鋼板樁在橋墩支護中的應用

鋼板樁在橋墩支護中的應用

廣州新橋位于珠江瀝橋水道。5#和6號橋墩由36根樁和接架組成。承臺尺寸為34.7m48.3m6.0m（橋至橫橋至高），橋下高程為38m52m，總高度為-2.04m。每日下降兩次潮水，河水水位為4.0.6.9米（廣州市政高度），設計水位為7.40m。五#墩附近的河床表面為泥濘，高度約為0.0m，必須挖掘至-3.5m。六#墩附近的河床主要為細砂，河床起伏較大，高度為-8.0.3.0m。洪水時水深為10.0.15m。圖1顯示了兩個單元的層。承臺原方案采用厚2.5m水下混凝土封底,同時采用5層對撐加鋼板樁支護.優(yōu)化方案采用不封底,回填1.0m的石粉壓滲、上鋪厚0.5m的素混凝土墊層,同時采用4層對撐加角撐.國內目前深水圍堰多采用鋼護桶加水下混凝土封底方案,單層剛板樁支護應用在深水圍堰中并不多,主要有中山東河水利樞紐鋼板樁圍堰,天津彩虹大橋鋼板樁圍堰和番禺大橋主塔基礎鋼板樁圍堰等.相對于用鋼護桶加水下混凝土封底方案,鋼板樁圍堰加石粉壓滲方案具有幾個方面的優(yōu)勢:一是施工方便,節(jié)省工期,鋼護桶需要預加工,對于大面積基坑,鋼護桶很大,制作和運輸的工作量很大,相對而言,鋼板樁運輸和施工都很方便;二是鋼板樁可以重復利用,節(jié)約成本;三是石粉壓滲相對于水下混凝土封底也具有很大的經濟優(yōu)勢.石粉壓滲不封底方案實施的關鍵取決于滲漏量大小和圍堰的抗?jié)B穩(wěn)定,同時圍堰位于江中,必須考慮由于江水位漲落、水流沖擊、施工船只對圍堰體系的撞擊等不利因素的影響.另一方面鋼板樁墻是單根鋼板樁通過槽口互卡而成,卡口之間靠互相咬合來傳遞剪力,該咬合關系隨鋼板樁的變形而發(fā)生變化,目前這種“變形-剛度”關系尚無明確的方法確定.文獻通過室內試驗對鋼板樁的受力性能做了研究,同時基于梁的理論,根據相鄰鋼板樁受力發(fā)生之間的相對位移,提出了一種數值方法,用于計算一種特定情況下鋼板樁的變形和彎矩,但這種特定情況并不適用于一般工程,確切而實用的方法有待于進一步的研究.在本工程中,采用剛度折減的方法來考慮這種影響.鋼板樁圍堰的抗?jié)B穩(wěn)定方面的論證將另文論述.本研究著重介紹深水鋼板樁圍堰的優(yōu)化設計,根據監(jiān)測結果對鋼板樁的受力性能進行分析,通過對比設計結果指出兩者在變形上產生較大差異的可能原因及類似設計中要注意的問題.1施工圍堰支撐體系的特點支護結構采用鋼板樁加鋼支撐體系.鋼板樁為FSPⅣ型,兩條12m接駁成24m長,用90kW振動錘打入,第一層支撐每道采用2根I32a的工字鋼,其他各層每道均采用2根I56a的工字鋼,各層圍檁也都采用2根I56的工字鋼.各層的高程為:+5.5,+3.4,+1.6和-0.2m.其結構布置如圖2所示.在圖中,每層共有8條角撐,4條南北向橫撐和2條東西向縱撐.實施方案的縱橫撐節(jié)點采用“跨越式”節(jié)點,從橫撐間隔340或580mm的兩根[40a槽鋼組合梁穿過,避免了兩者之間的相互影響.實施方案和原方案相比,實施方案優(yōu)勢很明顯:(1)為施工預留了很大的空間,方便了施工.基坑的施工類似于“逆作法”,由上及下施工,如果上層的支撐結構太密,下層的支撐材料便很難往下傳送,即使勉強可以,下層支撐吊裝時或拆除下層支撐向上吊走時也較容易碰撞上層已經受力的支撐,影響其工作性能.(2)傳力更加明確,避免了縱橫撐之間的影響.(3)角撐的引入,把角撐與圍檁節(jié)點之間做好,可以使整個支撐平面結構穩(wěn)定性增強.(4)節(jié)省鋼材,經濟性好.計算以“橫向荷載作用下樁土共同作用的簡化法”為基礎,以加虛擬拉力的全量方法考慮施工中加撐過程.若某個支撐設置前,支撐點已發(fā)生位移So,則虛擬拉力的大小Fv=KSo,K為支撐剛度.