拉森型钢板桩围堰在梁桥墩水下承台基础中的应用

拉森型钢板桩围堰在梁桥墩水下承台基础中的应用

1桩身及土层分布杭州钱江铁路大桥是一座集16条横铁路、一条铁路和一条混凝土预测桥。位于杭州杭州河的交汇处。北庭是彭埠市，南庭是萧山。主桥44～60号共17个桥墩均布置在钱塘江内,其中45～51号、53～59号墩承台均为八边形,尺寸均为18.4m×23.9m×4m,下部采用17根ϕ2.0m的钻孔灌注桩,呈梅花形布置。承台、桩基础均采用C40混凝土。桥位处土层(以56号桥墩位为例)从上向下依次为粉土、淤泥质粉质粘土,土层分布见图1,岩土力学试验值见表1。粉土层:黄灰色,潮湿、饱和,稍密～中密,稍具层理,夹少量薄层粘性土,含少量云母碎片,摇震反应迅速。σ0=100kPa,标准贯入试验N¯¯¯=7.78Ν¯=7.78击。淤泥质粉质粘土层:浅灰色,流塑,局部软塑,含少量贝壳及腐植质,局部夹粉土薄层。属高压缩性土。σ0=80kPa,标准贯入试验N¯¯¯=4.48Ν¯=4.48击。在桥址位置,百年一遇最大涌潮高度2.45m,涌潮压力49kN/m2;十年一遇最大涌潮高度1.96m,涌潮压力32kN/m2。涌潮压力分布形式:在低潮位以上沿垂线方向差别不大,可按矩形分布;在低潮位以下水深范围内按零处理。2拉森钢板桩围堰由于原钱江二桥施工时遗留的部分栈桥预应力管桩与钱江铁路新桥部分承台施工围堰重叠,且原钱江二桥施工时抛填片石及其他遗留物较多,承台施工时若采用双壁钢围堰,则其下沉过程中将会遇到大量障碍物而导致钢围堰下沉困难。拉森钢板桩围堰能较方便地转向,遇片石或其他障碍物时可以适当避让;考虑本工程位于强涌潮地区涌潮压力大,若采用钢板桩围堰施工,则要求钢板桩自身刚度大、具有较强的抗潮能力。拉森Ⅵ型钢板桩为近期从日本引进的新型材料,较国内常用的其他钢板桩截面抗弯模量大、锁口水密性能较好、施工时插打和拔除均较为方便,因此该桥钱塘江中部分承台施工采用拉森Ⅵ型钢板桩围堰施工。以56号墩为例介绍钢板桩围堰施工及其计算。3钢板桩转角场56号墩承台为八边形,尺寸为18.4m×23.9m×4m,承台底标高-3.575m。钢板桩围堰距承台边净距约1m。钢板桩围堰顺桥向由32根宽度为0.6m的钢板桩及2根宽度为0.3m的转角钢板桩组成;横桥向由45根宽度为0.6m的钢板桩组成;转角处钢板桩与另一根钢板桩焊成直角桩,便于钢板桩围堰方向转变。施工期水位为+5.0m,钢板桩围堰顶按+6m设置。围堰设2层支撑,第1层支撑设置在+5.5m处,第2层支撑设置在+2.5m处。钢板桩围堰立面及平面布置见图2、图3。钢护筒插打完成后,在+5.5m标高处钢护筒上焊接牛腿,将第1层围檩设置好,然后再安装第1层内支撑。沿第1层围檩插打钢板桩直至形成闭合围堰,不排水取土至封底标高,进行水下混凝土封底;待封底混凝土达到设计强度后,抽水至标高+2.0m,在+2.5m处钢板桩围堰设置的牛腿上,安装第2层围檩,并设置好第2层内支撑。排干围堰内的水,破除桩头,然后进行承台、墩身的施工。墩身施工完成后,向围堰内注水至+2.0m处,拆除第2层内支撑及围檩,继续注水至+4.5m处,拆除第1层内支撑及围檩,拔除钢板桩。4拉森钢的加固计算4.1土压力的确定钢板桩围堰施工中经常出现钢板桩整体失稳致使钢板桩围堰向内包裹将施工人员及设备整体掩埋在基坑内,俗称“包饺子”。从力学分析来看,造成“包饺子”的主要原因是对钢板桩围堰的土压力和水压力计算取值不足,造成钢板桩围堰及其内支撑刚度不足、应力过大导致结构整体失稳或破坏。在进行钢板桩围堰设计计算前,应较准确地把握支护的土体,同时认清所采用的计算公式及计算模型的假设前提条件与本工程实际情况是否一致。作用在挡土结构上的土压力可分为3种:静止土压力、主动土压力和被动土压力。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99),支护结构水平荷载按照主动土压力和被动土压力进行计算,传统上也常采用库仑或朗肯土压力理论中的主动土压力和被动土压力计算钢板桩围堰土压力。