張曉明,唐 輝
(廣東省水利水電第三工程局有限公司 廣東東莞523710)
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,橋梁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐也在不斷邁進(jìn),各大城市由于交通運(yùn)輸?shù)男枰芷鹆艘蛔鶐в械赜蛱厣臉蛄?,有屹立于陸地而縱橫交錯(cuò)的高架橋,也有跨越于江河的跨河大橋。而且我國南方城市主要處于丘陵地帶,有多條河流貫穿,在河域面積較大的江河上建設(shè)跨河大橋時(shí),不可避免地需要搭設(shè)水中施工平臺(tái)[1]。水中鋼板樁土圍堰施工平臺(tái)相對(duì)于其他水上施工平臺(tái)而言,搭設(shè)的施工技術(shù)成熟、施工難度系數(shù)較低、成本較低、平臺(tái)上施工作業(yè)安全系數(shù)較高,在施工條件允許下值得推崇使用。由于各個(gè)地域的地質(zhì)條件各有差異,在鋼板樁土圍堰設(shè)計(jì)時(shí)需因地制宜,結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件進(jìn)行穩(wěn)定性分析。
基于此,本文以廣東揭陽某中承式拱橋的水中鋼板樁土圍堰工程為背景,針對(duì)水下淤泥層較厚的地質(zhì)情況,基于先插打鋼板樁后填土和先填土后插打鋼板樁2種施工方案,進(jìn)行填土對(duì)水中鋼板樁圍堰穩(wěn)定性的影響分析,為設(shè)計(jì)、分析提供依據(jù),同時(shí)為類似工程提供方案參考。
某水中承式鋼箱梁拱橋,跨徑組合為(38+50+210+50+38)m,主橋全長386 m。水中主墩承臺(tái)設(shè)計(jì)為啞鈴狀,寬(順橋向)16.5 m、長(橫橋向)56.28 m、厚5.0 m,為保證承臺(tái)樁基施工、承臺(tái)開挖施工和澆筑混凝土,需修筑水中鋼板樁土圍堰施工平臺(tái)。水中鋼板樁土圍堰的設(shè)計(jì)為:將承臺(tái)四條邊線各外延1 m多形成封閉式長方形圍堰,圍堰尺寸為60 m×18.5 m,此部分稱為工作圍堰;將長方形圍堰兩短邊向岸邊延伸至陸地,形成與陸地閉合式筑島圍堰,延伸段稱為連接圍堰;圍堰各邊線外側(cè)均設(shè)置由鋼管樁與圍檁組成的支撐排架。
水中鋼板樁土圍堰構(gòu)造為:圍堰范圍內(nèi)需有填土,形成填土圍堰,然后在圍堰設(shè)計(jì)外邊線上按5 m、6 m、12 m三種間距布設(shè)φ630×10鋼管樁,樁頂部位安裝牛腿及工字鋼圍檁,沿圍檁內(nèi)邊線插打鋼板樁,形成鋼板樁頂高程為+2 m的閉合圍堰,水中鋼板樁土圍堰平面設(shè)計(jì)布置如圖1所示。
工程區(qū)域內(nèi)覆蓋層為第四紀(jì)松散沉積層,主要為淤泥、粘質(zhì)粉土、砂類土、碎石土等,地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
圖1 鋼板樁圍堰平面布置Fig.1 Layout Plan of Steel Sheet Pile Cofferdam
表1 地層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Formation
揭陽榕江北河規(guī)劃為內(nèi)河Ⅲ級(jí)河道,大橋地處感潮河段,水流速度約1.5 m/s。
揭陽榕江的潮汐類型屬于不正規(guī)半日混合潮,1日多見2次高潮和2次低潮,當(dāng)月赤緯最大時(shí)日不等現(xiàn)象最為顯著,即相鄰高潮或相鄰低潮的潮位不等最大。洪水期由于受榕江徑流影響,潮水波在運(yùn)動(dòng)前進(jìn)中受到壓迫變形,落潮歷時(shí)常大于漲潮歷時(shí);榕江洪水下泄期間如遇到大潮頂托,會(huì)引起水位暴漲,最高水位高程為+1.5 m。河段最大潮差2.63 m,平均潮差1.19 m。
3.1.1 鋼板樁參數(shù)
18 m拉森式SP-IV型鋼板樁:寬×高為400 mm×170 mm,慣性矩I=4 670 cm4,截面模量Wx=2 270 cm3/m,每延米長鋼板樁彎矩M容許值:[M]=477 kN·m。鋼板樁插打時(shí)控制頂標(biāo)高為+2 m,底標(biāo)高為-16 m。
3.1.2 地質(zhì)參數(shù)
依據(jù)地勘報(bào)告可知,河床標(biāo)高為-3.3 m,水重度γ1=10kN/m3;淤泥層頂面、底面標(biāo)高分別為-3.3m、-15.62m,淤泥的內(nèi)摩擦角ψ2=1.4°,粘聚力c2=2.1,天然重度γ2=15.5 kN/m3;中砂層頂面、底面標(biāo)高分別為-15.62 m、-18.62 m,中砂層的內(nèi)摩擦角ψ2=32°,粘聚力c3=0,天然重度γ3=20 kN/m3。
3.1.3 內(nèi)支撐鋼管參數(shù)
內(nèi)支撐采用φ=630 mm、壁厚10 mm鋼管,慣性矩I1=57 250 cm4,截面系數(shù)W=2 972 cm3。