將虛擬拉力Fv作為主動荷載加在支撐點后繼續(xù)開挖,用全量法計算得位移為S,則該支撐受到支撐力F=K(S-So).在本工程中,為了控制樁身的彎矩,計算虛擬拉力Fv時,虛位移So的計算是在低潮水位時(≤+5.9m)所得,這相當于給支撐加了預應力,使樁身往回彈.所以在施工圍堰支撐體系應避免在高潮水位(>+5.9m)合攏對接.計算時參考了中山東河水利樞紐鋼板樁圍堰工程實測數據的反算結果,按復合樁墻剛度的1/2計算與實測數據吻合較好,故在本次設計中把樁墻剛度折減了50%.剛度折減后,先以單根鋼板樁彎矩設計值計算板樁的允許曲率,然后以樁墻受彎時等曲率的原則確定樁墻彎矩的設計值.分析設計中所取的參數如表1所示.由于下伏基巖,鋼板樁能否打入巖層對其變形大小與抗?jié)B穩(wěn)定方面均有較大的影響.在支護體系結構計算中,根據施工方試打樁提供的資料,鋼板樁大部分均能打入下伏基巖(殘積土),所以分析時以入巖0.5m為依據計算鋼板樁的入土深度.施工時,在低潮水位安裝好第一層支撐后,在圍堰內清底到高程-3.54m后回填石粉1.0m,以后依次往下抽水和在低潮水位安裝各道撐.石粉在以下兩個方面作用效果明顯,一是壓滲,防止抽水時坑底發(fā)生滲透破壞;二是提高被動側土層的抗力,有效地控制鋼板樁的變形和入土深度,提高支護體系的穩(wěn)定性.圖3為位移和彎矩的典型計算結果,5#墩計算所得鋼板樁最大彎矩發(fā)生在圍堰設計高程-2.54m處,彎矩值M=267.9kN·m,最大的位移發(fā)生在高程-2.13m處,最大位移為S=78mm,最大支撐力F=2275kN;6#墩計算所得鋼板樁的最大彎矩發(fā)生在高程+0.7m處,處在第3道撐和第4道撐之間,M=240.3kN·m,最大位移發(fā)生在高程+1.45m處,S=51mm,最大支撐力F=1923kN.根據這些結果,對支護體系進行設計和校核.另一方面由于圍堰受力實際是一個三維問題,用4結點殼體單元模擬鋼板樁,2結點梁單元模擬圍檁,2結點的桿單元模擬支撐,將土層簡化為水平層狀的均質彈性材料,用8結點的實體單元模擬,利用MSC.Marc軟件對圍堰受力進行了三維有限元分析,其5#墩長邊方向(y方向)的位移如圖4所示(該結果未考慮預應力),最大位移量為91.7mm,與圖3中平面計算結果相近.2施工階段的位移和轉化率新光大橋5#,6#橋墩鋼板樁圍堰工程于2004年7月開始施工,插打鋼板樁,2005年1月基本完成施工,拔出鋼板樁.在施工過程中,采用測斜管測量鋼板樁的變形,測斜管的布置見圖1,每個圍堰設置8個測點.發(fā)生最大和最小位移的測點在各施工階段的最大位移和最大曲率結果如表2所示,各施工階段典型的位移圖和曲率圖如圖5所示.5#墩測點SC為發(fā)生最大位移的測點,6#墩測點EA為大部分發(fā)生的一般位移測點.其中曲率由位移利用三點中心差分公式近似求導后經形心修正后得到,綜合考慮舍入誤差和截斷誤差取步長為1.5m.從圖3中可以看出施工階段C以前,鋼板樁圍堰發(fā)生的位移約占了總位移的75%以上,而這時的圍堰內外的水頭差只占了施工過程中產生的最大的水頭差的50%.從位移的空間位置看,最大位移與最小的位移的測點總是一南一北相對出現.由于每米鋼板樁墻整體的抗彎剛度難以確定,其范圍介于單根鋼板樁獨立作用與復合鋼板樁墻共同作用時抗彎剛度之間為23350～77200kN·m,由表2可知最大曲率發(fā)生在6#墩NA測點,每米彎矩可能在490～1621kN·m之間;最小曲率發(fā)生在5#墩NC測點,其每米最大彎矩值在182～602kN·m之間.3討論3.1圍堰表面位移與高水面樁墻體的位移之間的關系監(jiān)測所得的位移與計算的位移存在較大的差異,其原因可歸結為以下3個方面.