鋼筋混凝土拱圍堰在橋梁基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

彭　撞，許明君，陳德華

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶　400074； 2.中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司， 成都　643202)

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鋼筋混凝土拱圍堰在橋梁基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

彭撞1，許明君2，陳德華2

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶400074； 2.中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司， 成都643202)

摘要：根據(jù)拱的受力特點(diǎn)并考慮鋼筋混凝土的材料和力學(xué)性能，將鋼筋混凝土拱用于橋梁基礎(chǔ)圍堰設(shè)計(jì)中。結(jié)合鋼筋混凝土拱圍堰的工程實(shí)例，介紹拱圍堰的受力特點(diǎn)、施工方法、驗(yàn)算理論和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；拱圍堰；橋梁基礎(chǔ)

圍堰作為水工建筑中臨時(shí)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其主要作用是承受水平方向水壓力和土壓力，為橋梁下部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)施工提供足夠作業(yè)空間。圍堰種類很多，根據(jù)材料類型，一般可將圍堰分為土石圍堰、草土圍堰、木質(zhì)圍堰、鋼板樁圍堰、鎖口管柱圍堰、鋼筋混凝土圍堰以及鋼-混凝土組合圍堰等。橋梁基礎(chǔ)施工中，圍堰形式的選擇受到施工技術(shù)條件和工程地質(zhì)條件的雙重限制?；炷羾咭蚱淇箾_防滲性能好，對(duì)施工技術(shù)要求不高，對(duì)工程地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前仍被較多地用于工程施工中。

本文以混凝土圍堰為對(duì)象，基于拱受力特性和鋼筋混凝土的材料特點(diǎn)，研究將鋼筋混凝土拱和圍堰相組合并用于實(shí)際工程施工中。通過(guò)工程實(shí)例，介紹鋼筋混凝土拱圍堰的施工方法、受力特點(diǎn)、驗(yàn)算理論和適用范圍。

1鋼筋混凝土拱圍堰

1.1拱的受力特點(diǎn)

拱在豎向荷載作用下，其拱腳不僅會(huì)產(chǎn)生豎向反力，而且還會(huì)產(chǎn)生水平推力。由于水平推力的存在，拱承受的彎矩相比梁結(jié)構(gòu)要小很多，從而使整個(gè)拱主要承受壓力。拱設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考合理拱軸線對(duì)拱的受力進(jìn)行優(yōu)化，以減小拱圈截面受到的彎矩。在理想狀態(tài)下，甚至能夠使拱圈截面只受到軸力而無(wú)彎矩的作用。圍堰承受水平方向水壓力和土壓力與拱的受力形式很相似，從而為將拱圈運(yùn)用于圍堰提供了理論基礎(chǔ)。

1.2混凝土材料特性

混凝土作為一種人造石料，其具有很強(qiáng)抗壓能力，但其抗拉能力卻很弱。以C20混凝土為例，其軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值能夠達(dá)到13.4 MPa，但其軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值僅為1.54 MPa。在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土強(qiáng)度還會(huì)發(fā)生明顯變化。當(dāng)雙向受壓時(shí)，1個(gè)方向的混凝土抗壓強(qiáng)度隨另1個(gè)方向壓應(yīng)力的增加而增加，其強(qiáng)度比單向受壓時(shí)的抗壓強(qiáng)度約增加16%～25%；當(dāng)3向受壓時(shí)，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度隨另外2個(gè)方向壓力的增加而增加，增加值可按公式求得。所以，采用混凝土來(lái)修建圍堰能夠很好地利用其抗壓性能。

1.3鋼筋混凝土拱圍堰特點(diǎn)

鋼筋混凝土拱圍堰將鋼筋混凝土的材料性能和拱的受力特點(diǎn)相結(jié)合，不僅在結(jié)構(gòu)上對(duì)圍堰進(jìn)行了優(yōu)化，而且還能夠充分利用混凝土的材料性能。

1.4鋼筋混凝土拱圍堰優(yōu)點(diǎn)

