橋墩鎖口鋼管樁圍堰受力分析及施工應(yīng)用研究

司 坤，蔣中明，萬(wàn) 發(fā)

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.中鐵廣州工程局，廣東 廣州 510660)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，橋梁建設(shè)技術(shù)也得到快速發(fā)展。橋梁下部施工中的基坑施工一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前常見圍堰按材質(zhì)分類主要有木板樁圍堰、木籠圍堰、鋼板樁圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土板樁圍堰等。殷力立[1]對(duì)深水條件下的鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰和鋼管樁圍堰三種施工工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比選，認(rèn)為鋼管樁圍堰適應(yīng)性更強(qiáng)，回收率高，安全性高，工期可控。姚德波[2]認(rèn)為鎖口鋼管樁在鋼管兩側(cè)加入鎖口裝置，可使兩相鄰鋼管樁緊扣相連在一起，具有整體剛度大、抗彎能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好，良好的經(jīng)濟(jì)效益和受力性能等特點(diǎn)。目前對(duì)于鋼管樁圍堰的研究主要集中在施工工藝與施工安全方面[3- 7]，但是采用數(shù)學(xué)模型方法對(duì)于鋼管樁圍堰的受力特性分析的研究卻報(bào)道較少，本文采用數(shù)學(xué)模型分析方法，利用有限元分析軟件對(duì)鎖口鋼圍堰結(jié)構(gòu)的變形、強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以確定鎖口鋼圍堰結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性是否滿足要求。

1 工程概況

龍穴南水道特大橋橋梁總長(zhǎng)7904m，橋梁跨南水道采用(60+60+70+448+70+60+60)m雙塔混合梁斜拉橋跨越，該主橋?yàn)橛许能壍?，兩?cè)邊跨為(60.8+60+70)m預(yù)應(yīng)力混凝土梁，鋼混結(jié)合段6m，其余560m均為鋼箱梁(其中主孔跨448m為通航孔)，全長(zhǎng)829.6m(含梁端懸臂段)。主塔為混凝土結(jié)構(gòu)，塔高155m，全橋共有72對(duì)索。主塔墩編號(hào)為171#、172#，基礎(chǔ)采用24Φ3m鉆孔樁基礎(chǔ)，順橋向4排、橫橋向6排，縱橫向樁中心距7m，171#墩樁長(zhǎng)46m；172#墩樁長(zhǎng)62m，承臺(tái)順橋向×橫橋向×厚度為40m×26m×6m，塔座為高3m的楔形體，上截面尺寸順橋向×橫橋向?yàn)?5.4m×30.4m，下截面尺寸順橋向×橫橋向?yàn)?1.4m×36.4m。

1.1 氣象條件

區(qū)內(nèi)氣溫冬無(wú)嚴(yán)寒，夏不酷熱，氣候溫暖，歷年年平均氣溫21.9℃，夏季極端最高氣溫37.5℃，冬季極端最低氣溫-0.4℃，多年平均氣溫22.8℃。多年平均平均降雨量為1693mm，相對(duì)濕度77%。降雨量的季節(jié)分配不均，旱季雨季分明，降雨集中在4—9月，雨季降雨量平均達(dá)1323.4mm，占全年的81%，雨季降水集中，多大雨、暴雨，易發(fā)生洪水，出現(xiàn)內(nèi)澇。

1.2 水分條件

珠江口濱海區(qū)的潮汐主要是太平洋潮波經(jīng)巴士海峽、巴林海峽傳入。因受汛期洪水和風(fēng)暴潮的影響，最高潮位一般出現(xiàn)在6—9月，最低潮位一般出現(xiàn)在12月—翌年2月。大橋設(shè)計(jì)最高通航水位+3.194m，最低通航水位-0.64m。20年一遇最高水位+2.82m，施工期間實(shí)測(cè)最高水位+2.65m。

