張 春 元

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 611756)

吹砂圍堰對現(xiàn)澆橋梁施工質(zhì)量影響性分析★

張 春 元

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 611756)

以唐山市曹妃甸納潮河2號(hào)橋?yàn)楣こ桃劳校ㄟ^理論推導(dǎo)得出了模袋粘聚力等效換算公式，并借助ANSYS有限元軟件，驗(yàn)證了吹砂圍堰作為現(xiàn)澆連續(xù)梁滿堂支架的地基可行，同時(shí)，以砂土壓縮性和圍堰穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)，提出了降低吹砂圍堰沉降的施工措施。

橋梁工程，吹砂圍堰，ANSYS，變形控制，現(xiàn)澆連續(xù)梁

0 引言

吹砂圍堰(或模袋砂圍堰)由于施工簡便、污染少、機(jī)械化程度高、易于拆除等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于江、河、湖、海的近岸臨時(shí)圍堰工程中[1-3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要研究模袋力學(xué)特性和護(hù)坡的穩(wěn)定性，模袋砂作為橋梁滿堂支架的地基，其承載力能否滿足施工要求，還鮮有人研究。文章以唐山市曹妃甸納潮河2號(hào)橋?yàn)楣こ桃劳校柚鶤NSYS有限元軟件，分析吹砂圍堰作為滿堂支架地基的變形性能，并介紹降低沉降量和增強(qiáng)圍堰穩(wěn)定性的施工措施。

1 工程概況

曹妃甸工業(yè)區(qū)納潮河2號(hào)大橋，是連接納潮河南北兩岸的重要交通通道。橋梁為分離式雙幅橋，橋梁全長1 015.3 m，布置見圖1。橋位處地層分為第四系海相沉積而成的粉土、粉質(zhì)黏土及粉砂等，其上部為填筑土。

南北兩岸引橋部分采用滿堂支架施工，支架地基為吹砂圍堰，圍堰堰頂寬度為52 m，外側(cè)邊坡按1∶1.5的坡度堆填到圍堰頂面，堤心采用含粉砂填充。圍堰自然沉降穩(wěn)定以后，先澆筑臨時(shí)施工便道，再澆筑箱梁支架基礎(chǔ)，兩幅橋分幅施工。

2 模袋的增強(qiáng)機(jī)理

砂體自身是松散的砂粒集合體，其強(qiáng)度的本質(zhì)來源主要是砂粒之間的摩擦力。在砂土自重和外荷載作用下土工模袋產(chǎn)生周向變形，模袋的張力對內(nèi)部砂體產(chǎn)生套箍作用，使砂粒之間的接觸壓力增大，從而使得砂粒之間摩擦力增大，模袋砂的整體強(qiáng)度提高。在外部模袋的套箍作用下，根據(jù)摩爾—庫侖理論，砂體極限平衡狀態(tài)見圖2。

()

(1)

(2)

在外荷載作用下模袋砂形狀可以近似為圖3，模袋兩側(cè)近似為圓形。

忽略模袋和砂土之間的摩擦力，根據(jù)模袋的周向拉力和砂土側(cè)向擠壓力平衡的條件(見圖4)，得：

2T=∫0π[γ(R+Rcosθ)+pR]Rsinθdθ

(3)

根據(jù)2R=H，式(3)簡化為：

(4)

將式(4)代入式(2)得：

(5)

3 模袋數(shù)值模擬

目前，較為常用的強(qiáng)度理論為Mahr-Coulomb理論，ANSYS有限元軟件中的Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則是與Mahr-Coulomb相近似的一種理論，稱為DP準(zhǔn)則或者廣義Von Mises準(zhǔn)則。DP本構(gòu)模型采用理想彈塑性，能夠較好的模擬土體特性，被廣泛的應(yīng)用于巖土工程。為簡化計(jì)算，將模袋砂等效成矩形截面，如圖5所示，所有材料均采用平面單元Plan82進(jìn)行模擬。

根據(jù)巖土工程地質(zhì)勘探資料以及吹填砂材料特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，各材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

根據(jù)式(5)對不同埋深的模袋砂粘聚力進(jìn)行換算，結(jié)果如表2所示。

表2 模袋砂粘聚力換算值 kPa

唐山市曹妃甸納潮河2號(hào)橋北岸引橋?yàn)閮陕?lián)，第一聯(lián)跨度為39.5 m+49.5 m+39.5 m=128.5 m，邊墩支座處截面高度為1.6 m，中墩支座截面高2.7 m，主跨跨中截面高2.0 m，箱梁底板按二次拋物線變化。

