钢板桩在桥墩支护中的应用

钢板桩在桥墩支护中的应用

广州新桥位于珠江沥桥水道。5#和6号桥墩由36根桩和接架组成。承台尺寸为34.7m48.3m6.0m（桥至横桥至高），桥下高程为38m52m，总高度为-2.04m。每日下降两次潮水，河水水位为4.0.6.9米（广州市政高度），设计水位为7.40m。五#墩附近的河床表面为泥泞，高度约为0.0m，必须挖掘至-3.5m。六#墩附近的河床主要为细砂，河床起伏较大，高度为-8.0.3.0m。洪水时水深为10.0.15m。图1显示了两个单元的层。承台原方案采用厚2.5m水下混凝土封底,同时采用5层对撑加钢板桩支护.优化方案采用不封底,回填1.0m的石粉压渗、上铺厚0.5m的素混凝土垫层,同时采用4层对撑加角撑.国内目前深水围堰多采用钢护桶加水下混凝土封底方案,单层刚板桩支护应用在深水围堰中并不多,主要有中山东河水利枢纽钢板桩围堰,天津彩虹大桥钢板桩围堰和番禺大桥主塔基础钢板桩围堰等.相对于用钢护桶加水下混凝土封底方案,钢板桩围堰加石粉压渗方案具有几个方面的优势:一是施工方便,节省工期,钢护桶需要预加工,对于大面积基坑,钢护桶很大,制作和运输的工作量很大,相对而言,钢板桩运输和施工都很方便;二是钢板桩可以重复利用,节约成本;三是石粉压渗相对于水下混凝土封底也具有很大的经济优势.石粉压渗不封底方案实施的关键取决于渗漏量大小和围堰的抗渗稳定,同时围堰位于江中,必须考虑由于江水位涨落、水流冲击、施工船只对围堰体系的撞击等不利因素的影响.另一方面钢板桩墙是单根钢板桩通过槽口互卡而成,卡口之间靠互相咬合来传递剪力,该咬合关系随钢板桩的变形而发生变化,目前这种“变形-刚度”关系尚无明确的方法确定.文献通过室内试验对钢板桩的受力性能做了研究,同时基于梁的理论,根据相邻钢板桩受力发生之间的相对位移,提出了一种数值方法,用于计算一种特定情况下钢板桩的变形和弯矩,但这种特定情况并不适用于一般工程,确切而实用的方法有待于进一步的研究.在本工程中,采用刚度折减的方法来考虑这种影响.钢板桩围堰的抗渗稳定方面的论证将另文论述.本研究着重介绍深水钢板桩围堰的优化设计,根据监测结果对钢板桩的受力性能进行分析,通过对比设计结果指出两者在变形上产生较大差异的可能原因及类似设计中要注意的问题.1施工围堰支撑体系的特点支护结构采用钢板桩加钢支撑体系.钢板桩为FSPⅣ型,两条12m接驳成24m长,用90kW振动锤打入,第一层支撑每道采用2根I32a的工字钢,其他各层每道均采用2根I56a的工字钢,各层围檩也都采用2根I56的工字钢.各层的高程为:+5.5,+3.4,+1.6和-0.2m.其结构布置如图2所示.在图中,每层共有8条角撑,4条南北向横撑和2条东西向纵撑.实施方案的纵横撑节点采用“跨越式”节点,从横撑间隔340或580mm的两根[40a槽钢组合梁穿过,避免了两者之间的相互影响.实施方案和原方案相比,实施方案优势很明显:(1)为施工预留了很大的空间,方便了施工.基坑的施工类似于“逆作法”,由上及下施工,如果上层的支撑结构太密,下层的支撑材料便很难往下传送,即使勉强可以,下层支撑吊装时或拆除下层支撑向上吊走时也较容易碰撞上层已经受力的支撑,影响其工作性能.(2)传力更加明确,避免了纵横撑之间的影响.(3)角撑的引入,把角撑与围檩节点之间做好,可以使整个支撑平面结构稳定性增强.(4)节省钢材,经济性好.计算以“横向荷载作用下桩土共同作用的简化法”为基础,以加虚拟拉力的全量方法考虑施工中加撑过程.若某个支撑设置前,支撑点已发生位移So,则虚拟拉力的大小Fv=KSo,K为支撑刚度.