1.3 地質(zhì)條件

主橋區(qū)域的地層巖性按期成因和時(shí)代分類主要有：第四系海陸交互相乘積、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及粉中砂黏土、圓礫土；下伏基巖主要為：白堊系(K)含礫砂及燕山期[λ5]花崗片麻巖等。龍穴島地區(qū)靠近入海口端覆蓋層較厚；下伏基巖主要為印支期和燕山期花崗巖和花崗片麻巖，全～弱風(fēng)化，其中局部全風(fēng)化地層深厚。主墩171#、172#根據(jù)鉆孔資料顯示，主墩范圍內(nèi)62m地層可分5個(gè)工程地質(zhì)條件。該場(chǎng)區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)條件主要是由底層淤泥(1)1-0及淤泥質(zhì)黏土(1)1-1組成，流塑狀態(tài)，該土層結(jié)構(gòu)松軟，壓縮性高、強(qiáng)度低，工程特性差，易產(chǎn)生過(guò)大、不均勻沉降。

2 鎖扣鋼管樁圍堰的設(shè)計(jì)布置

主墩承臺(tái)施工采用鋼管鎖扣圍堰，鋼管樁及鎖口材質(zhì)均為Q345。圍堰頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為+3.5m，圍堰底標(biāo)高為-26.5m，鎖口鋼管長(zhǎng)度為30m。圍堰內(nèi)設(shè)置3道鋼管內(nèi)支撐。承臺(tái)施工時(shí)采用鋼模成型，為保證施工空間，圍堰輪廓尺寸比承臺(tái)的外輪廓每邊大150cm。圍堰封底厚度為3.0m?？紤]預(yù)留0.1m找平層，實(shí)際抽水時(shí)，封底受力厚度為2.8m。鋼護(hù)筒外直徑為3.4m，鋼護(hù)筒與封底混凝土的粘結(jié)力按Nmax=15t/m2考慮。圍堰內(nèi)設(shè)置3道內(nèi)撐：第一、二、三道內(nèi)撐圈梁均采用2HN700x300mm型鋼拼接，支撐(直、斜)也都采用2HN700x300mm型鋼，三層圈梁標(biāo)高分別為+0.0m，標(biāo)高為-4.0m，標(biāo)高為-8.0m。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 計(jì)算方法及模型

本文采用MIDAS有限元分析軟件對(duì)鎖扣鋼管樁圍堰進(jìn)行建模計(jì)算，模型由鎖扣鋼管樁、梁圈和內(nèi)支撐組成，共有節(jié)點(diǎn)4892個(gè)，單元7264個(gè)。鎖扣鋼管樁之間按相對(duì)獨(dú)立柱建模，忽略鎖扣對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性的貢獻(xiàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)驗(yàn)算較為安全。建立的三維仿真模型，按照關(guān)鍵不利工序的結(jié)構(gòu)特性對(duì)其施加結(jié)構(gòu)、混凝土和承臺(tái)自重、圍堰內(nèi)外所受主被動(dòng)土壓力、水浮力、靜水壓力、流水壓力、波浪力、澆筑側(cè)壓力等，進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)后處理觀察、提取圍堰結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的位移、應(yīng)力，進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3.2 荷載分析

圍堰結(jié)構(gòu)的主要荷載如下：

(1)圍堰自重(G1∶2124t)：封底混凝土自重(G2∶7340t)；承臺(tái)自重(G3∶16224t)

(2)水浮力(F浮):F浮=γgV排。

(3)鋼護(hù)筒與封底混凝土的粘結(jié)力(f):11530t(24根樁)(Nmax=15t/m2)。

(4)靜水壓力(F1)：?jiǎn)挝幻娣e上的靜水壓力按10kN/m2計(jì)，水壓隨高度按線性分布，考慮本圍堰施工為下冬季及春季，水位考慮為+2.5m。

(5)圍堰內(nèi)清淤時(shí)圍堰外土層產(chǎn)生的對(duì)圍堰的主動(dòng)及被動(dòng)側(cè)壓力(F2):F2=γ浮H;(F3):F3=γ浮H。

