鋼板樁圍堰在深水基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

鋼板樁圍堰在深水基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

1主橋方案級(jí)通航道廣東省佛山市思賢橋特大橋?yàn)檫B續(xù)鋼梁雙斜橋，全長(zhǎng)126968.19米。思賢橋段是西部和北部河流的交匯處。它是連接西江和北江的重要運(yùn)河。這是三級(jí)航道。這座主橋橫跨水面約310米的河流。兩主塔所在橋墩號(hào)分別為347#和348#,承臺(tái)尺寸為17.0m×35.0m×6.0m(順橋向×橫橋向×高),承臺(tái)底高程為-10.206m,頂高程為-4.206m。承臺(tái)采用雙排鋼板樁圍堰施工方法,下部為厚3.5m的封底混凝土。1.1月不同防治時(shí)期該工程所在地區(qū)常年氣候溫和濕潤(rùn),雨量充沛。每年汛期為4月—9月,主汛期為6月—8月。據(jù)1999年—2008年共10年的水文觀測(cè)數(shù)據(jù),確定施工水位、流速等參數(shù),施工水位采用+3.0m,設(shè)計(jì)流速確定為0.63m/s。1.2上、下基巖地層該地區(qū)地貌屬?zèng)_洪積地貌單元。鉆孔資料顯示,場(chǎng)地地層上部為人工填土、第四系淤積層、沖積層及殘積層,下部基巖為石炭系石灰?guī)r。巖土層根據(jù)其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、時(shí)代和風(fēng)化程度從上到下,可分為8個(gè)工程地質(zhì)層和13個(gè)小層。2鋼板樁施作工藝思賢窖特大橋主墩承臺(tái)采用先樁基后圍堰的方法施工,主墩承臺(tái)圍堰采用雙排鋼板樁圍堰。通過建模進(jìn)行的受力分析計(jì)算,以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。347#和348#主墩墩位處水深較大,利用樁基施工平臺(tái),采用70t履帶吊機(jī)和D90液壓振動(dòng)錘施作鋼板樁。施工流程:施工準(zhǔn)備→部分鉆孔樁施工平臺(tái)拆除→鋼板樁采購(gòu)并運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)→施打鋼板樁→安裝圍檁及支撐→挖泥→澆筑封底混凝土→承臺(tái)施工→塔柱施工→圍堰拆除。3雙帶板路堤的設(shè)計(jì)和檢算計(jì)算3.1外排鋼板樁材料參數(shù)1)設(shè)計(jì)條件:承臺(tái)頂高程為-4.206m,承臺(tái)底高程為-10.206m,封底混凝土底部高程為-13.706m,封底混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。2)土層計(jì)算參數(shù)(見表1)3)鋼板樁圍堰尺寸,內(nèi)排鋼板樁圍堰平面尺寸為:橫橋向長(zhǎng)37.0m,順橋向長(zhǎng)19.0m,內(nèi)排鋼板樁圍堰與承臺(tái)邊線的距離為1.0m。外排鋼板樁尺寸為:347#墩橫橋向長(zhǎng)41.0m,順橋向長(zhǎng)23.0m;348#墩橫橋向長(zhǎng)41.0m,順橋向長(zhǎng)40.0m。4)鋼板樁材料參數(shù),采用U型鋼板樁,長(zhǎng)21～24m,用90kW液壓振動(dòng)錘打樁。外排鋼板樁頂高程為+5.0m,即高出最高水位0.5m,內(nèi)排鋼板樁頂高程為+3.0m,鋼板樁牌號(hào)均選用SY295,即屈服強(qiáng)度為295MPa。鋼板樁設(shè)計(jì)底部高程-19.0m,在巖面較淺處(高程為-16.3m)將鋼板樁打至巖面。5)圍檁及支撐材料,兩主墩圍檁及支撐體系由四層組成,中心高程分別為+2.0m,-1.0m,-3.5m和-6.5m,各層圍檁及支撐選材如表2所示。3.2年，滿語固橋防護(hù)強(qiáng)度的測(cè)定3.2.1計(jì)算負(fù)荷的性能荷載考慮土壓力、靜水壓力和動(dòng)水壓力。墻后填土與水平面無夾角時(shí)主動(dòng)土壓力根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算,動(dòng)水壓力根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算。3.2.2系梁及拉力降低內(nèi)排板樁水位在348#鋼板樁圍堰支護(hù)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)水位取+3.0m,按施工過程進(jìn)行如下6個(gè)工況的計(jì)算:工況①在江水位較低時(shí)進(jìn)行鋼板樁圍堰合龍,并安裝第一道圍檁支撐、聯(lián)系梁及拉桿(高程+2.0m),圍堰內(nèi)抽水至水位-1.7m,第二道圍檁未安裝。