淺埋鋼板樁圍堰設(shè)計與施工

宋佩超，楊茗欽

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西　南寧　530011)

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淺埋鋼板樁圍堰設(shè)計與施工

宋佩超，楊茗欽

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧530011)

為了解決基巖淺埋條件下的鋼板樁設(shè)計與施工問題，文章結(jié)合扶典口西江特大橋5#墩鋼板樁圍堰工程，介紹了淺埋鋼板樁圍堰設(shè)計方案，并建立平面有限元模型對各工況下的鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力變形分析，同時對淺埋鋼板樁圍堰施工的關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。實(shí)踐表明，該圍堰結(jié)構(gòu)下洪水影響較小的水域，結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形均能滿足要求。

淺埋鋼板樁；深水基礎(chǔ)；平面有限元；施工技術(shù)

0　引言

鋼板樁圍堰是一種施工簡單、快捷、成本較低的圍堰形式，在國內(nèi)橋梁基礎(chǔ)施工中被廣泛使用。對于大型鋼板樁圍堰，需要對其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，從而保證圍堰整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，滿足施工要求。然而在國內(nèi)圍繞淺埋鋼板樁圍堰體系特別是在深水基礎(chǔ)的應(yīng)用方面缺乏專門的研究?，F(xiàn)結(jié)合扶典口西江特大橋5#墩鋼板樁圍堰工程實(shí)例進(jìn)行鋼板樁圍堰設(shè)計與施工技術(shù)研究。

1　工程概況

梧州市環(huán)城公路西江大橋建設(shè)工程為新建高速公路特大橋。主要工程內(nèi)容

由1#主橋[(145+270+145)m矮塔斜拉橋]+2#主橋[(131+198+131)m連續(xù)剛構(gòu)橋]+引橋[(11×40)m先簡支后連續(xù)T梁橋]組成，橋梁全長1 474 m。其中5#墩為分離式承臺，位于水中，采用搭設(shè)鋼平臺方式施工樁基，再利用鋼平臺進(jìn)行鋼板樁施工。5#墩承臺底面標(biāo)高均為-2.0 m，承臺厚度為5 m，單個承臺結(jié)構(gòu)尺寸均為(14×13×5)m。

根據(jù)本工程主橋5#墩承臺結(jié)構(gòu)形式、施工環(huán)境、工期實(shí)際情況，擬避開洪水期施工。5#墩采用淺埋鋼板樁圍堰施工。

2　水文、地質(zhì)情況

本項(xiàng)目橋址位于(西江上游)河段，為西江水系。西江為珠江水系的主流，由南盤江、紅水河、黔江、潯江、西江五個河段聯(lián)接而成，每年4～10月的汛期在6.02～18.76 m之間?？菟酒骄?1～20 m，梧州河段航運(yùn)發(fā)達(dá)，輪船直通港、澳出海，是廣西水上出?？凇Ｆ渲?#墩圍堰在施工過程中，由于基巖埋藏較淺，上覆土層厚度較薄，導(dǎo)致鋼板樁打入深度不足，主要出露中～上組，巖性為淺灰、灰綠、灰褐色厚、巨厚層狀夾中厚層狀強(qiáng)～中風(fēng)化細(xì)砂巖、粉砂巖夾石英砂巖、頁巖及局部黑色炭質(zhì)頁巖等。根據(jù)勘察單位提供的圖紙資料，5#墩覆蓋層最薄弱的地方厚度為7.70 m，其原地面標(biāo)高為4.05 m，覆蓋層底面標(biāo)高為-3.75 m。通過現(xiàn)場實(shí)際查看，5#墩施工平臺附近受水流淘蝕作用影響，河床標(biāo)高已降至0.0 m左右，覆蓋層厚度大大降低，最厚的為4.31 m，最薄的地方僅2.09 m。具體情況如表1～2及圖1所示。

表1　5#墩鋼板樁進(jìn)入的土層物理參數(shù)表

圖1　5#墩淺埋鋼板樁圍堰土層勘測點(diǎn)分布圖

勘測點(diǎn)序號原地面標(biāo)高(m)通過土層通過土層代號層底標(biāo)高(m)分層厚度(m)所通過地層描述11.2220.8230.6440.1251.0860.8270.548-0.2491.34100.12礫砂層Qa1+p1-1-2.473.69強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-8.486.01礫砂層Qa1+p1-1-3.274.09強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-10.066.79礫砂層Qa1+p1-1-3.173.81強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-6.883.71礫砂層Qa1+p1-1-1.972.09強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-7.825.85礫砂層Qa1+p1-1-2.773.85強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-7.985.21礫砂層Qa1+p1-1-2.973.79強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-10.227.25礫砂層Qa1+p1-1-2.473.01強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-8.786.31礫砂層Qa1+p1-1-2.472.71強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-7.064.59礫砂層Qa1+p1-1-2.974.31強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-9.066.09礫砂層Qa1+p1-1-2.572.69強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33-8.445.87砂礫(Qa1+p1-10):黃色,顆粒不均勻,局部含少量卵石。強(qiáng)風(fēng)化砂巖εsh33:黃褐色,巖質(zhì)軟,裂隙發(fā)育,巖芯多呈砂狀,少量碎塊狀

