水中圍堰封底混凝土厚度的理論分析與驗證

徐立生, 黃繼輝, 陳小羊, 張浩

(1.中建海峽建設發展有限公司, 福建 福州 350015;2.福建船政交通職業學院, 福建 福州 350007;3.中建七局 交通建設有限公司, 河南 鄭州 450004)

水中建(構)筑物施工中,為保證安全和施工的順利進行,一般先修筑圍堰,待圍堰修筑完成后再進行下一步作業。鋼板樁圍堰以其強度高、施工簡單、可重復使用等優點在工程建設中得到廣泛應用。鋼板樁打設完成、抽水完成后進行封底作業。

封底作業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踐中的難點。方詩圣等通過建立三維有限元模型,分析了樁基間距及鋼護筒直徑對鋼圍堰封底混凝土與樁基鋼護筒之間黏結力的影響[1]。王明慧等對大水位差下鋼吊箱圍堰封底混凝土厚度進行優化設計,根據需要同時滿足抗浮和抗沉的需求對封底混凝土厚度進行理論計算,確定了合理厚度值[2]。黃錚通過對比不同模型下圍堰整體應力與位移、封底混凝土的應力與位移,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驗公式[3]。赫宏偉以銀西(銀川—西安)高速鐵路黃河機場特大橋主墩圍堰施工為例,分析封底混凝土應力分布,并進行混凝土擴展度試驗,得到了混凝土的最大拉應力[4]。郭成剛以滬昆(上海—昆明)客運專線沅江大橋深水基礎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算和封底混凝土的施工組織[5]。張靜結合某橋梁的特點,從理論和有限元角度分析了圍堰封底混凝土厚度計算方法[6]。文獻[7-11]也對封底混凝土厚度進行了研究。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封底混凝土厚度的影響。本文從水土壓力統一計算理論出發,通過理論分析確定水頭損失計算方法,分析土體參數對水頭損失的影響,并進行工程實例應用,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[12]設計的理想模型試驗,并引申到滲透試驗中。如圖1所示,點C為開設的一個小孔,該小孔足夠小,土顆粒無法流出;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,土體豎向滲透系數為ky。

圖1 理想模型試驗示意圖

假定從點B到點C的土體水頭損失為ΔhBC,單位長度的水頭損失系數為ξ,則ΔhBC可表示為:

ΔhBC=ξ(1+e)

(1)

考慮土體水頭損失,點C的水流速度可表示為:

(2)

依據伯努利方程,考慮水頭損失,點C的速度可表示為:

(3)

聯合式(2)和式(3),得:

ξ=

(4)

令g=10 N/kg,式(4)變為:

(5)

將式(5)擴展到實際工程中,假定滲流經過的土體高度為h2,將h2取代1+e,得:

(6)

從式(6)來看,水頭損失系數ξ可表示為土層頂面水位高度h1、土體高度h2及滲透系數ky的函數,其關系見圖2。

圖2 ξ與h1、h2及ky的關系示意圖

從圖2可以看出:水頭損失系數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ky對水頭損失系數ξ的影響不大。

1.2 合理性驗證

通過常水頭土體滲透試驗驗證上述水頭損失系數ξ計算方法的合理性。試驗采用TST-70型滲透儀,試樣土體參數見表1。試驗結果見表2。

表1 試樣土體參數

表2 常水頭土體滲透試驗結果

將ky、h1、e的值代入式(5),得:

(7)

從式(7)來看,試驗結果與分析結果之間吻合較好,上述水頭損失系數ξ計算方法合理。

2 工程應用實例

武榮大橋位于福建南安市霞美鎮和豐州鎮,總長約2.23 km。主橋長度約 1.29 km,設計速度為60 km/h;引橋長度為0.94 km,設計速度為40 km/h。橋面總寬為54.50 m,采用雙幅橋布置。主橋上部結構為3×60 m+3×60 m等截面預應力混凝土現澆箱梁,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。下部結構中,橋墩為Y字形墩,采用C40混凝土;承臺高度為4.00 m,采用C40混凝土;基礎為C30水下混凝土鉆孔灌注樁,樁徑為1 800 mm。引橋段上部結構為預應力混凝土連續箱梁,單跨為30 m;橋墩為Y字形墩,采用C40混凝土;橋墩承臺高度為4.00 m;基礎為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。水中圍堰長和寬均為10.50 m(見圖3),圍護結構為18 m拉森鋼板樁,插入土層以下11.00 m。圍檁結構共分3層,圍檁之間的間距及型號見圖3。

圖3 圍堰示意圖(單位:標高為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、力學參數見表3。

表3 土體的物理、力學參數

考慮最危險狀況,只考慮中砂層對水頭的減損作用,將參數值代入式(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)

實際施工中,考慮到基坑水體無法徹底抽干及混凝土澆筑完成后不再抽水會對混凝土產生浮力,為安全起見,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,安全系數為:

(10)

安全系數大于1,說明如果將圍堰里的水抽干后再進行混凝土封底,2 m厚度封底混凝土能滿足相關要求。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,保證灌注表面的平整度,取得了良好效果。

為驗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及圍護結構的幾何參數等數據,按式(8)計算水頭損失系數,據此計算基坑底部的水頭高度,進而得出封底混凝土厚度(見表4)。

表4 計算封底混凝土厚度與實際封底混凝土厚度對比

3 結語

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