田仲初 丁濱陽(yáng) 羅聿曼 羅朝華 叢培 湯宇

1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410000

鋼板樁圍堰通常作為阻水支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)確保橋梁承臺(tái)基礎(chǔ)施工的安全穩(wěn)定性，在我國(guó)跨江、跨河的橋梁基礎(chǔ)施工中應(yīng)用廣泛。與雙壁鋼圍堰和鋼套箱相比，鋼板樁圍堰操作簡(jiǎn)單，施工所用材料和機(jī)械設(shè)備少，具有強(qiáng)度高、重量輕、占地少、成本低、施工質(zhì)量易于控制等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，但在超大卵石和堅(jiān)硬地層難以插打到位。利用高壓射水、旋挖鉆引孔、靜壓植樁等技術(shù)能夠解決復(fù)雜地質(zhì)條件下鋼板樁難以插打到位這一問(wèn)題［4］，但對(duì)于含有大粒徑孤石或漂石的深覆蓋砂卵石層［5-9］，尚未有合適的方法解決此類(lèi)問(wèn)題。

為突破鋼板樁圍堰在深覆蓋砂卵石層地質(zhì)條件下施工的技術(shù)瓶頸，本文通過(guò)對(duì)寧夏黃河流域分層隨機(jī)篩選卵石樣本進(jìn)行幾何特征量測(cè)統(tǒng)計(jì)和材料力學(xué)性能試驗(yàn)，探明天然狀態(tài)下砂卵石地質(zhì)層的空間分布規(guī)律和力學(xué)特性。結(jié)合分形結(jié)構(gòu)理論描述自然沉降堆積形成的砂卵石土的顆粒級(jí)配問(wèn)題，采用人工放大天然砂卵石級(jí)配模擬最不利砂卵石土層的方法，結(jié)合高壓射水、引孔及砂卵石覆蓋層內(nèi)引孔爆破相結(jié)合等技術(shù)手段［10］，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)鋼板樁插打試驗(yàn)，研究鋼板樁的插打?qū)χ苓呁馏w的擠壓作用，分析不同插打方案的施工效率，最終形成深覆蓋層鋼板樁圍堰施工技術(shù)理論。

1 工程概況

1.1 工程背景

鎮(zhèn)羅黃河特大橋位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)境內(nèi)，全長(zhǎng)1 289 m，主橋跨徑為（55+6×90+55）m，主橋結(jié)構(gòu)形式為單箱單室鋼-混組合梁連續(xù)梁橋，橋梁基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，最大樁長(zhǎng)75 m，均為摩擦樁，墩柱為矩形實(shí)心片墩。主橋8#—13#墩位于黃河中，水中承臺(tái)采用鋼板樁圍堰施工工藝，鋼板樁單根長(zhǎng)15 m，圍堰平面尺寸為28.8 m（橫橋向）×10.4 m（順橋向）。水中橋墩位于砂卵石覆蓋層上，覆蓋層深度超過(guò)20 m，且存在部分大粒徑孤石和漂石，增大了鋼板樁圍堰施工難度。因此，在橋址原位建立鋼板樁圍堰縮尺模型，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)鋼板樁插打試驗(yàn)，探求深覆蓋砂卵石層下鋼板樁圍堰施工技術(shù)方案。

1.2 地質(zhì)條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于鎮(zhèn)羅黃河特大橋南岸附近。根據(jù)本次工程地質(zhì)調(diào)繪及勘探揭露，橋址區(qū)地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，地層自上而下分為0.8~2.5 m粉質(zhì)黏土層夾1.4~1.5 m細(xì)砂層，4.6~22.9 m卵石層夾0.8~2.5 m粉質(zhì)黏土、1.4 ~ 1.5 m 細(xì)砂層。卵石層為青灰色，成分主要以砂巖為主，砂質(zhì)及黏性土充填，卵石層飽和、密實(shí)、卵石含量60%左右，呈亞圓形，粒徑為1 ~40 cm。

隨機(jī)選取橋址附近不同尺寸的卵石制成標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得到卵石最大抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度分別為202.14、329.21、14.20 MPa。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