3　淺埋鋼板樁圍堰設(shè)計

3.1材料選擇

鋼板樁牌號選用：熱軋鋼板樁拉森Ⅳ型400×170，壁厚15.5 mm，鋼板樁截面參數(shù)：截面面積：242.5 cm2；慣性矩：38 600 cm3。圍楞：第一至第三層2Ⅰ56 a、第四層為263 a；內(nèi)支撐管：主鋼管采用φ609×10，φ500×10mm組成，角撐和斜撐采用φ500×10mm。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過增加內(nèi)支撐層數(shù)，增強(qiáng)鋼板樁整體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性需求。

通過增加角撐，減少對撐數(shù)量處理措施，提供較大的施工工作面，在縮短工期的同時降低工程造價，如圖2所示。

圖2　內(nèi)支撐布置形式圖

鋼板樁圍堰每邊至承臺距離平面尺寸≥1.5m，既保證操作空間，又保證開挖時不擾動內(nèi)側(cè)鋼板樁圍堰的土質(zhì)狀態(tài)。

在進(jìn)行圍堰抽砂工作時，相對本項(xiàng)目工況而言，堆積在圍堰外側(cè)的砂不超過+2m標(biāo)高。

3.3結(jié)構(gòu)計算

5#墩鋼板樁圍堰平面結(jié)構(gòu)尺寸為34m×16m，見圖3～4。

圖3　鋼板樁圍堰立面圖

圖4　鋼板樁圍堰側(cè)面圖

鋼板樁材料選用Q345，取容許應(yīng)力210MPa；圍楞、工字鋼均為Q235鋼，組合應(yīng)力容許值145MPa，剪應(yīng)力85MPa。采用平面有限元方法進(jìn)行鋼板樁結(jié)構(gòu)建模計算，在計算過程中，由于覆蓋層為礫砂強(qiáng)透水層，采取水土分算的方式計算。

朗肯土壓力公式：

(1)

(2)

動水壓力作用于鋼圍堰上的流水壓力可按公式(3)計算(公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范4.3.8)：

(3)

式中：

P——流水壓力(kN)；

A——鋼圍堰阻水面積(m2)，通常計算至一般沖刷線處；

γ——水的容重，一般取10kN/m3；

g——標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度(9.8 m/s2)；

v——計算時采用的流速(m/s)；

(在冬季枯水期常水位情況下，西江航道內(nèi)流水流速為2.5 m/s)

K——圍堰形狀系數(shù)，其值如下：

方形1.5；

矩形(長邊與水流平行)1.3；

圓形0.8；

尖端形0.7；

圓端形0.6。

其作用合力位于水面下1/3水深處，呈倒三角形分布。

P=1.3×15.6×7×10×2.52/(2×9.8)=452.68 kN；

等效重度g=2P/B(H水面-H水底)2=1.18 kN/m；

均布壓力P0=g×(H水面-H水底)=8.26 kN/m。

3.4工況分析

根據(jù)鋼板樁圍堰施工特點(diǎn)，把圍堰施工分為4種工況，各工況荷載取值詳見表3。

表3　5#墩承臺鋼板樁圍堰荷載統(tǒng)計表

工況一：鋼板樁插打完成，安裝第一道支撐。工況1的狀態(tài)正是圍堰內(nèi)水位低于第一道支撐，即將安裝第二道支撐之時。此時鋼板樁受圍堰內(nèi)、外水壓力作用。此工況1主要須驗(yàn)算鋼板樁和第一道支撐在圍堰內(nèi)、外水壓力、主動土壓力、被動土壓力、動水壓力作用下的受力安全性。外側(cè)、內(nèi)側(cè)水壓分別按9 m、5.4 m計算，見圖5。

圖5　工況一鋼板樁圍堰計算簡圖

工況二：第二道支撐安裝時圍堰內(nèi)部水位低于第二道支撐。此時鋼板樁受圍堰外水壓力作用。由于樁底嵌入巖層，且有內(nèi)支撐，圍堰在鋼板樁、內(nèi)支撐受力安全的情況下應(yīng)是穩(wěn)定的，因此，此工況主要驗(yàn)算鋼板樁和內(nèi)支撐受內(nèi)外水壓力、主動土壓力、被動土壓力、動水壓力的受力安全性。外側(cè)水壓按9 m、內(nèi)側(cè)水壓按3 m計算，兩道支撐間距3 m，見圖6。

圖6　工況二鋼板樁圍堰計算簡圖

工況三：第三道支撐安裝時圍堰內(nèi)部水位低于第三道支撐，此時鋼板樁受圍堰外水壓力作用。由于樁底嵌入巖層，且有內(nèi)支撐，圍堰在鋼板樁、內(nèi)支撐受力安全的情況下應(yīng)是穩(wěn)定的，因而此工況主要驗(yàn)算鋼板樁和內(nèi)支撐受外水壓力、主動土壓力、被動土壓力、動水壓力的受力安全性。外側(cè)水壓按9 m計算，第二道與第三道支撐間距3 m，見圖7。

