朱培男
(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四0五隊(duì),遼寧鞍山 114000)
該大橋跨三岔河段采用45 m+70 m+70 m+45 m懸澆梁跨越設(shè)計(jì),兩孔下水面寬度為65 m。三岔河枯水期河寬230 m,最深處水深6 m,橋梁沿既有溝海線走行,采用圓端形橋墩,鉆孔樁基礎(chǔ),其中480號(hào)墩均在水中,局部沖刷線與各項(xiàng)安全主通航指標(biāo)要求。480號(hào)主墩需由河面高程垂直下挖17 m~19 m深,屬于超深基坑開挖,墩臺(tái)參數(shù)如表1所示。
表1 墩臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù) m
1)根據(jù)鉆孔地質(zhì)資料,判定符合施工的支護(hù)體系;
2)支護(hù)方案要具備足夠剛度、強(qiáng)度,確保開挖施工安全;
3)支護(hù)體系能有效解決滲漏水及地下涌泥、涌砂等情況;
4)支護(hù)方案必須考慮汛期及各項(xiàng)防護(hù)要求;
5)支護(hù)方案力求經(jīng)濟(jì)、簡單、易行。
三岔河大橋水中以480號(hào)墩為研究對(duì)象,筑島頂面標(biāo)高+3.6 m,河床標(biāo)高?。?.0 m(根據(jù)設(shè)計(jì)圖估取)。承臺(tái)分三級(jí),第一級(jí)承臺(tái)厚3 m,臺(tái)頂標(biāo)高-6.588 m,第二級(jí)承臺(tái)厚3 m,第三級(jí)承臺(tái)厚0.5 m。臺(tái)底標(biāo)高-12.588 m。擬采用鋼板樁圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工,鋼板樁采用拉森IV型,長24 m,圍堰平面尺寸為21.6 m×17.6 m,共設(shè)置五道內(nèi)支撐。圍堰樁頂標(biāo)高為+2.442 m,第一道內(nèi)支撐標(biāo)高為+1.942 m,第二道內(nèi)支撐標(biāo)高為 -1.058 m,第三道內(nèi)支撐標(biāo)高為-3.558 m,第四道內(nèi)支撐標(biāo)高為-6.058 m,第五道內(nèi)支撐標(biāo)高為-9.058 m,封底混凝土厚度為2.5 m,基坑底高程為-15.058 m(即封底底面標(biāo)高)。設(shè)計(jì)方案如圖1所示。
1)鋼圍堰制作周期長,所占場地多,不易管理。
2)鋼圍堰下沉必須采用駁船等大型水上運(yùn)輸工具,或采用鋼平臺(tái),配合投資大,射水下沉周期長。
3)鋼圍堰設(shè)計(jì)為一次性投入,需水下潛水員施工割接,投入材料殘值收益低,且危險(xiǎn)性高。
圖1 圍堰立面圖
2.4.1 方案概況
三岔河大橋水中以480號(hào)墩為研究對(duì)象,筑島頂面標(biāo)高+3.6 m,河床標(biāo)高?。?.4 m(按筑島填土厚度4 m的底面而定),承臺(tái)底面標(biāo)高 -12.558 m。
采用鋼管樁結(jié)合拉森鋼板樁圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工,鋼管樁φ630 mm×10 mm×24 000 mm、拉森鋼板樁575 mm×10 mm×12 000 mm(豎向2根焊接接長到24 000 mm),圍堰平面尺寸為21.6 m×17.6 m,共設(shè)置5道內(nèi)支撐,承臺(tái)底面以下2 m為C30封底混凝土。
原鋼板樁方案:圍堰樁頂標(biāo)高為+3.6 m,第一道內(nèi)支撐位于樁頂以下2 m,標(biāo)高為+1.6 m,以下各道支撐按等間距3 m逐道支撐,第五道支撐到封底混凝土頂面距離為2.5 m(此值無法設(shè)置承臺(tái)模板)。需注意的是:考慮到土體壓力從地表向下呈三角形分布遞增,建議從樁頂向下由稀到密布置內(nèi)支撐進(jìn)行支撐。例如,第一道位于樁頂以下2 m,以下各道內(nèi)支撐間距3 m+3 m+2.5 m+2.5 m逐道支撐,第五道支撐到封底混凝土頂距離為3.5 m。經(jīng)驗(yàn)算,第五道支撐不穩(wěn)定。鋼板樁結(jié)合鋼管樁方案:圍堰樁頂標(biāo)高為+3.6 m,第一道內(nèi)支撐位于樁頂以下2 m,標(biāo)高為+1.6 m,以下逐道間距(3+3+2.5+2.5)m逐道支撐,第五道支撐到封底混凝土頂距離為3.5 m(此值保證承臺(tái)模板的支立),如圖2所示。
圖2 圍堰立面圖
2.4.2 鋼管樁強(qiáng)度驗(yàn)算
