鎖口鋼管樁圍堰在深水樁基處治中的應(yīng)用

黃永順

(福建億達工程勘察設(shè)計研究院有限公司，三明 365000)

隨著我國公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入， 交通網(wǎng)已不斷向全國各地延伸。橋梁作為跨越河流、丘谷等結(jié)構(gòu)技術(shù)也得到了推進。橋梁下部結(jié)構(gòu)基坑施工一直是個難題。目前常見的圍堰類型主要有土石袋圍堰、 混凝土套箱圍堰、鋼板樁圍堰、鎖口鋼管樁圍堰等[1-2]。 鎖口鋼管樁圍堰憑借著結(jié)構(gòu)剛度大、安全性能好、加工便捷、工期可控等良好經(jīng)濟效益受到了廣泛的青睞[3-4]。 本文以某跨江大橋樁基維修處治圍堰施工為分析對象， 采用三維有限元軟件分析其在不同施工階段下圍堰的受力狀態(tài)以及整體圍堰的抗浮力、 穩(wěn)定性能等各項性能指標(biāo)是否滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

1 工程概況

某跨江大橋于2000 年建成通車， 橋長1020.0 m，主橋采用(65+120+65)m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，主孔下部為薄壁雙肢墩，群樁基礎(chǔ)；引橋跨徑均為35 m，共22 孔，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。 受上游電站泄洪及潮水影響，河床沖刷下切較為嚴(yán)重，水中各個樁基均出現(xiàn)不同程度的混凝土剝落、鋼筋銹蝕、縮頸等嚴(yán)重病害。經(jīng)論證其維修處治方案采用增大樁基截面法。

該橋址水流湍急、航道通行繁忙，每年夏季水位變化受汛期影響顯著。 水中樁基河床底部至最高水位高度在4～14 m 范圍，其中8#主墩水位深接近14 m。

2 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

8# 主墩承臺尺寸為11.2 m(橫橋向)×9.0 m(縱橋向)×3.0 m(厚度)。 鎖口鋼管樁圍堰初步設(shè)計內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)尺寸為14.67 m×12.27 m， 圍堰頂標(biāo)高為+43.5 m， 圍堰底高為+17.5 m，長度為26 m。 采用Q235Bφ630 mm×10 mm 型號鋼管樁， 鎖口陰頭采用φ180 mm×7 mm 鋼管和陽頭為I20b 型鋼，組合成“C-T”接口形式，鎖口內(nèi)灌入防水材料。順橋向每側(cè)15 根，橫橋向每側(cè)設(shè)打18 根。 打入河床以下11 m 左右深。 鎖口鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)臨時支撐從上往下依次設(shè)置4 道內(nèi)圈梁內(nèi)支撐， 分別設(shè)置在標(biāo)高為42.5 m、39.5 m、36.5 m、33.5 m、31.0 m 對應(yīng)的高度。 考慮到水位較深、抗浮力等各種因素，封底混凝土澆筑厚度為2.5 m。8#主墩鎖口鋼管樁圍堰平面及內(nèi)支撐布置示意如圖1～2 所示。

圖1 鋼管樁平面布置圖(單位：mm)

圖2 鋼管樁立面布置圖(單位：mm)

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 有限元模型

采用Midas Civil 有限元軟件對8# 墩圍堰的不同施工階段受力進行計算分析。 該模型由1868 個節(jié)點和3462 個單元組成，相鄰兩根鎖口鋼管樁作為單根柱單元模擬， 且不考慮公扣與母扣之間搭接對圍堰結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性作用，以保證計算結(jié)果偏于安全。每根鋼管樁底部均采用鉸接方式模擬邊界約束， 內(nèi)支撐與圈梁和鎖口鋼管樁采用剛性連接方式模擬焊接， 封底混凝土與鋼管樁共節(jié)點；鋼管樁入土深度節(jié)段按“m”法模擬節(jié)點彈性支撐。 鋼管樁從河床往下依次進入淤泥層2.4 m，其m 法計算值取4000 kN/m4；中砂層4.5 m，m 法計算13000 kN/m4、卵石層4.1 m， 其m 法計算值取42000 kN/m4。 有限元分析模型見圖3。

