拉森型鋼板樁圍堰在梁橋墩水下承臺基礎中的應用

拉森型鋼板樁圍堰在梁橋墩水下承臺基礎中的應用

1樁身及土層分布杭州錢江鐵路大橋是一座集16條橫鐵路、一條鐵路和一條混凝土預測橋。位于杭州杭州河的交匯處。北庭是彭埠市，南庭是蕭山。主橋44～60號共17個橋墩均布置在錢塘江內,其中45～51號、53～59號墩承臺均為八邊形,尺寸均為18.4m×23.9m×4m,下部采用17根?2.0m的鉆孔灌注樁,呈梅花形布置。承臺、樁基礎均采用C40混凝土。橋位處土層(以56號橋墩位為例)從上向下依次為粉土、淤泥質粉質粘土,土層分布見圖1,巖土力學試驗值見表1。粉土層:黃灰色,潮濕、飽和,稍密～中密,稍具層理,夾少量薄層粘性土,含少量云母碎片,搖震反應迅速。σ0=100kPa,標準貫入試驗Nˉˉˉ=7.78Νˉ=7.78擊。淤泥質粉質粘土層:淺灰色,流塑,局部軟塑,含少量貝殼及腐植質,局部夾粉土薄層。屬高壓縮性土。σ0=80kPa,標準貫入試驗Nˉˉˉ=4.48Νˉ=4.48擊。在橋址位置,百年一遇最大涌潮高度2.45m,涌潮壓力49kN/m2;十年一遇最大涌潮高度1.96m,涌潮壓力32kN/m2。涌潮壓力分布形式:在低潮位以上沿垂線方向差別不大,可按矩形分布;在低潮位以下水深范圍內按零處理。2拉森鋼板樁圍堰由于原錢江二橋施工時遺留的部分棧橋預應力管樁與錢江鐵路新橋部分承臺施工圍堰重疊,且原錢江二橋施工時拋填片石及其他遺留物較多,承臺施工時若采用雙壁鋼圍堰,則其下沉過程中將會遇到大量障礙物而導致鋼圍堰下沉困難。拉森鋼板樁圍堰能較方便地轉向,遇片石或其他障礙物時可以適當避讓;考慮本工程位于強涌潮地區(qū)涌潮壓力大,若采用鋼板樁圍堰施工,則要求鋼板樁自身剛度大、具有較強的抗潮能力。拉森Ⅵ型鋼板樁為近期從日本引進的新型材料,較國內常用的其他鋼板樁截面抗彎模量大、鎖口水密性能較好、施工時插打和拔除均較為方便,因此該橋錢塘江中部分承臺施工采用拉森Ⅵ型鋼板樁圍堰施工。以56號墩為例介紹鋼板樁圍堰施工及其計算。3鋼板樁轉角場56號墩承臺為八邊形,尺寸為18.4m×23.9m×4m,承臺底標高-3.575m。鋼板樁圍堰距承臺邊凈距約1m。鋼板樁圍堰順橋向由32根寬度為0.6m的鋼板樁及2根寬度為0.3m的轉角鋼板樁組成;橫橋向由45根寬度為0.6m的鋼板樁組成;轉角處鋼板樁與另一根鋼板樁焊成直角樁,便于鋼板樁圍堰方向轉變。施工期水位為+5.0m,鋼板樁圍堰頂按+6m設置。圍堰設2層支撐,第1層支撐設置在+5.5m處,第2層支撐設置在+2.5m處。鋼板樁圍堰立面及平面布置見圖2、圖3。鋼護筒插打完成后,在+5.5m標高處鋼護筒上焊接牛腿,將第1層圍檁設置好,然后再安裝第1層內支撐。沿第1層圍檁插打鋼板樁直至形成閉合圍堰,不排水取土至封底標高,進行水下混凝土封底;待封底混凝土達到設計強度后,抽水至標高+2.0m,在+2.5m處鋼板樁圍堰設置的牛腿上,安裝第2層圍檁,并設置好第2層內支撐。排干圍堰內的水,破除樁頭,然后進行承臺、墩身的施工。墩身施工完成后,向圍堰內注水至+2.0m處,拆除第2層內支撐及圍檁,繼續(xù)注水至+4.5m處,拆除第1層內支撐及圍檁,拔除鋼板樁。4拉森鋼的加固計算4.1土壓力的確定鋼板樁圍堰施工中經(jīng)常出現(xiàn)鋼板樁整體失穩(wěn)致使鋼板樁圍堰向內包裹將施工人員及設備整體掩埋在基坑內,俗稱“包餃子”。從力學分析來看,造成“包餃子”的主要原因是對鋼板樁圍堰的土壓力和水壓力計算取值不足,造成鋼板樁圍堰及其內支撐剛度不足、應力過大導致結構整體失穩(wěn)或破壞。在進行鋼板樁圍堰設計計算前,應較準確地把握支護的土體,同時認清所采用的計算公式及計算模型的假設前提條件與本工程實際情況是否一致。作用在擋土結構上的土壓力可分為3種:靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-99),支護結構水平荷載按照主動土壓力和被動土壓力進行計算,傳統(tǒng)上也常采用庫侖或朗肯土壓力理論中的主動土壓力和被動土壓力計算鋼板樁圍堰土壓力。當鋼板樁圍堰內取土后,鋼板樁將向內發(fā)生位移,圍堰外的土體隨板樁變形,在變形過程中,短時間內土體結構構成不發(fā)生變化時,當鋼板樁位移量達到某一量值后,土體達到主動極限平衡狀態(tài),此時土壓力為主動土壓力;但由于鋼板樁圍堰剛度較小,且施工時一般土體中富含水分,在其施工過程中的一段時間內,由于土體中水的運動將造成土體結構狀態(tài)發(fā)生變化,土體進行重新固結,其主動極限平衡狀態(tài)打破,土壓力再次增大,鋼板樁圍堰繼續(xù)變形;因此土體對鋼板樁的作用力,其最終平衡狀態(tài)為土體和鋼板樁的靜止極限平衡狀態(tài),故鋼板樁圍堰外側土壓力采用靜止土壓力,內側土壓力采用被動土壓力進行計算較為妥當。