鎖口鋼管樁圍堰的應(yīng)用

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一、鎖口鋼管樁圍堰的選用
    斜拉橋主塔墩承臺(tái) 40m X 20m，厚 5.5m。承臺(tái)處水深 3～6m，流速1.l～1.3m/s，承臺(tái)底在水下約10m，在覆蓋層內(nèi)埋深約7m。鉆孔樁施工和地質(zhì)鉆探揭示在承臺(tái)埋深的地層中有一條木質(zhì)沉船，船內(nèi)有片石，約占承臺(tái)面積1/3。方形承臺(tái)內(nèi)有本身的鋼筋和型鋼勁性骨架，有主塔兩塔肢（各為 7m X 10m）的勁性骨架和鋼筋錨固在承臺(tái)內(nèi)，加上降溫水管和架立撐，其密集程度令圍堰水平支撐難以通過。該橋的邊墩 25m x 17m，厚3.5m。承臺(tái)處水深6～7m，承臺(tái)底在水下約10m，在覆蓋層內(nèi)埋深3～4m。由于承臺(tái)在山腳下，山下巖石掉落在此處，故土層中孤石密集。這兩承臺(tái)施工圍堰必須能通過地層內(nèi)的障礙物，且承臺(tái)內(nèi)不能有支撐，在灌筑塔身和墩身前，圍堰頂?shù)闹文懿鸪?
    水庫中在舊鐵路橋旁新建一鋼衍梁橋。其中主橋兩端的橋墩坐落在舊橋臺(tái)片石構(gòu)縫的錐體護(hù)坡上。由于老橋臺(tái)后為高填土，臺(tái)前堆砌防傾片石，水庫蓄水后將其淹沒。錐體護(hù)坡下為填筑的亞粘土厚約3m，填土下為礫石土，承臺(tái)底在礫石土內(nèi)，為了清除片石，圍堰內(nèi)必須排水干挖。且鋼支撐不能埋入承臺(tái)內(nèi)。
    以上承臺(tái)的圍堰施工工期緊迫，且無大型起吊設(shè)備。根據(jù)上述條件，對(duì)常用的圍堰進(jìn)行了比選。
    鋼板樁圍堰。鋼板樁插打和吊裝不需大型起吊和下沉設(shè)備。但由于其截面特性，限制了應(yīng)用[1]。上述圍堰內(nèi)支撐間距密集到1.5～2.0m。由于其截面是敞口，在孤石和片石地層中插打，下端極易出卷邊或被撕步到，造成圍堰不能止水，延誤工期，影響承臺(tái)質(zhì)量。
    雙壁銅圍堰，它自70年代九江長(zhǎng)江大橋首次采用在鉆孔樁基礎(chǔ)施工后，由于其整體性。剛度和強(qiáng)度大、圍堰內(nèi)無支撐、止水效果、抽水水頭、抗水流沖擊力和波浪襲擊都較其他圍堰優(yōu)越。所以廣泛應(yīng)用于深水鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工中。但它體積龐大，需大型起吊設(shè)備。在覆蓋層下沉亦需較多設(shè)備，且下沉速度比樁要慢，若遇土層中障礙物，必須水中在刃腳下清除，勢(shì)必影響工期。雙壁銅殼在墩身出水后，承臺(tái)頂以上部分可切割回收或倒用，以下部分不能取出[1]。
    鉆孔樁圍堰。它是在深水基礎(chǔ)施工中鋼板樁和鉆孔樁并舉的圍堰[2]。它在復(fù)雜地層中做圍堰穿透能力強(qiáng)，圍堰內(nèi)無支撐、止水效果好。但須先做鋼板樁圍堰，在板樁圍堰內(nèi)填土筑島，在島上板樁內(nèi)緣做深基坑護(hù)壁鉆孔樁，樁頂設(shè)圈梁，再開挖基坑等；工序多，設(shè)備多，時(shí)間長(zhǎng)，造價(jià)高，不適用上述承臺(tái)圍堰。
    方形板樁圍堰，我處曾將雙壁銅圍堰豎向分條，做成方形板樁，以適應(yīng)某些無大型起吊運(yùn)輸設(shè)備和河床覆蓋層內(nèi)下沉雙壁銅圍堰困難的地方。這種板樁剛度大，圍堰內(nèi)支撐少，借助錘擊，下沉速度快。它組成的圍堰介于鋼板樁和雙壁銅圍堰之間。我們?cè)眠@種板樁在有片石和孤石地層內(nèi)錘擊下沉做圍堰，下沉十分困難，拔出來檢查；刃腳凸凹不平，下端貼焊在骨架上的鋼板脫皮、撕裂和卷曲，骨架有的扭曲變形。這種殼體極樁在土層要占用一定的空間，將障礙物、孤石、片石劈裂、擠開是困難的，故也不適用。
    1956-1957年在前蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下，由大橋局主持，大橋一處負(fù)責(zé)做過裝配式鋼筋混凝土鎖口管柱試驗(yàn)。并將這一成果應(yīng)用在丹江水庫大壩的防滲墻基礎(chǔ)中，達(dá)到了防滲要求。當(dāng)時(shí)還想將這一新技術(shù)推廣應(yīng)用到水利工程中的大壩防滲墻、碼頭岸墻、碼頭基礎(chǔ)和橋梁基礎(chǔ)。由于混凝土抗拉性能差，鋼筋混凝土鎖口管柱制造工藝要求高，加上當(dāng)時(shí)國(guó)家鋼材缺乏的制約，這一技術(shù)未繼續(xù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。