安裝完畢第一道圍檁、支撐、聯(lián)系梁及拉桿后,回填中粗砂及降低內(nèi)排板樁水位,348#圍堰雙排板樁間回填中粗砂至+1.50m,并且水位降至+1.50m。工況②～工況⑥均按照回填中粗砂及降低內(nèi)排板樁水位考慮。工況②第二道圍檁及支撐(高程-1.0m)安裝完畢,圍堰內(nèi)開挖至-4.5m,第三道圍檁未安裝;工況③第三道圍檁及支撐(高程-3.5m)安裝完畢,圍堰內(nèi)開挖至-7.5m,第四道圍檁未安裝;工況④第四道圍檁及支撐(高程-6.5m)安裝完畢,圍堰內(nèi)開挖至-9.5m;工況⑤往圍堰內(nèi)注水至與外部江水位相平,然后在圍堰內(nèi)進(jìn)行水下開挖,開挖至高程-13.706m,封底混凝土未澆筑;工況⑥封底混凝土(高程-13.706～-10.206m)澆筑完畢并達(dá)到90%強(qiáng)度以上,然后降低水位至高程-10.206m,拆除第四道圍檁及支撐,承臺(tái)未澆筑。承臺(tái)為一次性澆筑完畢,且澆筑過程中無須拆除支撐,因此后面的工況不再計(jì)算。3.2.3鋼板樁、鋼板圍、橫撐、角撐的彈性單元采用有限元程序ANSYS平臺(tái)對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維空間建模,模擬計(jì)算各種荷載作用下圍堰結(jié)構(gòu)整體的受力情況。鋼板樁采用豎向彈性地基梁法計(jì)算,彈簧桿采用combin14單元模擬,鋼板樁、圍檁、橫撐、角撐和八字撐采用梁?jiǎn)卧猙eam188模擬,拉桿和板樁間的“彈性連桿”采用非線性單元link10模擬。根據(jù)水壓力和土壓力計(jì)算圖式對(duì)鋼板樁進(jìn)行計(jì)算,得到各工況下圍堰各個(gè)構(gòu)件的位移、彎矩和軸力。3.2.4計(jì)算的鋼渣13表3顯示了基于38個(gè)碼頭的三維計(jì)算2鋼板樁平面內(nèi)約束圍的有限元模型采用有限元軟件MIDAS軟件分析,圍檁與鋼板樁之間連接只考慮約束圍檁的豎向和沿鋼板樁平面內(nèi)的位移,橫撐、角撐及八字撐與圍檁為鉸接,其它連接均為固接,計(jì)算的有限元模型如圖1所示。第4層鋼板樁圍堰構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表4。3鋼板樁強(qiáng)度校核①鋼板樁強(qiáng)度檢算,按照文獻(xiàn)的計(jì)算方法,并且綜合分項(xiàng)系數(shù)取1.35,鋼板樁的強(qiáng)度折減系數(shù)取0.8,可得鋼板樁強(qiáng)度校核如表5所示。②圍檁強(qiáng)度檢算,根據(jù)文獻(xiàn)檢算,結(jié)果如表6。③支撐穩(wěn)定性檢算,按表4的計(jì)算結(jié)果,根據(jù)參考文獻(xiàn)檢算各構(gòu)件在彎矩平面內(nèi)的強(qiáng)度,內(nèi)支撐滿足穩(wěn)定性要求。④桿件長(zhǎng)細(xì)比λ檢算,根據(jù)參考文獻(xiàn)檢算各桿件的容許最大長(zhǎng)細(xì)比,各桿件均符合要求。3.3大壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)3.3.1被動(dòng)側(cè)水平荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最底部點(diǎn)的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值的確定抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)KS應(yīng)>1.2,KS=(MEP+MT)/MEa,其中,MEa為支護(hù)結(jié)構(gòu)底部以上主動(dòng)側(cè)水平荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最底部點(diǎn)的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值(kN·m);MEP為支護(hù)結(jié)構(gòu)底部以上被動(dòng)側(cè)水平荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最底部點(diǎn)的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值(kN·m);MT為支撐壓力標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最底部點(diǎn)的彎矩(kN·m)。