3.1.4 圍囹參數(shù)
圍囹采用40b工字鋼,截面高度H=400 mm,截面模量Ws=1 139 cm3,慣性矩I2=22 781 cm4。
鋼板樁、內(nèi)支撐和圍檁分別采用板單元、梁單元通過有限元軟件建模分析其強(qiáng)度和剛度,梁單元與板單元之間采用彈性連接的剛性連接模擬,模型長60 m,寬18 m,鋼板樁入土考慮樁土作用,鋼板樁底部鉸接,土對(duì)鋼板樁的作用利用土的剛度SDX(Y)(即K值)進(jìn)行模擬。
K=m·h·b0·z
式中:K為樁基等代土層彈簧剛度系數(shù);m為土層系數(shù);h為土層厚度;b0為計(jì)算寬度;z為地表至拉森鋼板施加等代土彈簧點(diǎn)的距離(或深度)。
方案1為先插打鋼板樁后填土方案:先插打鋼板樁形成其頂標(biāo)高為+2.0 m的封閉圍堰,然后從岸邊向圍堰內(nèi)部方向回填黏土至標(biāo)高為+1.5 m處,形成水中樁基施工平臺(tái),待樁基施工完成后圍堰開挖至封底混凝土底標(biāo)高為-3.134 m處,開挖過程中分別在標(biāo)高為+1.0 m、-1.5 m處各設(shè)置1道內(nèi)支撐,為承臺(tái)安全施工做準(zhǔn)備。
方案2為先填土后插打鋼板樁方案:先從岸邊向圍堰施工區(qū)域方向回填黏土至標(biāo)高為+1.5 m處,以鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)尺寸四條邊線為基準(zhǔn)各向外擴(kuò)展3 m的區(qū)域作為圍堰施工的填筑面積,然后依據(jù)圍堰設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行插打鋼板樁,控制其頂標(biāo)高為+2.0 m,形成水中樁基施工平臺(tái),待樁基施工完成后圍堰開挖至封底混凝土底標(biāo)高-3.134 m處,開挖過程中分別在標(biāo)高為+1.0 m、-1.5 m處各設(shè)置1道內(nèi)支撐,為承臺(tái)安全施工做準(zhǔn)備。
分析工況:2道內(nèi)支撐已經(jīng)安裝完畢,圍堰開挖至封底混凝土底標(biāo)高-3.134 m處,汽車吊在圍堰外邊上配合圍堰開挖工作,圍堰外填土頂面標(biāo)高為+1.5 m。
鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性分析是保證水上施工平臺(tái)搭建和承臺(tái)開挖施工順利進(jìn)行的前提條件,則鋼板樁圍堰體系的穩(wěn)定直接影響到承臺(tái)的正常施工[2],因此對(duì)圍堰施工方案的選擇至關(guān)重要?,F(xiàn)針對(duì)先插打鋼板樁后填土和先填土后插打鋼板樁2種施工方案,進(jìn)行填土對(duì)鋼板樁圍堰穩(wěn)定性的影響分析計(jì)算,選擇出穩(wěn)定性較好、經(jīng)濟(jì)效益較高、施工工序簡便的施工方案。穩(wěn)定性分析計(jì)算內(nèi)容包括:基坑抗隆起穩(wěn)定性分析、基坑抗滑穩(wěn)定分析鋼板樁穩(wěn)定性分析、圍囹穩(wěn)定性分析、支撐穩(wěn)定性分析等[3]。鋼板樁土圍堰作為水中承臺(tái)施工重要作業(yè)平臺(tái),依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程:JGJ 120-2012》[4]規(guī)定,將鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)定為一級(jí)。
3.4.1 先插打鋼板樁后填土方案分析計(jì)算
在圍堰內(nèi)外部回填土和施工機(jī)械在水上平臺(tái)作業(yè)時(shí),河床下的淤泥層在回填土和機(jī)械自重的附加應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生壓縮和擠淤的效果[5],根據(jù)巖土工程學(xué)中的分層總和法和擠淤深度公式分別計(jì)算出圍堰內(nèi)淤泥層的壓縮厚度、圍堰外的擠淤深度[6]。
圍堰內(nèi)淤泥層壓縮厚度計(jì)算:
式中:P11為淤泥層自重應(yīng)力平均值(kPa);P21為淤泥層自重應(yīng)力和附加應(yīng)力平均值之和(kPa);e12為淤泥孔隙比;e22為回填土后淤泥孔隙比;h為淤泥層厚度(m);s為淤泥層壓縮厚度(m)。
本工程中,P11=95.48 kPa,P21=159.68 kPa,通過查找淤泥e-p曲線得e12=1.167,e22=1.07,h=12.32 m;代入數(shù)據(jù)計(jì)算得淤泥層壓縮厚度s=0.55 m。
圍堰外擠淤深度計(jì)算:
式中:h為回填土在淤泥面以上的高度(m);B為淤泥頂拋填寬度(m);cu為淤泥的不排水抗剪強(qiáng)度(kPa);γs為淤泥的重度(kN/m3);γ為拋填土的平均重度(kN/m3);D0為在填土和機(jī)械作業(yè)綜合作用下的擠淤深度(m)。
