.堰塞体坍塌分析 12
3.1.有限元分析 12
3.2.焊接接头设计 14
5.结论 20
参考文献： 21
1.简介
罗马建筑师Polio Vitruvius早在公元前25年就指出[1]，在河口使用围堰来保护建筑物坑免受高峰时的流量破坏。随着20世纪初钢板桩的引入，现代围堰成为可能。今天，深度大于25米、宽度大于30米的围堰很容易被看作是永久性的水工结构和开挖围护结构。常用的围堰有两种类型：双壁围堰和蜂窝围堰。双壁围堰由平行钢板桩墙组成，通常被打入现有的底土。这两堵墙是由一到两层的横撑系统连接起来的。两壁内的空间充满了粒状土，如沙子、砾石或岩石碎片。蜂窝围堰由圆形围墙组成，由相互连接的扁钢构成单元。即使没有横梁与连接系统，即使在下层为坚硬岩石不可能嵌入钢壁的地方，他们可以设计成稳定的重力墙。在东南亚，在河口建造了双壁围堰来调节水位，因为它们能够承受较大的水压，同时允许加深封闭的保留池。
据马来西亚灌溉和排水部称[2]，马来西亚半岛的西海岸在9月至11月的季风期间易遭受洪水的侵袭，在此期间雷暴盛行，降雨短暂但是非常强烈，排水系统严重超载，并导致局部山洪。为了缓解洪水问题，马来西灌溉与排水部认为防洪池是结构（治疗）措施或工程方法之一，其目的是通过池塘转移洪水，从而调节外流使洪峰衰减。当围堰内的水在洪水消退后，会慢慢地释放回河里。在吉隆坡，这种方法已成功地将多余的洪水从戈姆巴克河转移到巴图池塘临时储存。因此，一个总长约400米的双壁围堰形成了一个防洪池的矩形围堰（图1）已在马来北部提出并建造以调节河口洪水。围堰的宽度从6米、10米到25米不等。
马来西亚建造围堰的传统做法是在围堰顶端附近提供水平的拉杆支撑。然而，对于这个围堰，一个水平的钢支柱被用来连接两个钢板桩墙。横撑放在钢板桩墙后，围堰内。支柱，横撑和板桩连接使用圆角焊接。在围堰施工过程中发生了一系列故障。为调查2003年初一场强降雨后堰塞体一段堰体失效事件，启动了一项调查。
失效在工程实践中起着重要的作用[3]，对失败的认识是重要的，因为它证明了系统的局限性[4]。因此，为了防止将来发生类似的失败，必须研究和揭示故障的原因。本文介绍了工程的地基条件、施工顺序、坍塌情况及其破坏后数值分析的结果。然后指出了围堰失效的原因。
2.双壁围堰背景
2.1地下条件
故障现场的地面已被调查,使用四个旋转冲洗镗孔钻取到大约41米的深度。对在钻孔中的土进行了标准贯入试验和现场十字板剪切试验。从钻孔结果来看，该地点的地下状况的特征是浅海床下有一个8.5米厚的软海洋粘土。在软海洋粘土的下面是一层2米厚的非常松散的沙子，然后是一层10米厚的中硬粘土，一层2米厚的松散的沙子和一层11米厚的中密的沙子，以及在钻孔最底部的一层是十分坚硬的粘土。表1列出了从地面调查中获得的用于原设计和围堰破坏分析的土壤参数。围堰板桩是从驳船上安装，穿透海洋粘土、松散砂和插入到4.8m处的中硬的粘土层中。表一
2.2修建双壁围堰
将长度为18m的钢板桩安装在高程为 2.2m的近岸表面到高程为-15.8m的海底。所有外排板桩均为拉森钢板桩LX20，内排为拉森钢板桩LX16，围堰西南段除外（图1）两排板桩均为拉森LX20。外墙面向陆地或海洋，而内墙包围池塘。种植机箱和钢筋混凝土梁分别覆盖外墙和内墙的顶部。板桩未设置渗水孔。热带地区年降雨量高，无疑会使围堰墙后的地下水位升高，致使堰内水面高程与堰外水面高程有落差。这将导致围堰和池塘形成大差异水位，因为池塘水位不能超过溢洪道的水位。
与传统的使用拉杆的双壁围堰不同，失败的围堰采用支柱（203*203*46kg/m钢段）和横撑（305*254*78kg/m钢段）以固定板桩墙。支柱和横撑都是在围堰内建造的，位于墙顶以下1.6米处，支柱水平间距4m。在某些地方，支柱的宽度和高度尺寸小于横撑，连接板被放置在它们之间。例如，在大于6米宽的围堰段，使用较大的支柱段（305*305*226kg/m）。这些支柱的高度（305毫米）大于横撑的宽度（254毫米）；因此，支柱不能直接焊接在横撑上，这就需要使用钢板（400*400*20mm 厚）在支柱和横撑之间。