将虚拟拉力Fv作为主动荷载加在支撑点后继续开挖,用全量法计算得位移为S,则该支撑受到支撑力F=K(S-So).在本工程中,为了控制桩身的弯矩,计算虚拟拉力Fv时,虚位移So的计算是在低潮水位时(≤+5.9m)所得,这相当于给支撑加了预应力,使桩身往回弹.所以在施工围堰支撑体系应避免在高潮水位(>+5.9m)合拢对接.计算时参考了中山东河水利枢纽钢板桩围堰工程实测数据的反算结果,按复合桩墙刚度的1/2计算与实测数据吻合较好,故在本次设计中把桩墙刚度折减了50%.刚度折减后,先以单根钢板桩弯矩设计值计算板桩的允许曲率,然后以桩墙受弯时等曲率的原则确定桩墙弯矩的设计值.分析设计中所取的参数如表1所示.由于下伏基岩,钢板桩能否打入岩层对其变形大小与抗渗稳定方面均有较大的影响.在支护体系结构计算中,根据施工方试打桩提供的资料,钢板桩大部分均能打入下伏基岩(残积土),所以分析时以入岩0.5m为依据计算钢板桩的入土深度.施工时,在低潮水位安装好第一层支撑后,在围堰内清底到高程-3.54m后回填石粉1.0m,以后依次往下抽水和在低潮水位安装各道撑.石粉在以下两个方面作用效果明显,一是压渗,防止抽水时坑底发生渗透破坏;二是提高被动侧土层的抗力,有效地控制钢板桩的变形和入土深度,提高支护体系的稳定性.图3为位移和弯矩的典型计算结果,5#墩计算所得钢板桩最大弯矩发生在围堰设计高程-2.54m处,弯矩值M=267.9kN·m,最大的位移发生在高程-2.13m处,最大位移为S=78mm,最大支撑力F=2275kN;6#墩计算所得钢板桩的最大弯矩发生在高程+0.7m处,处在第3道撑和第4道撑之间,M=240.3kN·m,最大位移发生在高程+1.45m处,S=51mm,最大支撑力F=1923kN.根据这些结果,对支护体系进行设计和校核.另一方面由于围堰受力实际是一个三维问题,用4结点壳体单元模拟钢板桩,2结点梁单元模拟围檩,2结点的杆单元模拟支撑,将土层简化为水平层状的均质弹性材料,用8结点的实体单元模拟,利用MSC.Marc软件对围堰受力进行了三维有限元分析,其5#墩长边方向(y方向)的位移如图4所示(该结果未考虑预应力),最大位移量为91.7mm,与图3中平面计算结果相近.2施工阶段的位移和转化率新光大桥5#,6#桥墩钢板桩围堰工程于2004年7月开始施工,插打钢板桩,2005年1月基本完成施工,拔出钢板桩.在施工过程中,采用测斜管测量钢板桩的变形,测斜管的布置见图1,每个围堰设置8个测点.发生最大和最小位移的测点在各施工阶段的最大位移和最大曲率结果如表2所示,各施工阶段典型的位移图和曲率图如图5所示.5#墩测点SC为发生最大位移的测点,6#墩测点EA为大部分发生的一般位移测点.其中曲率由位移利用三点中心差分公式近似求导后经形心修正后得到,综合考虑舍入误差和截断误差取步长为1.5m.从图3中可以看出施工阶段C以前,钢板桩围堰发生的位移约占了总位移的75%以上,而这时的围堰内外的水头差只占了施工过程中产生的最大的水头差的50%.从位移的空间位置看,最大位移与最小的位移的测点总是一南一北相对出现.由于每米钢板桩墙整体的抗弯刚度难以确定,其范围介于单根钢板桩独立作用与复合钢板桩墙共同作用时抗弯刚度之间为23350～77200kN·m,由表2可知最大曲率发生在6#墩NA测点,每米弯矩可能在490～1621kN·m之间;最小曲率发生在5#墩NC测点,其每米最大弯矩值在182～602kN·m之间.3讨论3.1围堰表面位移与高水面桩墙体的位移之间的关系监测所得的位移与计算的位移存在较大的差异,其原因可归结为以下3个方面.