1) 受力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

2) 抗壓能力強(qiáng)，自重大，穩(wěn)定性好。

3) 采用從上至下的合理施工順序，對(duì)土體擾動(dòng)小。

4) 墩臺(tái)基礎(chǔ)施工完成后可作為永久性結(jié)構(gòu)物協(xié)助橋墩基礎(chǔ)受力。

5) 投入設(shè)備少，施工簡(jiǎn)單，對(duì)施工器械和施工條件要求不高。

2工程實(shí)例

2.1工程概況

四川省富順縣沱江三橋是S305線富順縣城過(guò)境段改(擴(kuò))建工程中跨越沱江的一座獨(dú)立橋梁。該橋位于晨光二廠上游約200 m，線路全長(zhǎng)0.997 5 km，起訖樁號(hào)K8+492.5～K9+490。橋跨結(jié)構(gòu)為1×20 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁+(73+130+73)m懸臂現(xiàn)澆連續(xù)箱梁+18×20 m預(yù)制箱梁，橋面全寬26.5 m。汽車荷載為公路I級(jí)，人群荷載為3.0 kN/m2，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100，通航等級(jí)為IV-(3)。

沱江三橋橋梁2#主墩位于河床中，承臺(tái)嵌入河床強(qiáng)風(fēng)化巖層0.6～4 m。河床表面只有約0.5 m的卵石覆蓋層，河床地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖。沱江枯水季節(jié)流速平緩，流速為0.3 m/s。3#墩承臺(tái)水深達(dá)到8 m，2#墩水深在5～14 m之間。橋梁總體布置如圖1所示。

圖1　富順縣沱江三橋總體布置

2.2施工方案

2#墩承臺(tái)所處河床地形陡峭，縱橋向承臺(tái)邊緣原河床底面標(biāo)高高差達(dá)8 m，鉆孔樁平臺(tái)若采用鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行施工，則需進(jìn)行水下爆破，且河床清理平整后才能開(kāi)始鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)及后續(xù)承臺(tái)鋼套箱施工。若采用這種方法施工，則不僅時(shí)間周期較長(zhǎng)，投入大型設(shè)備較多，施工進(jìn)出場(chǎng)極為不便，而且辦理相關(guān)特殊施工許可證周期也較長(zhǎng)，無(wú)法保證在汛期洪水到來(lái)之前完成水下結(jié)構(gòu)物的施工，從而會(huì)影響整個(gè)工期。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)2#墩承臺(tái)基坑開(kāi)挖邊坡驗(yàn)算穩(wěn)定性不夠。因此，結(jié)合水下河床地形、地質(zhì)條件，并考慮到施工器械和施工條件的限制，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)方案，確定2#墩采用注島圍堰施工方案，圍堰形式為鋼筋混凝土拱。鋼筋混凝土拱圍堰結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2　拱圈結(jié)構(gòu)形式

2.3施工步驟

1) 在靠航道側(cè)圍堰筑島邊緣1 m處插打鋼板樁，形成有效的止水帷幕，防止沱江水滲入。

2) 邊坡采取挖機(jī)開(kāi)挖，初始開(kāi)挖3 m采用放坡開(kāi)挖，不采用拱圈支護(hù)，開(kāi)挖過(guò)程中注意觀測(cè)邊坡土體，發(fā)現(xiàn)有裂縫、變形時(shí)應(yīng)停止開(kāi)挖，經(jīng)處理后再繼續(xù)開(kāi)挖。開(kāi)挖放坡為1∶1.5。

3) 基巖采用鑿巖機(jī)破除后挖除，已經(jīng)挖好的坡面需噴施水泥砂漿進(jìn)行護(hù)坡，防止雨水沖刷導(dǎo)致邊坡滑坡。開(kāi)挖過(guò)程中不得超挖，挖1層支護(hù)1層，并注意觀測(cè)基坑壁土體，若發(fā)現(xiàn)變形滑坡則必須進(jìn)行加固措施后再開(kāi)挖。