取覆蓋層最厚的ZK3地質(zhì)鉆孔,采用理正深基坑軟件進(jìn)行計(jì)算可得KS=1.506,因KS>1.2,故滿足抗傾覆安全要求。3.3.2檢算滲流穩(wěn)定性擬采用開挖方式為:-9.50m以上采用干開挖方式,-9.50m以下采用水下開挖方式。兩主墩鉆探結(jié)果如圖2所示,347#墩高程-9.50m以下部分為礫砂,部分為粉質(zhì)黏土;348#墩高程-9.50m以下全部為粉質(zhì)黏土。1)抗管涌檢算,選取最不利的鉆孔347#-ZK5檢算滲流穩(wěn)定性,該鉆孔巖面較高,下部礫砂厚。圍堰內(nèi)開挖到高程-9.50m時(shí),滲徑長(zhǎng)度L為18.5m,圍堰內(nèi)外水頭差Δh為12.5m,滲流水力坡度i=Δh/L=0.68,滲流破壞臨界水力坡度經(jīng)計(jì)算為1.13,則安全系數(shù)KS=1.13/0.68=1.66>1.50,滿足要求,說明347#墩在高程-9.50m以上采用干開挖方式,能夠保證圍堰內(nèi)抗管涌穩(wěn)定性。2)抗隆起檢算,選取最不利的鉆孔348#-ZK5進(jìn)行檢算,該鉆孔巖面最高,嵌固深度最小。參照普朗德爾地基承載力方式計(jì)算得抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)KL為1.44,KL≥1.20～1.30,滿足要求,說明348#墩在高程-9.50m以上采用干開挖,能夠保證圍堰內(nèi)的基坑抗隆起穩(wěn)定性。3.3.3密封土的厚度試驗(yàn)1土層厚度檢驗(yàn)封底混凝土澆注完成后,計(jì)算土層提供的摩擦力時(shí),只統(tǒng)計(jì)墩周邊樁的土層厚度。以348#墩為例進(jìn)行檢算,土層平均厚度如表7。根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算得348#墩單樁抗拔極限承載力為25713.7kN。2抗浮安全系數(shù)圍堰內(nèi)抽水至-10.206m高程時(shí),根據(jù)封底混凝土底板處受力分析,應(yīng)滿足F1<G1+F2+F3,F1為水對(duì)封底混凝土底板處的浮力;G1為封底混凝土自重;F2為護(hù)筒與混凝土間的握裹力;F3為混凝土與鋼板樁圍堰間的黏聚力。抗浮安全系數(shù)k2=(G1+F2+F3)/F1。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)348#墩封底混凝土厚3.5m時(shí),k2=1.57,滿足抗浮安全要求。3.4鋼板樁總重質(zhì)量分?jǐn)?shù)由于圍堰所在河段的20年一遇水位達(dá)到了9m,而鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)頂部高程為+5.0m,因此,如果汛期提前來臨,在承臺(tái)施工期水位高于+5.0m時(shí),必須采取應(yīng)急處理措施,應(yīng)向圍堰內(nèi)注水至水位與外部水位相同,并停止施工。經(jīng)計(jì)算,動(dòng)水壓力為91.6kN,產(chǎn)生的傾覆力矩為1906kN·m;鋼板樁總重(扣除浮力)為415168kg,產(chǎn)生的抗傾覆力矩為39441kN·m?？箖A覆力矩大于傾覆力矩,說明鋼板樁圍堰在動(dòng)水壓力作用下滿足整體抗傾覆安全要求。4鋼板樁圍堰施工過程中安全監(jiān)測(cè)由于圍堰處于深水中,鋼板樁側(cè)壁受到較大水壓力的作用,因此施工過程存在一定的風(fēng)險(xiǎn),為保證鋼板樁圍堰施工的安全,并達(dá)到信息化施工、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的目的,需在施工過程中進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。4.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容11鋼渣變形樁身的變形形態(tài)反映了鋼板樁自身的剛度和穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)也有助于了解土層的穩(wěn)定狀態(tài)。2圍堰的嚴(yán)重后果支撐對(duì)控制圍堰的變形和安全起著至關(guān)重要的作用,如果支撐破壞或失穩(wěn),將會(huì)給圍堰帶來嚴(yán)重后果。支撐軸力監(jiān)測(cè)可了解支撐的實(shí)際軸力,進(jìn)而評(píng)估圍堰的安全性。