当钢板桩围堰内取土后,钢板桩将向内发生位移,围堰外的土体随板桩变形,在变形过程中,短时间内土体结构构成不发生变化时,当钢板桩位移量达到某一量值后,土体达到主动极限平衡状态,此时土压力为主动土压力;但由于钢板桩围堰刚度较小,且施工时一般土体中富含水分,在其施工过程中的一段时间内,由于土体中水的运动将造成土体结构状态发生变化,土体进行重新固结,其主动极限平衡状态打破,土压力再次增大,钢板桩围堰继续变形;因此土体对钢板桩的作用力,其最终平衡状态为土体和钢板桩的静止极限平衡状态,故钢板桩围堰外侧土压力采用静止土压力,内侧土压力采用被动土压力进行计算较为妥当。钢板桩的静止土压力系数K0=1-sinϕ(砂性土),K0=0.95-sinϕ(粘性土);主动土压力系数Ka=tg2(45°-ϕ/2);被动土压力系数Kp=tg2(45°+ϕ/2)。式中,ϕ为土的有效内摩擦角(°)。4.2钢板桩封底阶段钢板桩围堰施工时,一般情况下有2种工况最为不利:①钢板桩围堰吸泥完成到封底前,主要确定钢板桩入土深度及验算钢板桩、围檩及内支撑强度和刚度;②钢板桩围堰抽水完成后,仅验算钢板桩围堰、围檩及内支撑强度和刚度。钢板桩围堰设计时应分别对这2种工况进行分析。4.2.1钢板桩围堰土压力钢板桩围堰在不排水吸泥过程中,当围堰内吸泥后,内侧土压力减小,钢板桩有向内滑移的可能,因此需验算钢板下端入土深度是否满足施工需要,以及钢板桩的强度和刚度;需计算上端支撑力并验算内支撑是否具有足够的强度和刚度。当采用不排水吸泥时,钢板桩围堰内、外水压力一致,故可不考虑水压力,只需分析钢板桩围堰内、外土压力对结构的影响。对于土压力分布形式,尤其是在开挖面以下,朗金土压力理论或者静止土压力理论与《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)第3.4条水平荷载标准值中的计算有较大差别。当钢板桩围堰吸泥完成后,其土压力分布形式见图4。图4(a)中E0为静止土压力,图4(b)中Ea为主动土压力。本文中钢板桩围堰施工计算采用静止土压力理论计算土压力。静止土压力E0=12γ(h2+t0)2K0E0=12γ(h2+t0)2Κ0;被动土压力Ep=12γt20Kp+2ct0Kp−−−√Ep=12γt02Κp+2ct0Κp。式中,γ为土浮容重(10kN/m3);h2为河床至封底混凝土底高度(m);t0为钢板桩入土深度(m);c为凝聚力(kPa)。由静止土压力对内支撑点力矩和主动土压力对内支撑点力矩相等可知: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为静止土压力对内支撑点力矩安全系数;h1为河床至内支撑点高度(m);K2为主动土压力对内支撑点力矩安全系数。静止土压力E0和被动土压力Ep对A点取弯矩平衡,根据式(1)试算钢板桩入土深度t0,并确保K1≥1.3,来确定钢板桩最小入土深度;同时按式(2)计算K2。经计算,E0=338.5kN,Ea=234.9kN,Ep=452kN,K1=1.50,K2=2.16。4.2.2钢板桩封底支点的土压力钢板桩围堰封底抽水后,由于封底混凝土具有较大的刚度,因此封底混凝土对钢板桩具有刚性支撑作用,且封底混凝土具有一定的握裹力,故对封底混凝土与钢板桩底的计算模型模拟具有较大的难度,如何模拟对计算结果有较大的影响。考虑封底混凝土表面不平整,把封底混凝土理论顶面下20cm作为钢板桩下端水平方向刚性支撑点;其余封底支点作为受压刚性、受拉在钢板桩的握裹力范围内刚性的支点;底端作为竖向支撑的支点;将每根钢板桩、围檩及所有内支撑共同作为整体模型来进行模拟计算。抽水受力后计算图示及计算模型见图5。当封底支点2拉力大于其握裹力时,钢板桩封底支点1下钢板桩具有向外变形的趋势,因此其土压力按照被动土压力进行计算。通过锁口组合的钢板桩截面,由于锁口传递剪力不如整体截面,钢板桩的截面抵抗矩采用0.7倍计算值进行折减,最大应力为166.3MPa,最大挠度为18mm。4.2.3钢板桩围堰整体模型的涌潮压力变化强涌潮时分2种工况计算钢板桩围堰:①在钢板桩围堰整体计算模型上增加迎潮面涌潮压力;②在钢板桩围堰整体计算模型上增加迎潮面和两侧面涌潮压力。其计算模型见图6。5拉森钢板桩的推广通过对钢板桩围堰的土压力、计算模型等的分析和研究,在强涌潮地区成功实现拉森Ⅵ型钢板桩围堰施工水下承台基础,取得一定的经验。由于拉森Ⅵ型钢板桩比其他