徐立生, 黃繼輝, 陳小羊, 張浩

(1.中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司, 福建 福州 350015;2.福建船政交通職業(yè)學(xué)院, 福建 福州 350007;3.中建七局 交通建設(shè)有限公司, 河南 鄭州 450004)

水中建(構(gòu))筑物施工中,為保證安全和施工的順利進(jìn)行,一般先修筑圍堰,待圍堰修筑完成后再進(jìn)行下一步作業(yè)。鋼板樁圍堰以其強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)單、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。鋼板樁打設(shè)完成、抽水完成后進(jìn)行封底作業(yè)。

封底作業(yè)作為圍堰施工的一道重要工序,如何確定封底混凝土厚度是工程實(shí)踐中的難點(diǎn)。方詩(shī)圣等通過(guò)建立三維有限元模型,分析了樁基間距及鋼護(hù)筒直徑對(duì)鋼圍堰封底混凝土與樁基鋼護(hù)筒之間黏結(jié)力的影響[1]。王明慧等對(duì)大水位差下鋼吊箱圍堰封底混凝土厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),根據(jù)需要同時(shí)滿足抗浮和抗沉的需求對(duì)封底混凝土厚度進(jìn)行理論計(jì)算,確定了合理厚度值[2]。黃錚通過(guò)對(duì)比不同模型下圍堰整體應(yīng)力與位移、封底混凝土的應(yīng)力與位移,確定了最佳封底混凝土厚度,提出了矩形單壁鋼套型圍堰封底混凝土經(jīng)驗(yàn)公式[3]。赫宏偉以銀西(銀川—西安)高速鐵路黃河機(jī)場(chǎng)特大橋主墩圍堰施工為例,分析封底混凝土應(yīng)力分布,并進(jìn)行混凝土擴(kuò)展度試驗(yàn),得到了混凝土的最大拉應(yīng)力[4]。郭成剛以滬昆(上海—昆明)客運(yùn)專線沅江大橋深水基礎(chǔ)大直徑雙壁鋼圍堰施工為例,介紹了圍堰封底混凝土厚度計(jì)算和封底混凝土的施工組織[5]。張靜結(jié)合某橋梁的特點(diǎn),從理論和有限元角度分析了圍堰封底混凝土厚度計(jì)算方法[6]。文獻(xiàn)[7-11]也對(duì)封底混凝土厚度進(jìn)行了研究。目前的研究基本上是從克服混凝土的上浮及混凝土板應(yīng)力滿足要求等角度確定封底混凝土厚度,較少考慮水頭損失對(duì)封底混凝土厚度的影響。本文從水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論出發(fā),通過(guò)理論分析確定水頭損失計(jì)算方法,分析土體參數(shù)對(duì)水頭損失的影響,并進(jìn)行工程實(shí)例應(yīng)用,分析封底混凝土所需厚度。

1 土層水頭損失理論分析

1.1 理論分析

借鑒文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)的理想模型試驗(yàn),并引申到滲透試驗(yàn)中。如圖1所示,點(diǎn)C為開(kāi)設(shè)的一個(gè)小孔,該小孔足夠小,土顆粒無(wú)法流出;假定土層頂面水位高度為h1,飽和土體高度為1+e,寬度為1,土體豎向滲透系數(shù)為ky。

圖1 理想模型試驗(yàn)示意圖

假定從點(diǎn)B到點(diǎn)C的土體水頭損失為ΔhBC,單位長(zhǎng)度的水頭損失系數(shù)為ξ,則ΔhBC可表示為:

ΔhBC=ξ(1+e)

(1)

考慮土體水頭損失,點(diǎn)C的水流速度可表示為:

(2)

依據(jù)伯努利方程,考慮水頭損失,點(diǎn)C的速度可表示為:

(3)

聯(lián)合式(2)和式(3),得:

ξ=

(4)

令g=10 N/kg,式(4)變?yōu)?