將中墩截面劃分為翼緣和箱室三部分，箱梁自重和支架重量換算為分段均布線荷載。翼緣和箱式換算布線荷載分別為11.2 kN/m和37.8 kN/m，結(jié)果見圖6。

通過計(jì)算，在滿堂支架及上部荷載作用下，圍堰堰頂沉降量最大值為1.97 cm，產(chǎn)生在箱室下方，橫向最大沉降差為0.22 cm?？紤]施工便道泥罐車等施工臨時(shí)器械荷載作用后，圍堰頂沉降最大值為2.06 cm，產(chǎn)生在內(nèi)側(cè)翼緣板下方，橫向最大沉降差為0.3 cm。

經(jīng)觀測，吹砂圍堰區(qū)現(xiàn)澆箱梁澆筑過程中支架最大沉降1.4 cm，最小沉降0.2 cm，平均沉降量0.7 cm，在規(guī)范容許范圍之內(nèi)，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果接近。

4 控制沉降施工措施

為減小吹砂圍堰的沉降并提高護(hù)坡穩(wěn)定性，還采取了以下幾點(diǎn)施工措施：

1)圍堰填筑之前首先要清除淺層淤泥質(zhì)土。清除底層淤泥層可以減小堰區(qū)與海底接觸層強(qiáng)度差，并降低圍堰的次固結(jié)沉降量。

2)在圍堰砂棱體下方布置加筋軟排體。軟排體能夠提高圍堰抗滑穩(wěn)定性，還可作為圍堰的排水通道，加速固結(jié)，并能有效的防止其形成管涌，此外，還能夠有效防止順堰水流對圍堰的沖刷。

3)控制吹填砂的含泥量在10%以內(nèi)。含泥量較多的土體固結(jié)時(shí)間長，控制含泥量能夠有效減少圍堰自然沉降時(shí)間。

4)滿堂支架下方設(shè)置鋼墊梁。鋼墊梁能夠使上部荷載均勻的傳遞到圍堰基礎(chǔ)中，可進(jìn)一步降低橫橋向沉降差。

5 結(jié)語

文章通過理論分析驗(yàn)證模袋對填充砂的加筋作用，提出了模袋粘聚力的等效換算公式，并且借助ANSYS有限元軟件驗(yàn)證了吹砂圍堰作為現(xiàn)澆連續(xù)梁的地基能夠滿足施工質(zhì)量要求。同時(shí)，清除底層淤泥土、設(shè)置軟排體、控制吹填砂的含泥量和設(shè)置鋼墊梁的施工措施能有效的減小沉降量并提高圍堰的穩(wěn)定性。

吹砂圍堰有施工方便、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可就地取材等優(yōu)勢，在唐山納潮河2號(hào)橋取得了良好的應(yīng)用效果，可以為國內(nèi)外同類橋梁建設(shè)提供借鑒。

[1] 張文斌，譚家華.土工充砂袋的應(yīng)用及其研究進(jìn)展[J].海洋工程，2004(5)：98-104.

[2] 王鳳琳，陳 琳.唐山納潮河2號(hào)大橋吹砂圍堰技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J].橋隧工程，2015(3)：238-240.

[3] 傅海峰.模袋固化土海上圍堰建造方法及理論研究[D].天津：天津大學(xué)，2006.

[4] 王 淼.土工砂袋變形與受力特性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[5] JTJ 041—2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 孫劉林.軟土地基上滿堂支架現(xiàn)澆橋梁上部結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].安徽建筑，2007(4)：144-146.

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Analysis of the influence of blowing sand cofferdam on cast-in-situ bridge construction quality★

Zhang Chunyuan

(SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756,China)

Based on the 2# bridge of Nachao River in Caofeidian Tangshan, an equivalent conversion formula of cohesive force of fabriform sand was obtained by theoretical derivation. With the help of ANSYS, it can prove that using the blowing sand cofferdam as foundation of cast-in-situ continuous bridge is feasible. And also, taking the sandy soil compressibility and cofferdam stability as the starting point, some construction measures to reduce the deformation are introduced.

bridge engineering, blowing sand cofferdam, ANSYS, deformation control, cast-in-citu continuous bridge

1009-6825(2017)03-0167-03

2016-11-17 ★:中國建筑股份有限公司科技研發(fā)課題(CECEC-2015-Z-5)

張春元(1989- ),男,在讀碩士

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