粉質軟土粘土條件下深水超長鋼板樁圍堰施工技術研究

肖正恩，朱江川，王壽武

（1.云南云橋建設股份有限公司，云南 昆明 650101；2.昆明理工大學，云南 昆明 650051）

深水基礎施工是跨水橋梁中常碰到的問題，深水基礎的基坑支護有止水要求高、土質差、易管涌等特點，這也是橋梁承臺施工中的一個難點。FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁圍堰重復利用率高、經(jīng)濟性比較好，施工中被廣泛應用。劉福星等提出了砂層區(qū)長24m 的FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁支護施工技術。陳長明提出了樁長18 米，水深2.5 米，施工最大水頭9.57m，粉土、淤泥質粉質粘土地質條件下，強涌潮地區(qū)的FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁支護施工技術。周新亞等提出了淤泥質粉質黏土，細砂、粉砂等砂性土地質條件下，長26m 的FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁支護施工技術，結構計算采用許用力法，施工最大水頭18.7m。沈維成提出了軟土、細砂、粘土地質條件下，長24m 的FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁支護施工技術。劉躍武提出了粉質粘土地質條件下，長22m 的FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁支護施工技術。夏頌軍提出了淤泥、淤泥質粘土、粗砂地質條件下，施工水深8.2m，長22m 的FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁支護施工技術。圍堰粉質軟土粘土條件下，施工水深12m，長24m 的拉森FSP-Ⅳ鋼板樁圍堰的數(shù)值分析和施工技術，本文可為類似工程提供施工參考。

1 工程概況

某公路橋全長4447m，主橋為(97+176+97)m 三跨連續(xù)剛構橋，總體布置圖如圖1。墩臺基礎均為鉆孔灌注樁基礎。21#、22#主橋墩常水位水深12m，且承臺全部置于水下土層中。每個承臺樁基12 根，直徑2.5m，承臺尺寸為14×19m，承臺間距1.05m，高5.0m。施工水位20.73m，河床面高程8.73m，承臺底高程2.835m，水面到承臺底高差為17.89 米，鋼板樁圍堰范圍內地質為粉質軟土、粘土，地質條件不良，各土層參數(shù)如表1。

圖1 主橋總體布置圖 單位:cm

表1 土層參數(shù)表

圖2 圍堰平面布置圖 單位:c m

圖3 圍堰1-1 斷面立面布置圖 單位:c m

2 圍堰結構計算

2.1 荷載工況

根據(jù)圍堰結構及施工要求，考慮內側和外側靜水壓力、土壓力及迎水面的動水壓力，選擇8 種荷載工況計算圍堰結構的應力和變形，找出最不利截面位置和控制值，荷載工況如表2。

表2 荷載工況表

2.2 圍堰結構水土壓力計算

計算點在水位以下，靜不壓力和土壓力采用水土分算。深度 z 處第i 層土的土壓力強度的標準值按公式（1）～（4）計算。

2.3 動水壓力計算

動水壓力只作用在迎水面上，其他三個面不考慮動水壓力作用。動水壓力標準值按公式（5）計算。

式中：V—設計流速（m/s），A—圍堰迎水面積（m），g—重力加速度,取10（m/s），K—形狀系數(shù)。

2.4 圍堰結構內力計算

圍堰結構計算采用Midas/civil 有限元軟件，按8 種工況對圍堰結構加載。圍堰整體最大變形如圖4。經(jīng)計算,圍堰結構計算最大位移15.1mm，小于min(h/100,100)=100mm。鋼板樁計算最大應力203.6Mpa，小于鋼板樁設計應力值265Mpa。內支撐最大軸力141.8Mpa，小于Q235 鋼材設計應力值215Mpa。

圖4 圍堰整體最大變形圖

3 鋼板樁圍堰施工監(jiān)測

鋼板樁圍堰屬于深水基坑，鑒于其復雜性和不確定性，在理論分析指導下有目的地進行工程監(jiān)測十分必要。監(jiān)測從安裝第一道內支撐開始至大體積混凝土澆筑的整個承臺施工全過程。圍堰監(jiān)測可驗證支護結構的實際變形與仿真分析計算的符合程度?；娱_挖時，隨著圍堰內水位變化和土方的挖出，水壓力和土壓力重分布，鋼板樁和內支撐承受水土壓力而不斷產(chǎn)生變形。為反映施工期間圍堰結構變形情況，對鋼板樁頂位移及內支撐軸力進行監(jiān)測。圍堰結構豎向在四個角布置4 個位移測點，在內支撐每層安裝12 個應變計，測點布置見圖5。8 種工況圍堰位移計算值與監(jiān)測值比較如圖6，8 種工況圍堰內支撐軸力計算值與監(jiān)測值比較如圖7。從圖6和圖7可以看出，鋼板樁圍堰變形及內支撐軸力的理論值與實測值相比偏大。理論值偏大的原因在于采用Midas/civil 有限元軟件建模時土壓力的計算假定土體為均質、連續(xù)，實際土質情況與模擬存在誤差。水的計算流速比實際流速大。實測圍堰結構頂最大變形14.1mm

圖5 監(jiān)測點平面布置圖

圖6 圍堰位移計算值與監(jiān)測值比較圖

圖7 圍堰內支撐軸力計算值與監(jiān)測值比較圖

4 結語

粉質軟土粘土地質條件下，水深12m，可采用樁長24m，設置7 道水平圍檁的FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁。圍堰結構計算時，考慮內外側靜水壓力、土壓力和迎水面動水壓力。選取8 種荷載工況，采用數(shù)值分析計算圍堰結構的應力及變形。靜水壓力和土壓力計算時，采用靜水壓力和土壓力分別計算。圍堰基坑先安裝支撐并回灌水至施工水位后再開挖，開挖完成后澆封底混凝土，抽干圍堰內的水后澆承臺混凝土。施工過程中對圍堰結構變形和應力進行實時監(jiān)測，實時預警，確保鋼板樁圍堰的順利實施。數(shù)值分析計算和實時監(jiān)控結果表明圍堰結構及施工符合要求。本工程已順利完成，可為類似工程提供施工參考。