4) 拱圈施工由上而下進(jìn)行，由外到內(nèi)，按測(cè)量放線的位置進(jìn)行開(kāi)挖。挖出拱圈施工位置后須立即進(jìn)行鋼筋綁扎及模板安裝，并盡快澆筑混凝土以形成拱圈結(jié)構(gòu)，有效支護(hù)基坑壁。拱圈拱腳設(shè)置在上下游側(cè)原有地貌的基巖巖層上，在基巖上植筋并將其與拱圈鋼筋相連，使其與拱圈鋼筋相連形成整體，同時(shí)拱腳與基巖結(jié)合處須保證對(duì)拱圈施工外的基巖不會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)、破壞。在拱圈底板預(yù)埋接茬鋼筋，采用將鋼筋直接打入地面的方式進(jìn)行。待下層拱圈施工時(shí)挖除土方后，露出鋼筋即可與下層拱圈鋼筋相連接。

5) 拱圈澆筑混凝土拆模，混凝土強(qiáng)度超過(guò)50%后，即進(jìn)行下1層拱圈的施工，方法與第4)條相同。上下層拱圈之間在寬度方向咬合30 cm，高度方向咬合10 cm，上下層拱圈之間形成有效止水帶。

2.4拱圈結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通常需進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算是指對(duì)結(jié)構(gòu)抗拉、抗壓、抗扭以及疲勞等驗(yàn)算，正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算是指對(duì)結(jié)構(gòu)抗裂、裂縫和撓度等驗(yàn)算。本文的鋼筋混凝土拱圍堰作為橋梁基礎(chǔ)施工中的臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，只對(duì)它進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，即承載能力驗(yàn)算。

2.4.1基本假設(shè)

驗(yàn)算時(shí)作如下假設(shè)。

1) 因土處于飽和水狀態(tài)，故為簡(jiǎn)化計(jì)算且偏安全考慮，不考慮土的粘聚力(即c=0)，同時(shí)土壓力計(jì)算采用不考慮水滲流效應(yīng)的水土分算法。

2) 每層拱圈沿高度方向?qū)嶋H受到逐漸增大的均布?jí)毫Α７治鰰r(shí)，假設(shè)沿每層拱圈高度方向土壓力和水壓力按最大均勻分布。此假設(shè)是為了便于分析，但卻忽略了偏心荷載對(duì)拱圈的影響。這是因?yàn)榭紤]到混凝土拱圈自重大，故偏心壓力對(duì)它的影響可以忽略。

3) 每層拱圈之間，由于下層拱圈受到的土壓力和水壓力比上層拱圈的要大，故假設(shè)上下層拱圈之間的咬合不影響相互之間的受力，僅起止水作用，這種假設(shè)也與實(shí)際情況更加符合。

2.4.2地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，列出2#墩土層參數(shù)及橋墩處風(fēng)化頁(yè)巖土夾粘土層主動(dòng)土和被動(dòng)土壓力系數(shù)，分別見(jiàn)表1、表2。

表1　2#墩土層參數(shù)

表2　2#墩風(fēng)化頁(yè)巖土夾粘土主、被動(dòng)土壓力系數(shù)

注：Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)。

2.4.3驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)施工順序，對(duì)每個(gè)工況進(jìn)行分析，然后選擇最不利工況對(duì)拱圈最不利位置承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)每1層拱圈施工完成并穩(wěn)定以后，拱圈受到水平方向土壓力和水壓力以及等效車荷載產(chǎn)生的水平壓力，其中車荷載為圍堰頂面放置的攪拌車等設(shè)備的總重量。根據(jù)攪拌車尺寸將攪拌車等設(shè)備換算成地面超載，即等效車荷載，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果選出最不利工況。

根據(jù)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)最不利工況為最下面1層拱圈的受力，計(jì)算得到最不利工況下拱圈受到的總水平壓力為：

4.01+37.85+30.6=72.46 kN/m

通過(guò)拱圈受到的外力即總水平壓力選擇有限元軟件邁達(dá)斯建立拱圈模型來(lái)計(jì)算拱圈的受力情況。由于拱圈成型之后其自重由土體承擔(dān)，故建模分析時(shí)可以把每個(gè)拱圈獨(dú)立出來(lái)并分別進(jìn)行受力分析。計(jì)算模型及結(jié)果如圖3、圖4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出拱圈拱頂截面的受力情況，見(jiàn)表3。