為研究深覆蓋砂卵石地質(zhì)層對(duì)鋼板樁圍堰施工的影響，建立尺寸為8 m（長(zhǎng)）×3 m（寬）×5 m（高）的鋼板樁圍堰縮尺模型，模型底部采用C20 混凝土進(jìn)行封底。采用36a 型槽鋼將模型平面分隔成三個(gè)區(qū)域（圖1），每個(gè)區(qū)域分別回填不同級(jí)配的砂卵石集料。因在區(qū)域三內(nèi)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行局部加強(qiáng)，避免爆破沖擊波對(duì)鋼板樁圍堰縮尺模型造成破壞。

圖1 鋼板樁圍堰縮尺模型現(xiàn)場(chǎng)

2.2 砂卵石級(jí)配設(shè)計(jì)

為模擬砂卵石復(fù)雜地質(zhì)條件，對(duì)橋址附近的土層鉆孔取樣，鉆孔深度20 m，得到卵石最大粒徑分布見(jiàn)圖2?？芍?，卵石最大粒徑沿深度方向符合截尾正態(tài)分布，人工配制砂卵石集料可依據(jù)這種分布規(guī)律。

圖2 橋址地質(zhì)取樣卵石最大粒徑分布

結(jié)合分形結(jié)構(gòu)理論描述自然沉降堆積形成的砂卵石土的顆粒級(jí)配問(wèn)題，對(duì)砂卵石集料級(jí)配進(jìn)行人工配制。為模擬天然砂卵石地質(zhì)層分布情況，將三個(gè)區(qū)域內(nèi)砂卵石土層沿深度方向分為5 個(gè)區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)回填不同級(jí)配的砂卵石集料，具體級(jí)配見(jiàn)表1。

表1 各區(qū)域內(nèi)砂卵石集料集配

2.3 測(cè)量?jī)?nèi)容與方法

為研究砂卵石土層對(duì)鋼板樁施工的影響，對(duì)土壓力和插打時(shí)間進(jìn)行量測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算鋼板樁圍堰施工效率。采用鋼弦式土壓力盒測(cè)量土壓力，通過(guò)無(wú)線采集系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)。土壓力盒埋設(shè)前首先確定初始頻率f0，得到每個(gè)土壓力盒初始頻率，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)測(cè)試土壓力盒頻率f′，并根據(jù)標(biāo)定的系數(shù)k和土壓力公式p=(f′2-f20)k，得到作用在土壓力盒表面的平均應(yīng)力。在鋼板樁圍堰縮尺模型中布置土壓力盒，測(cè)點(diǎn)布置立面見(jiàn)圖3。

圖3 土壓力測(cè)點(diǎn)布置立面（單位：cm）

試驗(yàn)開(kāi)始前用紅色油漆在鋼板樁上進(jìn)行刻度標(biāo)記，試驗(yàn)過(guò)程中采用秒表計(jì)時(shí)器記錄鋼板樁每打入0.5 m所需要的時(shí)間。

2.4 試驗(yàn)方案

結(jié)合現(xiàn)有不同鋼板樁施工技術(shù)，通過(guò)改良和創(chuàng)新設(shè)計(jì)三種試驗(yàn)方案，對(duì)覆蓋砂卵石層的鋼板樁圍堰施工技術(shù)進(jìn)行研究。

2.4.1 方案1

采用履帶型吊機(jī)配合液壓振動(dòng)錘對(duì)試驗(yàn)槽砂卵石層進(jìn)行鋼板樁插打，鋼板樁插打位置在試驗(yàn)區(qū)域中間。

2.4.2 方案2

對(duì)鋼板樁端部進(jìn)行改良，結(jié)合高壓射水系統(tǒng)輔助沉樁。改良型鋼板樁高壓射水系統(tǒng)由三部分部分組成，包括改良后拉森鋼板樁（母樁）、三根高壓射水管、高壓水泵。其主要工作原理是：三根高壓射水管分布于母樁的U 形內(nèi)部底面及側(cè)翼兩邊，在鋼板樁圍堰施工時(shí)，先用打樁機(jī)振動(dòng)錘將母樁插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高，在高壓射水系統(tǒng)和母樁的共同作用下，減小土層對(duì)鋼板樁的阻礙，然后緩慢拔除母樁。完成母樁打設(shè)引孔后，開(kāi)始常規(guī)鋼板樁施工。利用振動(dòng)錘將常規(guī)鋼板樁垂直打入母樁打設(shè)過(guò)的位置，在整個(gè)鋼板樁打入過(guò)程中只需在母樁上安裝高壓射水管，因此在實(shí)際施工過(guò)程中可縮短施工周期。