用10毫米厚的焊缝将钢板桩连接到横撑，横撑连接到支柱上。在需要钢板的地方，横撑被焊接到钢板上，而钢板又被焊接到支柱上。焊缝的布局如图2所示。可以看出，板桩与横撑连接（图2a和b截面A-A）有最长的焊缝长度，角焊缝达到横撑的顶部和底部；横撑和支柱（图2a截面B-B）和横撑和板连接（图2b截面C-C）焊缝长度等于支柱的整个周长以及横撑与板的连接（图2b截面B-B）有最短的焊缝长度，这使它成为最关键的部分。
图二
（a）板桩-横撑-支柱连接 （b）板桩-横撑-钢板-支柱连接
围堰的施工顺序，如图3所示，概述如下：
1.在平均高程-0.5米处的地面水平，从 2.2米至-15.8米处安装了两排18米长的联锁板桩。一个水平的支柱和横撑安装在地面以上0.6米处（图3a）。
2.为了用更好的土壤代替软粘土，围堰的内部分五次挖掘直至-5.5米处（图3b）。用颗粒土填充4次直至-1.2米处（图3c）。另外填充4次到2.2米处（图3d）。在每个施工阶段，围堰内部的水位都随着地面水位相应的降低/升高。
3.围堰6与10米宽段外墙后地面和水位分三次提升至2.2米，塘床水位由-0.5米下降至-2.0米，并将池塘水位保持在-0.5米（图3e）。
4.对于25m宽的围堰段，面朝大海的外墙地面未抬高，海床和水位保持在-0.5m，池床水平面进行清淤使水位从-0.5米降至-2.0米，同时将池塘水位保持在-0.5米（图3f）。
图3围堰施工顺序：（a）安装两排联锁板桩和一层支柱和横撑；（b）挖掘围堰内部；（c）围堰内部填充颗粒土至-1.2米处；（d）围堰内部填充至 2.2米高的颗粒土；（e）海滨地面提升至 2.2米，水塘疏浚至-2.0米；（f）25米及部分10米宽围堰，海边地面没有升高，但水塘疏浚至-2.0米。
2.3堰塞体故障
在施工期间和结束时发生了一系列故障。先前的故障已经修复和加固，无法进行检查。为了防止情况恶化，应急方案是在墙的一段发生故障时减少施加的荷载，并在故障墙倒塌时降低水位。
一项调查是在一次失败后启动的，在经过一场暴雨后，施工达到最大开挖深度，一个内板桩墙在图的“A”位置的倾斜（图1）。上升的地下水位在围堰后面施加了较大的差压，并引发了故障。板桩的顶部向池塘横向移动，最大距离为2米，并在墙后挖空地面（图4），发现一些内板桩与横撑错开（图5）。虽然内墙被过度移位，但外面的板桩没有太大的位移，也没有在放置在这些板皮上的种植箱中造成任何明显的裂缝或失调。这可能表明，在这些地点，外板桩的位移相对较小，因此，种植罐的条件相对不受应力。然后可以推断，围堰没有以一个单元取代两排板桩而失败。换句话说，板桩-横撑-连接板-桁架连接，它形成了一个支撑系统首先失败了，因为无法抵抗施加在他们身上的力，并导致内板桩从横撑中移除。
为了调查支撑系统的故障，在围堰内部挖掘了14个露天坑，以检查板桩、横撑和支柱的焊接接头，以评估现有焊缝的长度。调查表明，在一个横撑端到横撑端关节有一个故障（图6）。在一些地方，人们发现横撑和板桩之间的间隙太大以至于钢带被要求作为焊接横撑到板桩的介质（图7a和7b）。需要使用钢带，因为钢板桩没有安装在一条直线上，因此，板桩和横撑之间的间隙太大，无法焊接在一起。使用钢带作为填充，在钢板桩和横撑之间焊接，导致这些接头的刚性较小，从而损害了围堰的稳定性。
图四：围堰板桩的倾斜
图五：横撑与板桩分离
图六：卸下的横撑和支柱，以及顶部盖梁的损坏
图七：（a）焊接在钢板桩和横撑上的钢带；（b）沉没的横撑露出钢带
3.堰塞体坍塌分析
3.1.有限元分析