(6)流水壓力(F4)：水流速度按最大設(shè)計(jì)值計(jì)，為0.69m/s。

(7)波浪力(F5)：波浪力按q2=1.5t/m2，浪高1.2m計(jì)算。

(8)風(fēng)荷載(F6):風(fēng)荷載不與波浪力同時(shí)考慮。

圍堰受風(fēng)載面積為圍堰露出水面以上部位：

K1=0.9，K2=1.0，K3=0.9，W0=500Pa。

根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》

W=K1K2K3W0=0.9×1.0×1.0×500=450Pa=0.45t/m2

風(fēng)荷載遠(yuǎn)小于波浪力，因此，本計(jì)算可忽略風(fēng)荷載的作用。

3.3 計(jì)算流程

圍堰施工工序如下：①先施工圍堰上下游兩側(cè)的樁基，兩側(cè)共計(jì)12根樁基，②利用在已有的平臺(tái)小樁及鋼護(hù)筒上焊接牛腿(圍檁的拼裝平臺(tái))及導(dǎo)向架，從上下游兩側(cè)的中間位置分別向兩邊插打鎖口鋼管樁，插打剩余鎖口鋼管樁至平臺(tái)左右兩側(cè)中間進(jìn)行合龍。③合龍完成后，將內(nèi)支撐與下放支架進(jìn)行固定，割除牛腿，整體下放圈梁及內(nèi)支撐至第一道內(nèi)支撐至設(shè)計(jì)標(biāo)高，抽水至第一道內(nèi)支撐往下100cm處，將第一道內(nèi)支撐與圍堰焊接固定，④然后往圍堰里邊補(bǔ)水至第一道內(nèi)支撐標(biāo)高后，進(jìn)行不排水開挖至封底混凝土底標(biāo)高，澆筑6m厚封底混凝土，⑤待封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，抽水至第二道內(nèi)支撐處安裝第二道內(nèi)支撐，⑥抽水至第三道內(nèi)支撐處安裝第三道內(nèi)支撐，⑦最后抽水至封底混凝土頂標(biāo)高，切割護(hù)筒，鑿除樁頭進(jìn)行承臺(tái)及塔座施工。

擬定的不利工序如下：

工序1：保持內(nèi)外水頭一致，不排水開挖至封底混凝土底標(biāo)高。

工序2：澆筑封底混凝土，抽水至第二道內(nèi)支撐往下1.0m處，安裝第二道內(nèi)支撐前。

工序3：安裝第二道內(nèi)支撐，抽水至第三道內(nèi)支撐往下1.0m處，安裝第三道內(nèi)支撐前。

工序4：安裝完成第三道內(nèi)支撐，繼續(xù)抽水至封底混凝土頂標(biāo)高。

3.4 計(jì)算成果及分析

3.4.1 工序1計(jì)算結(jié)果

圖1為鎖口鋼管組合應(yīng)力σmax=68.8MPa<315MPa，最大變形量為L(zhǎng)max=77mm，第一道內(nèi)支撐受力為84.4kN，通過(guò)等效至內(nèi)支撐圈梁處，進(jìn)行計(jì)算圈梁及內(nèi)撐在此作用力下的桿件自身強(qiáng)度，圖2為圈梁采用2HN700，最大組合應(yīng)力175.6MPa<215MPa，應(yīng)力應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4.2 工序2計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示在此工序下的圈梁最大組合應(yīng)力如圖3所示，為σmax=124.3MPa<215MPa，內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為σmax=156.5MPa<215MPa，圈梁最大變形量如圖4所示，為L(zhǎng)max=11.0mm，應(yīng)力應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。

在此工序下的鎖口鋼管樁最大組合應(yīng)力如圖5所示，為σmax=111.6MPa<315MPa，鋼管最大變形量如圖6所示，為L(zhǎng)max=22.1mm，應(yīng)力應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4.3 工序3計(jì)算結(jié)果

在此工序下的圈梁最大組合應(yīng)力如圖7所示，為σmax=168.8MPa<215MPa，內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力如圖8所示，為σmax=152.9MPa<215MPa，應(yīng)力應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。

在此工序下鎖口鋼管樁最大組合應(yīng)力如圖9所示，為σmax=203.1MPa<315MPa，鋼管最大變形量如圖10所示，為L(zhǎng)max=20.7mm，應(yīng)力應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 鋼管組合應(yīng)力分布圖2 梁圈及內(nèi)撐應(yīng)力分布圖3 圈梁最大組合應(yīng)力分布圖4 梁圈內(nèi)應(yīng)力變形