圖3 圍堰三維計算模型

3.2 荷載工況

圍堰主要施工工序順序如下： ①先施打橫橋向兩側(cè)的鎖口鋼管樁，后施打縱橋向兩側(cè)的鋼管樁。②合攏完成后， 在相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)高處安設(shè)第一道支撐及圈梁并進行焊接固定。 ③河床底部清理、整平并澆筑2.5 m 厚的封底混凝土。 ④待混凝土達到一定強度后，抽水至39.5 m標(biāo)高位置處并安設(shè)第二道支撐。 ⑤抽水至36.5 m 標(biāo)高位置處并安設(shè)第三道支撐。 ⑥抽水至33.5 m 標(biāo)高位置處并安設(shè)第四道支撐。⑦抽水至31.0 m 標(biāo)高位置處，便可開始進行樁基表面清洗等工藝。 圍堰內(nèi)支撐各工況見表1。

表1 圍堰計算工況

4 計算結(jié)果

4.1 圍堰強度計算

采用Midas Civil 有限元數(shù)值模擬分析施工過程中4 種最不利荷載工況下鋼管樁及圈梁圍堰材料的受力狀態(tài)。

(1)工況一

在工況一狀態(tài)下(抽水1 m 深)，鋼管樁及圈梁構(gòu)件材料的應(yīng)力圖如圖4～5 所示。由鋼管樁應(yīng)力圖可知，其最大應(yīng)力σmax=33.67 MPa＜168 MPa (鋼材的容取應(yīng)力值可按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定》規(guī)定選用，提高系數(shù)取1.2。即Q235 級鋼材的容取最大應(yīng)力σmax=140×1.2=168 MPa)；出現(xiàn)在封底混凝土頂面界面處；由圖5 可知，工字鋼圈梁的最大應(yīng)力σmax=28.66 MPa，出現(xiàn)在橫向圈梁與內(nèi)支撐鋼管焊接位置處， 小于鋼材的容取值； 圍堰的最大變形量lmax=5.6 mm，出現(xiàn)在鋼管樁頂部。綜上分析，在工況一狀態(tài)下，圍堰的應(yīng)力應(yīng)變均滿足要求。

圖4 工況一鋼管樁應(yīng)力圖

圖5 工況一圈梁應(yīng)力圖

(2)工況二

當(dāng)圍堰處于工況二狀態(tài)下， 即抽水至39.5 m。 經(jīng)有限元數(shù)值分析可得鋼管樁及圈梁構(gòu)件的應(yīng)力如圖6～7 所示。 由圖6 可以看出，在工況二荷載下，鋼管樁應(yīng)力σmax=34.02 MPa，出現(xiàn)在封底混凝土頂面位置處；而圈梁的最大應(yīng)力σmax=92.65 MPa 出現(xiàn)在第二道圈梁橫橋向中間位置處，變形量lmax=14.3 mm。 應(yīng)力應(yīng)變均滿足設(shè)計要求。

圖6 工況二鋼管樁應(yīng)力圖

圖7 工況二圈梁應(yīng)力圖

(3)工況三

圖8 工況三鋼管樁應(yīng)力圖

圖9 工況三圈梁應(yīng)力圖

當(dāng)圍堰內(nèi)抽水至36.5 m， 進行第三道內(nèi)支撐固定時，此刻的鋼管樁及圈梁構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)如圖8～9 所示。由圖8 可以看出，在該工況下鋼管樁應(yīng)力σmax=39.61 MPa，出現(xiàn)標(biāo)高28.5 m 位置處，圈梁的最大應(yīng)力σmax=104.1 MPa 出現(xiàn)在第三道橫橋向內(nèi)置撐中間位置處， 圍堰結(jié)構(gòu)最大變形量lmax=18.9 mm。 應(yīng)力應(yīng)變均滿足設(shè)計要求。