采用有限元代码PLAXIS[5]，通过尽可能紧密地模拟围堰的建造来评估作用在焊缝接头上的力。计算机程序可以对岩土工程中的变形和稳定性进行二维分析。利用PLAXIS对施工的各个阶段进行建模，并在支柱、板桩和接头中提供轴向力、剪切力和弯矩。在此，采用了15节点三角形元素进行分析。图中给出了用于6米宽围堰段的典型网格（图8）。因为围堰的长度比它的高度和宽度长得多，计算机模拟将围堰的模型视为平面应变刚架，有两排平行的板桩，与支柱刚性连接。由于没有液压千斤顶，通常用于将力矩转化为安装在支柱端部的轴向力，焊接接头被建模为刚性连接，因此受到刚性连接的影响不仅对轴向力和剪切力，而且对板桩挠度引起的弯矩也有影响。
图八：在Plaxis分析中使用的典型网格
在本研究中采用了一种混合设计方法，分别对砂土层和粘土层的完全排水和不排水行为进行了表征分析中使用的Mohr-Coulomb土壤模型及其相关土壤参数见表1。砂土填土的性质为：饱和单位重量，有效摩擦角，表观粘聚力，中点割线杨氏模量，泊松比v=0.33。为了避免分析过程中任何可能的数值不稳定性，将0.5KN/m2的小的表观粘聚力值crsquo;分配给砂层[5-6]。对非常软和中等刚性粘土层分别给出了9和32KN/m2的不排水抗剪强度值。由于用于围堰的材料是预制项目，其性能已从材料性能手册[7]中获得。如施工图所示，板桩的长度为18m。围堰顶部需要均匀分布的荷载为15KN/m2，以表示挖掘机挖掘水塘及运输车辆所产生的负荷，例如，离工地有0.6米厚的废石方。
用PLAXIS对四段宽分别为6、10和25米的围堰进行了分析。18米长的板桩穿过海相粘土、松散砂土和进入中硬粘土层4.8米，因此，桩可能没有形成足够的固定性，以免它们在底部旋转。这如图所示，在图4a中，偏转的截面被看成围绕它们的底部旋转，因此在分析中，板桩被认为是自由地围绕其底部旋转的。表2给出了围堰两侧的不同情况和支柱尺寸。围堰施工的模拟阶段是：（1）围堰内五处减量，将土从初始开挖至最大开挖水平；（2）将围堰内部以八个增量填筑至高程 2.2米；（3）在海边以三个增量填筑至海拔 2.2米，在围堰顶部增加15KN/m2的均匀分布荷载，并挖掘到水塘内海拔-2.0米；（4）在海边不填充，在围堰顶部增加15KN/m2的均匀分布荷载，并疏浚至池塘内-2.0m的高程。因此，完整的分析将涉及第一、第二和第三阶段或第一、第二和第四阶段。在施工的每个阶段，程序计算了板桩和支柱的力、弯矩和挠度。因为所使用的程序是二维程序，所以横向的力和弯矩（即横撑）还没有被考虑。如果这些力和弯矩超过板桩和接头的强度，板桩或接头就会发生故障。
有限元结果表明，当围堰内部开挖到最深处，即原地面堤防以下5m处时，板桩记录了最大弯矩（表3）。由表3可知，最大弯矩中最大值为350.2KN*m,（围堰宽25m段的海边板桩），小于板桩拉森LX20的弹性弯矩容量465KN*m。对应的安全系数为1.33..拉森LX16和拉森LX20的抗剪切能力分别为3010KN和3393KN，远远超过记录的的最大剪切力156.1KN。在分析的基础上，证实围堰的破坏不发生在钢板桩中。很可能是围堰的其他部分造成了故障。
表二：有限元分析中分析的围堰断面（注：所有钢横撑为305*254*78公斤/米）
3.2.焊接接头设计
如前所述，焊接接头沿支柱受到弯矩、剪切力和轴向（拉伸或压缩）力（图9）.用有限元分析得到的剪切力（Fv）、轴向力（Fa）和弯矩（M）计算了接头处的荷载（F R）（表4-7）。表4显示了围堰6米宽段的板桩-横撑和横撑-桁架连接的计算和状态；和10米宽围堰的连接板-桁架连接，在海边填充；表6和表7分别显示了10米宽和25米宽围堰的板桩-横撑、横撑-连接板和连接板-桁架连接的计算和状态，没有在海边填充。用于计算焊缝长度
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[240259]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