本工程中,h=12.32 m;B=66 m;cu=28 kPa;γs=15.50 kN/m3;γ=18 kN/m3;代入數(shù)據(jù)計(jì)算得擠淤深度D0≈4.50 m。
綜合以上計(jì)算,2道內(nèi)支撐已經(jīng)安裝完畢,圍堰開挖至封底混凝土底標(biāo)高-3.134 m處,汽車吊在圍堰外邊上配合圍堰開挖工作,靠岸側(cè)圍堰外填土頂面、底部標(biāo)高分別為+1.5 m、-7.8 m,圍堰內(nèi)填土底部標(biāo)高為-3.85 m,標(biāo)高-3.85 m下為淤泥的工況如圖2所示。
依據(jù)如圖2,鋼板樁圍堰為雙層支撐支擋結(jié)構(gòu),根據(jù)文獻(xiàn)[4]規(guī)定,支撐式支擋結(jié)構(gòu)的嵌固深度應(yīng)符合相應(yīng)的坑底隆起穩(wěn)定性和圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性要求,以及需要進(jìn)行鋼板樁穩(wěn)定性、圍囹穩(wěn)定性、支撐穩(wěn)定性驗(yàn)算[7],下面進(jìn)行相關(guān)穩(wěn)定性驗(yàn)算,分析先插打鋼板樁后填土方案在上述工況下的可行性。
⑴ 基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算
圖2 方案1工況Fig.2 Scheme One Working Condition
基坑抗隆起穩(wěn)定性分析受力圖如圖3所示。
圖3 基坑抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算簡圖Fig.3 Simplified Calculation of Anti-heave Stability of Foundation Pits
基坑抗隆起穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù):
式中:Kb為抗隆起安全系數(shù),本工程是安全等級(jí)為一級(jí)的支護(hù)結(jié)構(gòu),Kb應(yīng)≥1.8;γm1、γm2分別為基坑外、基坑內(nèi)擋土構(gòu)件地面以上土的天然重度(kN/m3),本工程鋼板樁貫穿多層土,取各層土按厚度加權(quán)的平均重度;D為擋土構(gòu)件的嵌固深度(m);h為基坑深度(m);q0為地面均布荷載(kPa),本工程中該值為圍堰外機(jī)械工作時(shí)作用于地面的均布荷載;Nq、Nc為承載力系數(shù);c、φ分別為擋土構(gòu)件底面以下土的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)。
本工程中,靠岸側(cè)鋼板樁承受荷載較大,對(duì)圍堰穩(wěn)定性有較大影響,故取靠岸鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗隆起計(jì)算分析,γm1=16.95 kN/m3、γm2=15.77 kN/m3、φ=32°、c=0、h=5.134 m、D=12.866 m、q0=7.6 kPa,代入數(shù)據(jù)計(jì)算得K1=15.04>Kb=1.8。
以上計(jì)算分析結(jié)果表明基坑不會(huì)發(fā)生隆起現(xiàn)象。
⑵ 基坑圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算
本工程基坑底下存在較厚的淤泥,則其嵌固深度需符合以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性要求[8],分析受力圖如圖4所示。
圖4 基坑抗圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算簡圖Fig.4 Schematic Diagram of Stability Calculation of Slip Resistance of Foundation Pit
基坑圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù):
式中:Kr為以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧華東安全系數(shù),本工程是安全等級(jí)為一級(jí)的支護(hù)結(jié)構(gòu),Kr應(yīng)≥2.2;cj、φj分別為第j土條在滑弧面處土的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°);lj為第j土條的滑弧長度(m),取lj=bj/cosθj;qj為第j土條頂面上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);θ為第j土條滑弧面中點(diǎn)處的法線與垂直面的夾角(°);△Gj為第j土條的自重(kN),按天然重度計(jì)算。