圖3　最下面1層拱圈模型

圖4　拱圈受均布荷載

軸力最大值/kN剪力最大值/kN應(yīng)力/MPa拱頂變形/mm1192.194.11.41

1) 應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)特性和拱圈受力特點(diǎn)，選擇以下公式對(duì)拱圈進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。

γ0ψS≤R/γd

R=fk/γm

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)應(yīng)于安全級(jí)別Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)的建筑物，分別取1.1、1.0、0.9；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，對(duì)應(yīng)于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，分別取1.00、0.95、0.85；S為作用效應(yīng)函數(shù)，為由彈性有限元法計(jì)算出的主應(yīng)力；R為結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)；fk為混凝土強(qiáng)度；γm為材料性能的分項(xiàng)系數(shù)，取2.0；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，查表知，按有限元法受力狀況抗壓的結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.6。

由有限元軟件計(jì)算得出拱圈受到的主應(yīng)力最大為S=1.4 MPa，在應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算公式中，取γ0=1.0、ψ=0.95、γm=2.0、γd=1.6，可得：

γ0ψS=1.0×0.95×1.4=1.33≤R/γd=7.85÷2÷1.6=2.45

滿足GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

2) 偏心距驗(yàn)算。

由于圓弧形拱圈在受均布荷載作用下產(chǎn)生的彎矩很小且主要是承受軸力，致使拱圈受到的彎矩與軸力的比值很小，完全能夠滿足偏心距限值的要求，所以此處不考慮偏心距的影響。

2.5研究結(jié)論

從拱圍堰的設(shè)計(jì)過(guò)程看，拱圍堰對(duì)工程地質(zhì)條件要求不高，適用于復(fù)雜工程地質(zhì)情況，適應(yīng)范圍廣。拱圍堰自身結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，受力狀況明確，便于結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。從拱圍堰施工看，采用分層施工的方法對(duì)土體擾動(dòng)小且可充分保證施工安全。由于其施工方法簡(jiǎn)單，無(wú)需用到復(fù)雜的設(shè)備，施工成本較低，施工可行性高，所以該施工工藝具有一定的先進(jìn)性，對(duì)同類工程施工具有一定的參考價(jià)值。從施工效果看，該形式的圍堰為基礎(chǔ)施工提供了足夠的安全保障，具有很好的實(shí)用性。

總之，本文對(duì)沱江三橋2#墩圍堰工程從設(shè)計(jì)、驗(yàn)算和施工進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在施工條件有限、地質(zhì)狀況較為特殊的情況下，采用鋼筋混凝土拱圍堰具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、受力明確等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。

3結(jié)束語(yǔ)

圍堰是橋梁基礎(chǔ)施工中重要的結(jié)構(gòu)物。實(shí)際工程中，圍堰形式的選擇需根據(jù)具體地質(zhì)條件、施工技術(shù)以及工期等各種因素綜合考慮。鋼筋混凝土拱圍堰由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、工作可靠、承載能力強(qiáng)、安全度高等優(yōu)點(diǎn)，在較多工程中得到運(yùn)用。實(shí)際工程中，還可根據(jù)具體情況將拱圍堰和鋼板樁等結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)使用，以達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果。

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Application of Reinforced Concrete Arch Cofferdam in Construction of Bridge Foundation

PENG Zhuang1, XU Mingjun2, CHEN Dehua2

Abstract:Reinforced concrete arch is used in design of bridge foundation cofferdam in accordance with loading features of arch and in consideration of material and mechanical properties of reinforced concrete. In combination with project examples of reinforced concrete arch cofferdam, this paper introduces loading features, construction methods, checking calculation theory and practicality of arch cofferdam.

Keywords:reinforced concrete; arch cofferdam; bridge foundation

文章編號(hào)：1009-6477(2016)01-0070-04

中圖分類號(hào)：U443.16+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：彭撞(1990-)，男，重慶市人，碩士研究生。

收稿日期：2015-09-07

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.016