鋼板樁改良方法為：將三塊鋼板分別焊接在鋼板樁端部，并且用一塊三角形鋼板將鋼板樁與端部焊接鋼板連接起來(lái)（圖4），加強(qiáng)焊接后鋼板樁端部的剛度，形成類(lèi)似于沖擊鉆頭的樁端，減小鋼板樁與卵石的接觸面，從而減小土層的側(cè)摩阻力，有效沖開(kāi)卵石，以便常規(guī)鋼板樁的插打。

圖4 改良鋼板樁端部（單位：mm）

2.4.3 方案3

方案1 和方案2 均為常規(guī)方法，本文提出的一種施工技術(shù)，即方案3。將大粒徑孤石人工布置于致密級(jí)砂卵石集料試驗(yàn)槽內(nèi)。在鋼板樁打入過(guò)程中遇到大粒徑孤石無(wú)法繼續(xù)插打時(shí)，先拔出鋼板樁，利用地質(zhì)鉆機(jī)配合鋼套管對(duì)覆蓋層下的孤石進(jìn)行鉆孔。由于本次試驗(yàn)是人工布置孤石，因此能夠較為準(zhǔn)確地鉆進(jìn)到孤石內(nèi)部約2∕3 的高度。實(shí)際工程中如遇復(fù)雜的地質(zhì)條件，施工人員可以通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)或CT 掃描儀對(duì)覆蓋層下的孤石進(jìn)行精確定位。通過(guò)PVC 套管從地面將乳化炸藥輸進(jìn)鉆孔內(nèi)指定深度。為防止乳化炸藥上浮，對(duì)炸藥包進(jìn)行配重處理，使得炸藥順利下沉至孔底。待裝藥完畢后，選用直徑小于8 mm 的細(xì)石填滿炮孔，隨即引爆炸藥，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量將孤石破碎、解體，然后繼續(xù)打設(shè)鋼板樁。

2.5 炸藥用量計(jì)算與數(shù)值模擬

2.5.1 炸藥用量計(jì)算

關(guān)于水下爆破炸藥單耗，可采用工程經(jīng)驗(yàn)方法、日本炸藥協(xié)會(huì)公式、瑞典設(shè)計(jì)方法以及JTS 204—2008《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》4 種方法計(jì)算［11］。瑞典設(shè)計(jì)方法考慮相對(duì)全面，能夠較好地解決水下爆破水深對(duì)爆破效應(yīng)影響帶來(lái)的計(jì)算精度問(wèn)題。因此本文基于瑞典設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，其單耗計(jì)算公式為

式中：q為炸藥單耗；q1為基本裝藥量，是一般陸地梯段爆破的2 倍，對(duì)于水下垂直鉆孔，再增加10%，根據(jù)前期卵石樣本抗壓強(qiáng)度測(cè)試，一般陸地梯段爆破取0.8 kg∕m3；q2為爆區(qū)上方水壓增量，q2=0.01h2，h2為水深；q3為爆區(qū)上方覆蓋層增量，q3=0.02h3，h3為覆蓋層（淤泥或土、砂）厚度；q4為巖石膨脹增量，q4=0.03h，h為梯段高度。

根據(jù)式（1）計(jì)算得到本次爆破試驗(yàn)炸藥用量為0.7 kg。

2.5.2 數(shù)值模擬

由于方案3要求在鋼板樁試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭旅芗?jí)砂卵石集料區(qū)域內(nèi)進(jìn)行爆破。為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，對(duì)炸藥用量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)采用MIDAS GTS NX 軟件對(duì)試驗(yàn)方案3槽內(nèi)爆破進(jìn)行有限元模擬。槽外土體與槽內(nèi)回填密實(shí)卵石均視作彈塑性材料。采用Mohr?Coulomb準(zhǔn)則作為彈塑性材料的屈服準(zhǔn)則；鋼板樁和內(nèi)支撐分別用板單元、1D 梁?jiǎn)卧M。為減少計(jì)算誤差，整體有限元模型計(jì)算范圍取試驗(yàn)槽的3~5 倍，即模型尺寸取24 m × 15 m × 15 m。在整體模型底部與側(cè)面施加黏性邊界來(lái)模擬無(wú)限遠(yuǎn)邊界環(huán)境，用以吸收爆破產(chǎn)生的能量。整體三維有限元模型視為無(wú)炮孔模型，將爆破荷載等效為時(shí)程荷載加載于槽內(nèi)卵石實(shí)體單元面上，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)在爆破荷載作用下的可靠性，確保引孔爆破試驗(yàn)安全穩(wěn)定。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖5?？芍谑┘拥刃У膭?dòng)力荷載作用下，鋼板樁最大應(yīng)力為16.1 MPa，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐最大應(yīng)力為18.6 MPa，均小于GB 50017—2014《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中所要求的最大容許值215 MPa。本次引孔爆破試驗(yàn)炸藥用量計(jì)算取值偏安全，保證了已有支護(hù)結(jié)構(gòu)在爆破作用后仍處于安全服役狀態(tài)。