本例中,取靠岸鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算分析,根據(jù)圓弧穩(wěn)定性驗(yàn)算公式的計(jì)算參數(shù)定義結(jié)合分析工況,得出以標(biāo)高-1.5 m處的最下層支撐點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算受力分析如圖5所示。
圖5 方案1基坑抗圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算受力分析Fig.5 Scheme 1 Schematic Analysis of the Calculation of the Stability of the Foundation Pit against Arc Sliding
如圖5所示,根據(jù)不同土層標(biāo)高在基坑內(nèi)外各劃分3條土條進(jìn)行計(jì)算,土條寬度依次為99 mm、11 010 mm、3 298 mm、3 298 mm、9 762 mm、1 440 mm,qj為標(biāo)高-1.5 m處以上土層和作業(yè)機(jī)械形成的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值,計(jì)算得qj=61.60 kPa,△Gj取值為土條中各層土的截面面積在單位1 m下的體積與相應(yīng)土層的天然重度乘積值之和,最終依據(jù)受力圖提供的數(shù)據(jù)信息計(jì)算得出K2=1.98<Kr=2.2,故18 m鋼板樁圍堰不滿足滑動(dòng)穩(wěn)定性要求。
綜上所述,驗(yàn)算結(jié)果分析表明:先插打鋼板樁后填土方案在18 m鋼板樁圍堰開挖至封底混凝土底標(biāo)高-3.134 m處的工況下,不滿足圍堰滑動(dòng)穩(wěn)定性要求,由于該方案1不滿足施工要求,所以鋼板樁穩(wěn)定性、圍囹穩(wěn)定性、支撐穩(wěn)定性不再驗(yàn)算。
3.4.2 先填土后插打鋼板樁方案分析計(jì)算
先從岸邊向圍堰施工區(qū)域方向回填黏土,填土?xí)?duì)河床下的淤泥層產(chǎn)生擠淤現(xiàn)象,其擠淤深度計(jì)算參數(shù)與上述圍堰外擠淤深度計(jì)算的一致,故圍堰施工區(qū)域的擠淤深度可取值D0≈4.50 m。對(duì)比方案1鋼板樁圍堰內(nèi)的填土層厚增加3.95 m,填土底標(biāo)高為-7.8 m。
基于擠淤深度計(jì)算值,2道內(nèi)支撐已經(jīng)安裝完畢,圍堰開挖至封底混凝土底標(biāo)高-3.134 m處,汽車吊在圍堰外邊上配合圍堰開挖工作,靠岸側(cè)鋼板樁圍堰外填土頂面、底部標(biāo)高分別為+1.5 m、-7.8 m,鋼板樁圍堰內(nèi)填土底部標(biāo)高為-7.8 m,標(biāo)高-7.8 m下為淤泥的工況如圖6所示。
圖6 方案2工況Fig.6 Scheme 2 Working Condition
依據(jù)圖6所示,進(jìn)行支撐式支擋結(jié)構(gòu)的坑底隆起穩(wěn)定性、圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性、鋼板樁穩(wěn)定性、圍囹穩(wěn)定性、支撐穩(wěn)定性驗(yàn)算,分析先填土后插打鋼板樁方案在上述工況下的可行性。
⑴ 基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算
根據(jù)工況圖取靠岸側(cè)鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗隆起穩(wěn)定性分析,結(jié)合工況圖數(shù)據(jù)和地勘報(bào)告相關(guān)參數(shù),γm1=16.95 kN/m3、γm2=16.21 kN/m3、φ=32°、c=0、h=5.134 m、D=12.866 m、q0=7.6 kPa,代入數(shù)據(jù)到基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算公式計(jì)算得K3=15.46>Kb=1.8。
以上計(jì)算分析結(jié)果表明基坑不會(huì)發(fā)生隆起現(xiàn)象。
⑵ 基坑圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算
取靠岸鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算分析,根據(jù)圓弧穩(wěn)定性驗(yàn)算公式的計(jì)算參數(shù)定義結(jié)合分析工況,得出以標(biāo)高-1.5 m處的最下層支撐點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算受力分析如圖7所示。