(5)

將式(5)擴(kuò)展到實(shí)際工程中,假定滲流經(jīng)過(guò)的土體高度為h2,將h2取代1+e,得:

(6)

從式(6)來(lái)看,水頭損失系數(shù)ξ可表示為土層頂面水位高度h1、土體高度h2及滲透系數(shù)ky的函數(shù),其關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 ξ與h1、h2及ky的關(guān)系示意圖

從圖2可以看出:水頭損失系數(shù)ξ隨著水位高度h1的增加而增加;隨著h2的增加而減小,但下降幅度隨著h2的增加有所減緩;滲透系數(shù)ky對(duì)水頭損失系數(shù)ξ的影響不大。

1.2 合理性驗(yàn)證

通過(guò)常水頭土體滲透試驗(yàn)驗(yàn)證上述水頭損失系數(shù)ξ計(jì)算方法的合理性。試驗(yàn)采用TST-70型滲透儀,試樣土體參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試樣土體參數(shù)

表2 常水頭土體滲透試驗(yàn)結(jié)果

將ky、h1、e的值代入式(5),得:

(7)

從式(7)來(lái)看,試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果之間吻合較好,上述水頭損失系數(shù)ξ計(jì)算方法合理。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

武榮大橋位于福建南安市霞美鎮(zhèn)和豐州鎮(zhèn),總長(zhǎng)約2.23 km。主橋長(zhǎng)度約 1.29 km,設(shè)計(jì)速度為60 km/h;引橋長(zhǎng)度為0.94 km,設(shè)計(jì)速度為40 km/h。橋面總寬為54.50 m,采用雙幅橋布置。主橋上部結(jié)構(gòu)為3×60 m+3×60 m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁,截面為單箱三室,高度為3.60 m;頂板厚度為28.00 cm,底板厚度為22.00 cm,采用C50混凝土。下部結(jié)構(gòu)中,橋墩為Y字形墩,采用C40混凝土;承臺(tái)高度為4.00 m,采用C40混凝土;基礎(chǔ)為C30水下混凝土鉆孔灌注樁,樁徑為1 800 mm。引橋段上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,單跨為30 m;橋墩為Y字形墩,采用C40混凝土;橋墩承臺(tái)高度為4.00 m;基礎(chǔ)為φ1 800 mm鉆孔灌注樁,采用C30水下混凝土。

樁基全部為水下樁基,水位深度為7.00 m。水中圍堰長(zhǎng)和寬均為10.50 m(見(jiàn)圖3),圍護(hù)結(jié)構(gòu)為18 m拉森鋼板樁,插入土層以下11.00 m。圍檁結(jié)構(gòu)共分3層,圍檁之間的間距及型號(hào)見(jiàn)圖3。

圖3 圍堰示意圖(單位:標(biāo)高為m,其他為cm)

拉森鋼板樁從上往下穿越土層依次為中砂層及砂礫層,土層的物理、力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 土體的物理、力學(xué)參數(shù)

考慮最危險(xiǎn)狀況,只考慮中砂層對(duì)水頭的減損作用,將參數(shù)值代入式(6),得:

(8)

基坑底部冒出的水體水頭高度為:

H=7.00+5.40-2.54×4.56=0.82 m

(9)

實(shí)際施工中,考慮到基坑水體無(wú)法徹底抽干及混凝土澆筑完成后不再抽水會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生浮力,為安全起見(jiàn),混凝土密度采用浮密度,其值為1 400 kg/m3,封底混凝土高度取2 m,安全系數(shù)為:

(10)

安全系數(shù)大于1,說(shuō)明如果將圍堰里的水抽干后再進(jìn)行混凝土封底,2 m厚度封底混凝土能滿足相關(guān)要求。原施工方案采用水下灌注施工方式,考慮到施工中既要保證施工過(guò)程的安全,防止涌水造成坑底破壞,又要考慮施工成本,采用水下灌注和抽干水后灌注相結(jié)合的方式,兩種灌注方式的高度均為1 m,在保證安全的同時(shí),保證灌注表面的平整度,取得了良好效果。

為驗(yàn)證上述方案的適用性,收集部分水中圍堰所處地層的土體參數(shù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)等數(shù)據(jù),按式(8)計(jì)算水頭損失系數(shù),據(jù)此計(jì)算基坑底部的水頭高度,進(jìn)而得出封底混凝土厚度(見(jiàn)表4)。

表4 計(jì)算封底混凝土厚度與實(shí)際封底混凝土厚度對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

水中圍堰施工中,封底混凝土厚度與水頭密切相關(guān),目前采用的計(jì)算方法較少考慮水頭損失。本文通過(guò)理論分析得到水頭損失系數(shù)可以表示為水位高度、土體高度和滲透系數(shù)的函數(shù),其值隨著水位高度的增加而增加,滲透系數(shù)對(duì)水頭損失的影響不大。實(shí)際工程應(yīng)用中,須考慮基坑中水位不能全部抽干及底板完成后要進(jìn)行回灌等實(shí)際情況綜合確定相關(guān)參數(shù)的取值。