鋼板樁的靜止土壓力系數(shù)K0=1-sin?(砂性土),K0=0.95-sin?(粘性土);主動土壓力系數(shù)Ka=tg2(45°-?/2);被動土壓力系數(shù)Kp=tg2(45°+?/2)。式中,?為土的有效內摩擦角(°)。4.2鋼板樁封底階段鋼板樁圍堰施工時,一般情況下有2種工況最為不利:①鋼板樁圍堰吸泥完成到封底前,主要確定鋼板樁入土深度及驗算鋼板樁、圍檁及內支撐強度和剛度;②鋼板樁圍堰抽水完成后,僅驗算鋼板樁圍堰、圍檁及內支撐強度和剛度。鋼板樁圍堰設計時應分別對這2種工況進行分析。4.2.1鋼板樁圍堰土壓力鋼板樁圍堰在不排水吸泥過程中,當圍堰內吸泥后,內側土壓力減小,鋼板樁有向內滑移的可能,因此需驗算鋼板下端入土深度是否滿足施工需要,以及鋼板樁的強度和剛度;需計算上端支撐力并驗算內支撐是否具有足夠的強度和剛度。當采用不排水吸泥時,鋼板樁圍堰內、外水壓力一致,故可不考慮水壓力,只需分析鋼板樁圍堰內、外土壓力對結構的影響。對于土壓力分布形式,尤其是在開挖面以下,朗金土壓力理論或者靜止土壓力理論與《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-99)第3.4條水平荷載標準值中的計算有較大差別。當鋼板樁圍堰吸泥完成后,其土壓力分布形式見圖4。圖4(a)中E0為靜止土壓力,圖4(b)中Ea為主動土壓力。本文中鋼板樁圍堰施工計算采用靜止土壓力理論計算土壓力。靜止土壓力E0=12γ(h2+t0)2K0E0=12γ(h2+t0)2Κ0;被動土壓力Ep=12γt20Kp+2ct0Kp???√Ep=12γt02Κp+2ct0Κp。式中,γ為土浮容重(10kN/m3);h2為河床至封底混凝土底高度(m);t0為鋼板樁入土深度(m);c為凝聚力(kPa)。由靜止土壓力對內支撐點力矩和主動土壓力對內支撐點力矩相等可知:K1E0[23(h2+t0)+h1]=Ep(23t0+h1+h2)(1)K2Ea[23(h2+t0)+h1]=Ep(23t0+h1+h2)(2)Κ1E0[23(h2+t0)+h1]=Ep(23t0+h1+h2)(1)Κ2Ea[23(h2+t0)+h1]=Ep(23t0+h1+h2)(2)式中,K1為靜止土壓力對內支撐點力矩安全系數(shù);h1為河床至內支撐點高度(m);K2為主動土壓力對內支撐點力矩安全系數(shù)。靜止土壓力E0和被動土壓力Ep對A點取彎矩平衡,根據(jù)式(1)試算鋼板樁入土深度t0,并確保K1≥1.3,來確定鋼板樁最小入土深度;同時按式(2)計算K2。經(jīng)計算,E0=338.5kN,Ea=234.9kN,Ep=452kN,K1=1.50,K2=2.16。4.2.2鋼板樁封底支點的土壓力鋼板樁圍堰封底抽水后,由于封底混凝土具有較大的剛度,因此封底混凝土對鋼板樁具有剛性支撐作用,且封底混凝土具有一定的握裹力,故對封底混凝土與鋼板樁底的計算模型模擬具有較大的難度,如何模擬對計算結果有較大的影響?？紤]封底混凝土表面不平整,把封底混凝土理論頂面下20cm作為鋼板樁下端水平方向剛性支撐點;其余封底支點作為受壓剛性、受拉在鋼板樁的握裹力范圍內剛性的支點;底端作為豎向支撐的支點;將每根鋼板樁、圍檁及所有內支撐共同作為整體模型來進行模擬計算。抽水受力后計算圖示及計算模型見圖5。當封底支點2拉力大于其握裹力時,鋼板樁封底支點1下鋼板樁具有向外變形的趨勢,因此其土壓力按照被動土壓力進行計算。通過鎖口組合的鋼板樁截面,由于鎖口傳遞剪力不如整體截面,鋼板樁的截面抵抗矩采用0.7倍計算值進行折減,最大應力為166.3MPa,最大撓度為18mm。4.2.3鋼板樁圍堰整體模型的涌潮壓力變化強涌潮時分2種工況計算鋼板樁圍堰:①在鋼板樁圍堰整體計算模型上增加迎潮面涌潮壓力;②在鋼板樁圍堰整體計算模型上增加迎潮面和兩側面涌潮壓力。其計算模型見圖6。5拉森鋼板樁的推廣通過對鋼板樁圍堰的土壓力、計算模型等的分析和研究,在強涌潮地區(qū)成功實現(xiàn)拉森Ⅵ型鋼板樁圍堰施工水下承臺基礎,取得一定的經(jīng)驗。由于拉森Ⅵ型鋼板樁比其他