圖7 方案2基坑抗圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算受力分析Fig.7 Scheme 2 Calculation Analysis of the Stability of Anti-arc sliding Stability of the Foundation Pit
如圖7所示,根據(jù)不同土層標(biāo)高在基坑內(nèi)外各劃分3條土條進(jìn)行計(jì)算,土條寬度依次為1 348 mm、9 762 mm、3 298 mm、3 298 mm、9 762 mm、1 440 mm,qj為標(biāo)高-1.5 m處以上土層和作業(yè)機(jī)械形成的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值,計(jì)算得qj=61.60 kPa,△Gj取值為土條中各層土的截面面積在單位1 m下的體積與相應(yīng)土層的天然重度乘積值之和,最終依據(jù)受力圖提供的數(shù)據(jù)信息,代入基坑圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算公式計(jì)算得出K4=2.35>Kr=2.2。
以上計(jì)算分析結(jié)果表明基坑不會(huì)發(fā)生整體圓弧滑動(dòng)現(xiàn)象。
⑶ 鋼板樁、圍囹、支撐穩(wěn)定性驗(yàn)算
利用有限元軟件依據(jù)先填土后插打鋼板樁方案的分析工況,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模擬建模[9],通過結(jié)構(gòu)計(jì)算幾何模型對(duì)圍囹和支撐的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,計(jì)算模型如圖8所示。
圖8 方案2鋼板樁圍堰力學(xué)計(jì)算有限元模型Fig.8 Scheme 2 Finite Element Model for Mechanical Calculation of Steel Sheet Pile Cofferdam
鋼板樁的強(qiáng)度:σmax=240 MPa<f=290 MPa;圍囹的強(qiáng)度:σmax=202 MPa<f=215 MPa;支撐體系的強(qiáng)度:σmax=65 MPa<f=215 MPa。有限元計(jì)算模型分析結(jié)果表明鋼板樁圍堰強(qiáng)度滿足要求。
綜上所述,驗(yàn)算結(jié)果分析表明:先填土后插打鋼板樁方案在18 m鋼板樁圍堰開挖至封底混凝土底標(biāo)高-3.134 m處的工況下,滿足水中鋼板樁圍堰穩(wěn)定性要求,可擇取該方案進(jìn)行鋼板樁圍堰施工。
本文通過2種不同填土順序的施工方案,進(jìn)行18 m鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性驗(yàn)算分析對(duì)比,基于驗(yàn)算結(jié)果分析了填土對(duì)水中鋼板樁圍堰穩(wěn)定性的影響,分析結(jié)果表明填土的先后順序會(huì)對(duì)河床底下的淤泥層會(huì)產(chǎn)生不同的作用效果,先填土可以起到很好的擠淤效果,改善鋼板樁周圍的地質(zhì)情況,所以在水中淤泥層較厚的工程地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行水中鋼板樁圍堰施工時(shí),填土變?yōu)榱岁P(guān)鍵的施工環(huán)節(jié),會(huì)對(duì)鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響[10],先填土再插打鋼板樁可以提高鋼板樁圍堰的基坑抗隆起、抗滑動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)。填土除對(duì)鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響外,還在鋼板樁圍堰施工工序及施工成本方面帶來便捷和效益,分析如下:
⑴ 先填土可以為鋼板樁機(jī)作業(yè)提供一個(gè)較好的施工平臺(tái),鋼板樁機(jī)在填土平臺(tái)上移動(dòng)方便,避免了鋼板樁機(jī)只能約束在岸邊作業(yè)而需增加一些輔助作業(yè)的問題,簡便了施工工序,且可以有效提高鋼板樁插打精度,保證鋼板樁咬合度高,比較平直的順著設(shè)計(jì)尺寸打入土中。
⑵ 基于文中2種填土方案對(duì)相同18 m鋼板樁圍堰進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算的結(jié)果,表明只有先填土方案滿足18 m鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性要求,后填土方案需要更長尺寸的鋼板樁才可形成穩(wěn)定的鋼板樁圍堰,分析可知在水中施工鋼板樁圍堰使用先填土方案可以提高經(jīng)濟(jì)效益,節(jié)約成本。