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆秹?cè)向土壓力分析

為使鋼板樁變形穩(wěn)定及土壓力量測(cè)準(zhǔn)確，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在每種試驗(yàn)方案完成5 min 后采集，利用無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)土壓力盒進(jìn)行讀數(shù)。每插打0.5 m 測(cè)量一次數(shù)據(jù)，得到各測(cè)點(diǎn)在鋼板樁插打過(guò)程中土壓力沿深度的分布規(guī)律。以打設(shè)前所測(cè)值為初始值進(jìn)行分析，便于研究打設(shè)及使用過(guò)程中鋼板樁由于受土體作用而產(chǎn)生的內(nèi)力變化規(guī)律。

采用方案1 和方案2 在疏密級(jí)砂卵石集料中進(jìn)行鋼板樁插打，得到土壓力變化曲線，見(jiàn)圖6。

圖6 方案1和方案2在疏密級(jí)砂卵石集料下土壓力變化曲線

由圖6 可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆秹?cè)向土壓力呈弧狀分布，方案2減小了施工過(guò)程中土體對(duì)鋼板樁的阻礙，樁墻側(cè)向土壓力明顯減小，提高了鋼板樁的施工效率。

采用試驗(yàn)方案1在中密級(jí)砂卵石集料和致密級(jí)砂卵石集料中進(jìn)行鋼板樁插打，得到不同砂卵石級(jí)配下樁墻側(cè)向土壓力曲線見(jiàn)圖7。

圖7 方案1在兩種不同砂卵石集料下樁墻側(cè)向土壓力曲線

由圖7可知，與中密級(jí)砂卵石集料中相比，試驗(yàn)方案1在致密級(jí)砂卵石集料中進(jìn)行鋼板樁插打試驗(yàn)時(shí)土壓力明顯增加，增大了土體對(duì)鋼板樁的阻礙作用，鋼板樁插打難度變大。

3.2 鋼板樁施工效率分析

為研究三種方案下鋼板樁的施工效率，在致密級(jí)砂卵石集料中進(jìn)行鋼板樁插打試驗(yàn)，利用秒表計(jì)時(shí)器記錄鋼板樁每打入0.5 m 所需要的時(shí)間。不同試驗(yàn)方案下鋼板樁插打效率對(duì)比見(jiàn)圖8。

由圖8 可知，方案1 中鋼板樁插打時(shí)沒(méi)有采取任何輔助措施，施工效率比其他兩種施工方法低。方案2 通過(guò)對(duì)鋼板樁進(jìn)行改良后，施工效率有所提高。而方案3 中采用引孔爆破相結(jié)合的施工方法，對(duì)2~3 m埋深的大粒徑孤石進(jìn)行爆破后，爆破能量使得砂卵石土層有所松動(dòng)，使得鋼板樁在深度3 m 以下插打效率明顯提高。

圖8 不同試驗(yàn)方案在致密級(jí)集料中鋼板樁插打效率對(duì)比

4 結(jié)論

1）在自然沉降堆積形成的疏密級(jí)砂卵石級(jí)配條件下，鋼板樁圍堰施工方案是可行的，相較于鋼套箱方案效率更高，經(jīng)濟(jì)合理。

2）由于深覆蓋砂卵石層不利的施工條件，傳統(tǒng)的施工插打工效低，改良鋼板樁結(jié)合高壓射水輔助沉樁的方案可通過(guò)高壓水泵配合水管將土層沖刷松散，達(dá)到高效沉樁目的。

3）在致密砂卵石級(jí)配且存在大粒徑孤石的地質(zhì)條件下，可采用引孔爆破相結(jié)合的輔助沉樁方法。