3鋼板樁樁身水位監(jiān)測(cè)與分析由于水位高低對(duì)圍堰的安全性極其重要,通過水位監(jiān)測(cè)不僅可以了解圍堰體系所受荷載情況,還可以將鋼板樁樁身的變形、支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果與水位情況進(jìn)行對(duì)比分析。4.2監(jiān)測(cè)方法1鋼板樁的變形量的測(cè)量采用測(cè)斜管、測(cè)斜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè),為了真實(shí)反映支護(hù)結(jié)構(gòu)的撓曲狀況,將固定測(cè)斜管的3cm鍍鋅鋼管焊接在圍堰內(nèi)側(cè)鋼板樁上,隨著鋼板樁的打設(shè)就位于相應(yīng)的位置,見圖3;然后將測(cè)斜管放入鍍鋅鋼管中,并在測(cè)斜管與鍍鋅鋼管之間填入細(xì)砂固定。測(cè)量時(shí),將測(cè)斜儀探頭伸入測(cè)斜管內(nèi)上下滑移,即可在測(cè)讀儀顯示屏上讀得相應(yīng)數(shù)據(jù),經(jīng)過計(jì)算分析后可得鋼板樁的變形量。擬在圍堰橫橋向方向每邊布置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn),順橋向方向每邊的中點(diǎn)布置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn),每個(gè)圍堰布置10個(gè)觀測(cè)點(diǎn),兩個(gè)圍堰共計(jì)20個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。2支撐軸力的檢測(cè)采用振弦式表面應(yīng)變計(jì)、振弦式頻率讀數(shù)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于圍堰內(nèi)支撐全部為鋼支撐,因此直接將表面應(yīng)變計(jì)對(duì)稱焊接于鋼支撐表面即可。監(jiān)測(cè)時(shí),將應(yīng)變計(jì)電纜線接上數(shù)字頻率計(jì),讀出在某一應(yīng)變量下的鋼弦自振頻率,即可得出支撐的應(yīng)變量,再通過換算即得到支撐軸力值。表面應(yīng)變計(jì)的安裝如圖4所示。擬在圍堰的每一層支撐體系上選取兩根橫撐和一根角撐進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè),每根支撐左右兩側(cè)各布置一支表面應(yīng)變計(jì)。則每層支撐及圍檁體系共布置6支表面應(yīng)變計(jì),兩個(gè)圍堰共計(jì)48支。3水位監(jiān)測(cè)在圍堰與施工棧橋連接處設(shè)置水尺,在樁身變形及鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)時(shí)觀測(cè)對(duì)應(yīng)的水位。4.3報(bào)告的頻率和報(bào)告價(jià)值4.3.1圍堰體系監(jiān)測(cè)圍堰內(nèi)抽水前測(cè)讀初始數(shù)據(jù)。1)在圍堰內(nèi)開始抽水至圍堰內(nèi)抽水完畢開始挖土期間,圍堰內(nèi)外水位差及圍堰體系受力相對(duì)較小,因此每3d監(jiān)測(cè)1次;2)在圍堰內(nèi)開始挖土至澆筑封底混凝土完畢期間,由于圍堰體系受力較大,且封底混凝土施工對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng),圍堰體系內(nèi)力、變形相對(duì)較大,因此每天監(jiān)測(cè)1次,如有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)接近預(yù)警值,則對(duì)該部分測(cè)點(diǎn)每天監(jiān)測(cè)2次;3)在綁扎承臺(tái)鋼筋及澆筑第一層承臺(tái)混凝土期間,由于已澆筑完畢墊層,圍堰的安全性大大提高,因此每3d監(jiān)測(cè)1次。4)如發(fā)生臺(tái)風(fēng)、暴風(fēng)雨、江水有較大上漲、圍堰遭船只撞擊等異常情況,增加監(jiān)測(cè)頻率。4.3.2鋼板樁支撐軸力分析1)位移變形預(yù)警值,600×210鋼板樁為188.4mm;500×225鋼板樁為109.7mm;2)彎曲曲率預(yù)警值,600×210鋼板樁為0.0136(1/m);500×225鋼板樁為0.0127(1/m)。3)支撐軸力按允許軸力的90%作為預(yù)警值。橫撐軸力預(yù)警值:?600×1