一是在設計時,鋼板樁墻的設計剛度取為標稱剛度值的一半,該值在鋼板樁受力初始階段偏大,該階段,鋼板樁之間的剪力聯(lián)系不緊密,存在相對滑動,單根鋼板樁獨立作用,該剛度為整體剛度的1/4.繼續(xù)往下抽水時,隨著鋼板樁變形增加,這時單根鋼板樁之間的剪力聯(lián)系增強,鋼板樁墻的整體剛度和強度都得到恢復.從圖5可以看出,施工階段C以前,鋼板樁圍堰發(fā)生的位移約占了總位移的75%以上,而這時的圍堰內外的水頭差只占了施工過程中產生的最大水頭差的50%.圖6給出了所選測點不同高程處在各施工階段的位移與總水頭差之間的關系.因為在某一定點處其水頭差與位移的比值于該處的抗彎剛度成正比,所以圖6可以反映鋼板樁的變形與剛度之間的關系.從圖6可以看出:(1)開挖面(-2.5m)以上的部分比開挖面以下部分呈現出更加明顯的剛度恢復(強化)特征.其原因可能是由于開挖面以下的部分埋入土中,受到樁土之間摩擦力的約束,這種約束阻礙了鋼板樁之間的相對位移,其剛度自始至終都變化不大,但開挖面以上的部分處于水中,沒有這種摩擦力作用.(2)在開挖面以上的部分,在某點的變形越大,該點的剛度恢復越明顯.其原因是當該點變形越大時,鋼板樁之間的剪力作用就越明顯,這種剪力作用使鋼板樁墻整體剛度得到恢復.(3)當圍堰回水卸載時,其位移的恢復不明顯.二是由于本工程中一根長24m的鋼板樁是由2根長12m的樁焊接而成的,接頭處按等強度連接,其剛度較差;又因卡口部位未能焊接而使該處的焊縫存在應力集中的現象,導致焊縫開裂,該接頭的剛度進一步減小,從圖5可看出,發(fā)生最大位移的點隨荷載重心的下移而相應地往下變動不明顯,而總是發(fā)生在兩根鋼板樁的接頭處附近,說明在接頭附近的剛度較鋼板樁的其他部分弱.由于鋼板樁長度為一定的模數,駁接的可能性較大,所以在接頭處其剛度的削弱應引起足夠的注意.三是由于在圍堰安裝好第一道支撐后,在圍堰內局部有深坑沒能及時回填石粉至設計高程即開始抽水,導致圍堰內局部測點的位移較其他測點大.3.2通過增大獄務公務的方式來進行基坑設計由于鋼板樁的剛度是一個不容易確定的量,要較準確地算出鋼板樁變形較為困難.雖然鋼板樁的剛度由于鋼板樁之間的相對滑動而產生折減的現象,但最終強度受其剛度的影響卻不大.這就使得一般的基坑設計方法可以應用在對位移要求不高的基坑設計中.江中深水圍堰的施工環(huán)境惡劣,江水位漲落、水流沖擊、施工船只對圍堰體系的撞擊等均是極為不利的因素,這些不利因素具有很大的隨機性,要通過增大安全系數方式去考慮.尤其是支撐的安全系數要足夠大,依工程經驗,其安全系數一般可取為2.因為如果支撐一旦失穩(wěn),整個基坑就要坍塌.鋼板樁屬于柔性支護結構,其允許的位移可以大些,并可進行非線性設計,其安全系數相對于支撐可以小些.從監(jiān)測結果可看出,只有當鋼板樁的變形足夠大時,其剛度和抗彎能力才能完全發(fā)揮出來.4施工質量及支護效果(1)由于基坑處于江中,水頭高,地質條件差,工期緊,施工難度大,在充分考慮施工條件的基礎上,用石粉導滲方案代替水下混凝土封底方案,既防止坑底土層的滲透破壞又增強被動側土層的抗力,確保了支護體系穩(wěn)定性,降低了成本.另一方面,角撐方案的引入,優(yōu)化了支撐體系的結構平面布置,為鋼支撐支護體系的吊裝獲得較大的施工空間,節(jié)約鋼材.整個優(yōu)化方案實施,取得了較好的經濟效益,同時確保了工期.(2)設計方案與實測結果的對比表明,鋼板樁墻的剛度隨鋼板樁變形而變化,當剛板樁的變形較小時,其剛度也較小,抗彎能力較差,當變形增加時,剛度和抗彎能力隨之增加.在進行鋼板樁基坑支護設計時,開始受力的若干階段可按單根鋼板樁單獨作用的剛度計算其變形,后面若干階段可按鋼板樁墻的整體剛度計算其變形,以整體鋼板樁墻的強度復核其強度.綜合考慮鋼板樁“變形-