(4)工況四

在工況四荷載下， 鋼管樁及圈梁構(gòu)件的應(yīng)力如圖10～11。 從圖10 不難發(fā)現(xiàn)鎖口鋼管樁的最大應(yīng)力為σmax=58.56 MPa，仍出現(xiàn)在封底混凝土頂面位置處；圈梁的應(yīng)力σmax=148.3 MPa， 出現(xiàn)在第四道內(nèi)支撐與圈梁節(jié)點處；該工況下圍堰的最大變形量lmax=26.5 mm。 應(yīng)力應(yīng)變均滿足設(shè)計要求。

圖10 工況四鋼管樁應(yīng)力圖

圖11 工況四圈梁應(yīng)力圖

綜合上述分析可知， 圍堰的鋼管樁和圈梁構(gòu)件最大應(yīng)力均發(fā)生在工況四， 此時的鋼管樁組合應(yīng)力σmax=58.56 MPa、圈梁的最大應(yīng)力σmax=148.3 MPa 均小于鋼材允許應(yīng)力；且最大變形量lmax=26.5 mm 也滿足相關(guān)變形量要求。

4.2 圍堰整體抗浮計算

封底混凝土標(biāo)號強度為C30，厚度為2.5m，承臺下有6 根直徑為2 m 樁基， 樁基與封底混凝土的摩阻力T 取120 kPa。圍堰內(nèi)凈面積為170.1 m2。水浮力：P浮=rhA=10×14.3×170.1=25515 kN；封底混凝土重：G重=rV=23×170.1×2.5=9781 kN；樁基與封底混凝土的摩阻力：F摩=TS=120×6×3.14×2.5=5652 kN。

圍堰對水浮力穩(wěn)定作用取下式計算的較小值： 鋼管樁與封底混凝土的摩阻力：F=TS=120×(11+13.5)×2×2.5=14700 kN； 鋼 管 樁 抗 拔 力：F=66×26×250/100+66×11×3.14×0.63×20=33013 kN。 (共有66 根鋼管樁，鋼管樁與砂土摩阻值按20 kPa 計算， 封底混凝土底面下鋼管入土11.0 m，鎖口鋼管樁每延米重量約250 kg)。

圍堰整體抗浮滿足相關(guān)要求。

4.3 圍堰整體穩(wěn)定性計算

在水流壓力下圍堰可能會發(fā)生傾斜變動， 其轉(zhuǎn)動軸在圍堰腳趾處， 圍堰穩(wěn)定力矩是由圍堰結(jié)構(gòu)重量G1、混凝土重G2、樁與土層的摩擦力G3的合力與水浮力P 的差值。傾覆力矩是由水流壓力F 水產(chǎn)生。即圍堰整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定力矩：M0=(G1+G2+G3-P)×0.5L=(33013+9781+14700-25515)×12.27×0.5=196191 kN。

其中K 為形狀系數(shù)， 取1.5；A 為阻水面積，15.5m×15m=232.5 m2；v 為水流速度， 取2.6 m/s；r 為水的密度，取10 kN/m3，故動水壓力為1179 kN,其作用于水面下1/3水深處。 抗傾覆力矩：

Mt=FD=1179×15×2/3=11790 kN。

綜合上述計算分析，圍堰穩(wěn)定性滿足要求。

5 結(jié)論

本文采用大型有限元分析軟件對某跨江橋梁采用鎖口鋼管樁圍堰方式施工進行不同階段下的受力性能分析，得到以下幾點結(jié)論：

(1)數(shù)值分析結(jié)果表明：在各個不同施工工況下，鎖口鋼管樁圍堰的剛度(變形)和強度(應(yīng)力)及變形值均滿足規(guī)范要求。

(2)鎖口鋼管樁和圈梁的最大應(yīng)力均發(fā)生在工況四，應(yīng)力分別為σmax=58.56 MPa、σmax=148.3 MPa。 可見鋼管樁構(gòu)件的安全富裕系數(shù)偏高，而圈梁的安全富裕系數(shù)偏小。必要時可適當(dāng)對圈梁進行加固， 從而提高圍堰結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

(3)圍堰的抗浮系數(shù)為1.18；穩(wěn)定系數(shù)為16.6 均滿足相關(guān)規(guī)范要求， 由此可見鎖口鋼管樁圍堰在12～18 m 深水基坑施工中具有較好的應(yīng)用前景。