一是在设计时,钢板桩墙的设计刚度取为标称刚度值的一半,该值在钢板桩受力初始阶段偏大,该阶段,钢板桩之间的剪力联系不紧密,存在相对滑动,单根钢板桩独立作用,该刚度为整体刚度的1/4.继续往下抽水时,随着钢板桩变形增加,这时单根钢板桩之间的剪力联系增强,钢板桩墙的整体刚度和强度都得到恢复.从图5可以看出,施工阶段C以前,钢板桩围堰发生的位移约占了总位移的75%以上,而这时的围堰内外的水头差只占了施工过程中产生的最大水头差的50%.图6给出了所选测点不同高程处在各施工阶段的位移与总水头差之间的关系.因为在某一定点处其水头差与位移的比值于该处的抗弯刚度成正比,所以图6可以反映钢板桩的变形与刚度之间的关系.从图6可以看出:(1)开挖面(-2.5m)以上的部分比开挖面以下部分呈现出更加明显的刚度恢复(强化)特征.其原因可能是由于开挖面以下的部分埋入土中,受到桩土之间摩擦力的约束,这种约束阻碍了钢板桩之间的相对位移,其刚度自始至终都变化不大,但开挖面以上的部分处于水中,没有这种摩擦力作用.(2)在开挖面以上的部分,在某点的变形越大,该点的刚度恢复越明显.其原因是当该点变形越大时,钢板桩之间的剪力作用就越明显,这种剪力作用使钢板桩墙整体刚度得到恢复.(3)当围堰回水卸载时,其位移的恢复不明显.二是由于本工程中一根长24m的钢板桩是由2根长12m的桩焊接而成的,接头处按等强度连接,其刚度较差;又因卡口部位未能焊接而使该处的焊缝存在应力集中的现象,导致焊缝开裂,该接头的刚度进一步减小,从图5可看出,发生最大位移的点随荷载重心的下移而相应地往下变动不明显,而总是发生在两根钢板桩的接头处附近,说明在接头附近的刚度较钢板桩的其他部分弱.由于钢板桩长度为一定的模数,驳接的可能性较大,所以在接头处其刚度的削弱应引起足够的注意.三是由于在围堰安装好第一道支撑后,在围堰内局部有深坑没能及时回填石粉至设计高程即开始抽水,导致围堰内局部测点的位移较其他测点大.3.2通过增大狱务公务的方式来进行基坑设计由于钢板桩的刚度是一个不容易确定的量,要较准确地算出钢板桩变形较为困难.虽然钢板桩的刚度由于钢板桩之间的相对滑动而产生折减的现象,但最终强度受其刚度的影响却不大.这就使得一般的基坑设计方法可以应用在对位移要求不高的基坑设计中.江中深水围堰的施工环境恶劣,江水位涨落、水流冲击、施工船只对围堰体系的撞击等均是极为不利的因素,这些不利因素具有很大的随机性,要通过增大安全系数方式去考虑.尤其是支撑的安全系数要足够大,依工程经验,其安全系数一般可取为2.因为如果支撑一旦失稳,整个基坑就要坍塌.钢板桩属于柔性支护结构,其允许的位移可以大些,并可进行非线性设计,其安全系数相对于支撑可以小些.从监测结果可看出,只有当钢板桩的变形足够大时,其刚度和抗弯能力才能完全发挥出来.4施工质量及支护效果(1)由于基坑处于江中,水头高,地质条件差,工期紧,施工难度大,在充分考虑施工条件的基础上,用石粉导渗方案代替水下混凝土封底方案,既防止坑底土层的渗透破坏又增强被动侧土层的抗力,确保了支护体系稳定性,降低了成本.另一方面,角撑方案的引入,优化了支撑体系的结构平面布置,为钢支撑支护体系的吊装获得较大的施工空间,节约钢材.整个优化方案实施,取得了较好的经济效益,同时确保了工期.(2)设计方案与实测结果的对比表明,钢板桩墙的刚度随钢板桩变形而变化,当刚板桩的变形较小时,其刚度也较小,抗弯能力较差,当变形增加时,刚度和抗弯能力随之增加.在进行钢板桩基坑支护设计时,开始受力的若干阶段可按单根钢板桩单独作用的刚度计算其变形,后面若干阶段可按钢板桩墙的整体刚度计算其变形,以整体钢板桩墙的强度复核其强度.综合考虑钢板桩“变形-