驗(yàn)算時(shí)的荷載最不利位置均位于第五道支撐到封底混凝土底面段3.5 m+2 m=5.5 m范圍。該段為開挖最深段,土壓力最大;該段跨度最大(5.5 m)。
具體分析如下:
1)開挖到樁頂以下約2.5 m深處,設(shè)置第一道支撐。設(shè)置第一道支撐前,管樁在外側(cè)土壓力下樁頂向內(nèi)側(cè)傾移,這一傾移使得管樁外側(cè)土壓力由靜土壓力(開挖前)變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力(開挖后)。
此時(shí),樁外側(cè)為主動(dòng)土壓力,內(nèi)側(cè)為部分被動(dòng)土壓力及靜土壓力(之所以稱之為部分被動(dòng)土壓力,是因?yàn)闃俄斚騼?nèi)側(cè)傾移或有傾移趨勢(shì),但這一被動(dòng)土壓力遠(yuǎn)未達(dá)到臨界狀態(tài)的被動(dòng)土壓力—朗金理論中的被動(dòng)土壓力—土體被壓臨界破壞時(shí)的土壓力)。
2)封底混凝土底部以上共18.5 m,設(shè)置第一道支撐后,向下逐段(或逐層)開挖的過程中,鋼管樁不會(huì)再向內(nèi)側(cè)傾移。原因是:各道橫向內(nèi)支撐約束了管樁向內(nèi)側(cè)傾移。
3)鋼管樁實(shí)際會(huì)產(chǎn)生微小的向內(nèi)側(cè)傾移量,這一微小傾移量為內(nèi)支撐的彈性壓縮量,這一微小傾移量使得管樁外側(cè)土壓力由靜土壓力變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力。
4)封底混凝土層以下5.5 m范圍內(nèi)土層受力相對(duì)較復(fù)雜:開挖頂層土?xí)r,樁端部外側(cè)一定范圍內(nèi)為部分被動(dòng)土壓力;開挖到一定深度后,隨著各道內(nèi)支撐的設(shè)置及向下開挖卸載,其外側(cè)的部分被動(dòng)土壓力逐漸減小,直到最后成為主動(dòng)土壓力;而管樁內(nèi)側(cè)土則反之,開始在樁端部內(nèi)側(cè)一定范圍內(nèi)為主動(dòng)土壓力,開挖到一定深度后,隨著各道內(nèi)支撐的設(shè)置及向下開挖卸載,其內(nèi)側(cè)的主動(dòng)土壓力逐漸增大,直到最后成為被動(dòng)土壓力。
5)不考慮臨界狀態(tài)管樁的最小入土深度。理由是:設(shè)置的各道支撐限制了管樁的傾移,不會(huì)產(chǎn)生朗金被動(dòng)土壓力理論中或板樁計(jì)算理論中的臨界狀態(tài)。
6)基于以上各條分析,針對(duì)改進(jìn)方案,對(duì)長24 m的鋼管樁結(jié)合拉森板樁圍堰進(jìn)行受力驗(yàn)算。
經(jīng)上面各條分析,鋼管樁受力模型如圖3所示。
取單位寬度1 m為計(jì)算對(duì)象,則 p1=43.92 kN/m;p2=130.7 kN/m。
取最不利荷載AB段為驗(yàn)算對(duì)象:
計(jì)算假定:五道內(nèi)支撐視為剛性;各支撐間的鋼管樁段由連續(xù)梁簡化為簡支梁。因此,計(jì)算跨度LAB=5.5 m。
以一根鋼管樁結(jié)合一片拉森板樁為一個(gè)組合單元進(jìn)行計(jì)算,寬度為630+575=1.205 m。
于是,q=1.205 ×(130.7 -30)=121.5 kN/m(減30 kN/m 是由于帶水開挖)。
由計(jì)算資料知1 m寬度內(nèi)拉森板根數(shù)為100 cm÷57.5 cm=1.74 根。
所以,W拉森板=1 346 ÷1.74=773.6。
結(jié)論:從整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果得知,鋼管樁結(jié)合拉森鋼板樁強(qiáng)度滿足要求。
圖3 受力模型
1)經(jīng)過對(duì)鋼圍堰、鋼板樁圍堰進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析,并對(duì)鋼板樁圍堰內(nèi)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算表明均不符合工程穩(wěn)定要求,結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)出了鋼板樁與鋼管樁結(jié)合的圍堰方案。
2)通過對(duì)鋼板樁與鋼管樁結(jié)合的圍堰方案內(nèi)支撐及整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算,驗(yàn)算表明第一道至第四道內(nèi)支撐符合工程穩(wěn)定性要求,由于第五道內(nèi)支撐承受土壓力巨大,選擇用2根φ630 mm內(nèi)支撐才能滿足工程穩(wěn)定性要求。