圖7　工況三鋼板樁圍堰計算簡圖

工況四：第四道支撐安裝時圍堰內(nèi)部水位低于第四道支撐，像封底后抽水。此時鋼板樁受圍堰外水壓力作用。由于樁底嵌入巖層，且有內(nèi)支撐，圍堰在鋼板樁、內(nèi)支撐受力安全的情況下應(yīng)是穩(wěn)定的，因而此工況主要驗(yàn)算鋼板樁和內(nèi)支撐受外水壓力、主動土壓力、被動土壓力、動水壓力的受力安全性。外側(cè)水壓按9 m計算，第四道與第三道支撐間距3 m，見圖8。

圖8　工況四鋼板樁圍堰計算簡圖

根據(jù)上述工況分別對鋼板樁、內(nèi)支撐建立平面有限元模型進(jìn)行受力分析，見圖9～10及表4。

圖9　鋼板樁圍堰受力分析方法示意圖

圖10　圍堰內(nèi)支撐受力分析方法示意圖

項(xiàng)目工況一組合應(yīng)力(MPa)撓度(mm)工況二組合應(yīng)力(MPa)撓度(mm)工況三組合應(yīng)力(MPa)撓度(mm)工況四組合應(yīng)力(MPa)撓度(mm)鋼板樁101.82.689.54.2102.82.51603.5內(nèi)支撐562.6764.21132.51143.5

4　施工問題及處理措施

由于淺埋鋼板樁覆蓋層較薄，導(dǎo)致鋼板樁打入深度不足，因此若不采取有效措施，施工中容易出現(xiàn)踢腳、管涌、滲水、沖刷等問題。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，圍堰體系位移滿足規(guī)范及使用要求，但鋼板樁底部實(shí)際支撐情況與有限元計算假定并不一致，鋼板樁可能因?yàn)榍豆躺疃炔粔蚨箻兜孜灰七^大，發(fā)生踢腳現(xiàn)象。

為了防止因嵌固深度不足可能引起“踢腳”“管涌”“滲水”破壞，本項(xiàng)目同時采用以下方案：

(1)將圍堰擴(kuò)寬1.5 m，鋼板樁內(nèi)部放坡。

(2)增加支撐層數(shù)至4層。

(3)沿著內(nèi)側(cè)鋼板樁使用靜壓注漿法，使被動區(qū)土體固結(jié)，以提高土體強(qiáng)度和側(cè)向抗力作用。

實(shí)施效果表明：采用以上三種措施對防止“踢腳”“管涌”“滲水”破壞取得了良好的效果。但項(xiàng)目在前期調(diào)研中，對洪水帶來的沖刷影響考慮不足，導(dǎo)致5#淺埋鋼板樁防沖刷效果不好。

5　結(jié)語

(1)在淺埋鋼板樁設(shè)計時，采用角支撐減少對撐數(shù)量的方式可以提供較大工作面，方便施工，大大減少了內(nèi)支撐工程量，在縮短工期的同時降低工程造價。

(2)鋼板樁圍堰整體受力狀態(tài)與支撐的間距有很大關(guān)系，最大位移基本都是發(fā)生在最下面一層內(nèi)支撐與開挖面中間。

(3)通過擴(kuò)寬圍堰平面尺寸，增加內(nèi)支撐層數(shù)，靜壓灌漿法，可以克服因嵌固深度不足引起的管涌、滲水等問題，為淺埋鋼板樁施工設(shè)計與施工提供方法參考。

[1]潘泓，曹洪，尹一鳴，廣州獵德大橋鋼板樁圍堰設(shè)計與監(jiān)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(11)：2242-2248.

[2]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]葛俊穎.橋梁工程軟件Midas Civil 使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

[4]彭玉來.拉森鋼板樁基坑支護(hù)施工工藝[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010(4)：41-42.

Design and Construction of Shallow-buried Steel-sheet Pile Cofferdam

SONG Pei-chao，YANG Ming-qin

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

To solve the design and construction problems of steel-sheet piles under shallow-buried bedrock conditions，and in combination with the steel-sheet pile cofferdam project of Fudiankou Xijiang Super-large Bridge #5 Pier，this article introduced the shallow-buried steel-sheet pile cofferdam design program，established the plane FEM model to conduct the stress and deformation analysis of steel-sheet pile cofferdam structure under each work condition，and discussed the key issues in the construction of shallow-buried steel-sheet pile cofferdam.Practices showed that the structural stress and deformation of water area in this cofferdam structure which is less affected by the flood can meet the requirements.

Shallow-buried steel-sheet pile；Deep-water foundation；Plane finite element；Construction technology

U443.16+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.005

1673-4874(2016)07-0017-06

2016-05-29

宋佩超(1988—)，助理工程師，研究方向：公路橋梁施工技術(shù)；

楊茗欽(1991—)，助理工程師，主要從事公路橋梁施工管理工作。