3.4.4 工序4計(jì)算結(jié)果

在此工序下的圈梁最大組合應(yīng)力如圖11，為σmax=189.2MPa<215MPa，內(nèi)支撐應(yīng)力如圖12所示，第一道內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為σmax=40.3MPa<215MPa，第二道、第三道內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為σmax=104.2MPa<215MPa，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在第三道內(nèi)支撐，應(yīng)力應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。

鎖口鋼管樁最大組合應(yīng)力如圖13所示，為σmax=162.4MPa<315MPa，鋼管最大變形量如圖14所示，為L(zhǎng)max=15.2mm，應(yīng)力應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，鎖扣鋼管組合應(yīng)力的最大值發(fā)生在工序三，為203.1MPa，梁圈的最大組合應(yīng)力發(fā)生工序4，為189.2MPa，內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力發(fā)生在工序2，為156.5MPa，均在鋼結(jié)構(gòu)最大允許應(yīng)力范圍內(nèi)，故滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖11 圈梁應(yīng)力分布圖12 內(nèi)支撐應(yīng)力分布圖13 鎖扣鋼管應(yīng)力分布圖14 鋼管最大變形

4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.1 圍堰整體抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算

一個(gè)承臺(tái)下24根φ3.0m的鉆孔樁，鋼護(hù)筒外直徑為φ3.4m。由于封底3.0m(按2.8m計(jì)算)，所以粘結(jié)力總和為f=11530t(封底混凝土與樁間摩擦系數(shù)取15t/m2)承臺(tái)范圍內(nèi)打入φ0.82m鋼管樁30根，由于封底3.0m時(shí)，鋼管可提供的粘結(jié)力(116t)大于鋼管樁的抗拉承載力，所以鋼管樁部分按每根樁可承受90T拉力計(jì)算f=2700t。圍堰封底面積1020m2，封底厚度3.0m，封底混凝土重7340t。圍堰自重：約2124t。

圍堰抗浮力：F抗=11530+2700+2124+7340=23694t。水位在+2.5m時(shí)，圍堰底部產(chǎn)生的浮力：F浮=11020×16.9×1=17238t。由于F抗>F浮，所以圍堰抗浮穩(wěn)定性滿足要求。

4.2 圍堰整體抗沉驗(yàn)算

一個(gè)承臺(tái)下24根φ3.0m的鉆孔樁，鋼護(hù)筒外直徑為φ3.4m。由于封底3.0m(按2.8m計(jì)算)，所以粘結(jié)力總和為f=11530t(封底混凝土與樁間摩擦系數(shù)取15t/m2)圍堰封底面積1020m2，封底厚度3.0m，封底混凝土重7340t。圍堰自重：約2124t。第一次施工混凝土自重：G4=16224t圍堰下沉力：F=7340+2124+16224=25688t

圍堰底部產(chǎn)生的浮力為為17238t，由于抗沉力:F1=17238+11530=28768t>F=25688t(下沉力)所以圍堰抗沉穩(wěn)定性滿足要求。

5 結(jié)論

(1)模型計(jì)算結(jié)果表明：在鎖扣鋼管樁圍堰的各個(gè)不利施工工序中，最不利荷載組合工況下鋼管樁圍堰剛度(變形)、強(qiáng)度(應(yīng)力)

及穩(wěn)定性驗(yàn)算符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)在最不利受力條件下安全可靠。

(2)在最不利荷載組合工況。鎖扣鋼管組合應(yīng)力的最大值發(fā)生在工序3，為203.1MPa，梁圈的最大組合應(yīng)力發(fā)生工序4，為189.2MPa，內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力發(fā)生在工序2，為156.5MPa。添加梁圈和內(nèi)支撐的條件下鎖口鋼管樁圍堰在基坑支護(hù)中的應(yīng)用安全可行。

(3)鎖口鋼管樁在施工過(guò)程中應(yīng)力最大值發(fā)生部位即其最危險(xiǎn)的受力點(diǎn)發(fā)生在工序3的鋼管樁與封底混凝土頂面相交線上，在施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)檢查該處的連接強(qiáng)度，規(guī)避圍堰可能產(chǎn)生的破壞。