    日本把鎖口鋼管樁（日本叫鋼管板樁）的新技術(shù)廣泛應(yīng)用在岸墻、護(hù)岸、防波堤、圍堰、擋土墻基礎(chǔ)等工程中，于1981年編制了《鋼管板樁井筒基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工》。 
    對(duì)鋼管樁能否穿過水下地層中的障礙物、孤石和片石，我處在多座橋的施工棧橋搭設(shè)中，插打鋼管樁較多，對(duì)其設(shè)計(jì)和施工具有一定的經(jīng)驗(yàn)。
    鑒于前面所述，我們選用了鎖口鋼管樁做這幾個(gè)承臺(tái)的施工圍堰。
    二、鎖口鋼管樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工
    1．設(shè)計(jì)
    圍堰設(shè)計(jì)實(shí)際上是：①計(jì)算圍堰內(nèi)挖土和抽水時(shí)鋼管植和支撐中的應(yīng)力是否安全；②確定圍堰內(nèi)封底混凝土的強(qiáng)度和厚度必確定鎖口的形式，使其能注漿止水。確保鎖口在復(fù)雜受力狀態(tài)下不被破壞；④圍堰在水流、風(fēng)力、波浪作用下抗傾覆性檢算。
    （1）圍堰設(shè)計(jì)程序
    a．設(shè)計(jì)資料收集。如氣象、水文、地質(zhì)等資料，還有加工制造、運(yùn)輸、吊裝、樁錘等有關(guān)數(shù)據(jù)。
    b．資料中的圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算。如風(fēng)力、水流、波浪、土壓力系數(shù)。
    c．確定施工順序。如對(duì)圍堰支撐的要求，是水中去土，還是干挖。這一程序是關(guān)系圍堰側(cè)壓力計(jì)算，很重要。兩種施工順序見圖1。
    d．繪出圍堰總圖。擬定鋼管樁直徑，鎖口形式，支撐間距及平面布置，繪于總圖中。
    e．圍堰側(cè)壓力計(jì)算。進(jìn)一步求出每米寬圍堰的彎短和支撐反力。
    f．按以鎖口中心寬度換算成每根管樁的彎矩和支撐反力，檢算樁的應(yīng)力，設(shè)計(jì)或檢算支撐。
    g．按錘擊沉樁的錘擊力及允許的施工誤差設(shè)計(jì)鎖口。
    h．計(jì)算作用在圍堰的風(fēng)力、水流力、波浪力，檢算圍堰的抗傾覆的穩(wěn)定性。
    （2）兩種施工順序的圍堰布置方式見（圖2圖3）
    （3）設(shè)計(jì)要點(diǎn)簡(jiǎn)介
    a．鋼管樁的截面選擇。它是圍堰受力主要部件。初擬鋼管截面尺寸必須符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ17－88）的規(guī)定：鋼管（直）徑（壁）厚比的要求。 fy為鋼材屈服強(qiáng)度。A3鋼D/t≤100。在保證鋼管總體穩(wěn)定性前提下，因要穿過密集孤面、片石堆積和木質(zhì)沉船，為防止在柴油錘的強(qiáng)擊、偏打、樁帽接觸不良及樁墊材料惡化等造成樁端部出現(xiàn)"燈?quot;式壓曲或局部壓曲，故在管樁下端要貼焊定鋼板補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)板的厚度與原管壁疊合后的徑厚比D/t≤0.8 X 50＝ 40。D/t＜50是研究數(shù)據(jù)，0.8是兩層疊合板的折減系數(shù)。
    b．鋼管樁的支點(diǎn)處理。鋼管樁與圍堰支撐的水平圈梁接觸處防止鋼管壓曲辦法是：①鋼管內(nèi)加鋼環(huán)；②填早強(qiáng)砂漿或有圓弧面的木墊塊，使集中力變均布荷載。然后按有關(guān)公式檢算鋼環(huán)或管壁強(qiáng)度。鋼管與封底混凝土接觸處要作兩點(diǎn)處理：①接觸處彎矩峰值很高，要按照連續(xù)梁在支座處削減負(fù)彎矩峰值辦法進(jìn)行。即Me=M－Rl/8，式中，M，R，L分別是封底混凝土處彎矩、支反力、厚度；②按均布荷載q＝R/l檢算管壁強(qiáng)度，若不夠：a．如管樁不拔除，則在管樁吸泥，灌注混凝土；b．如管樁要拔除倒用，則如圖4所示，做成雙壁圓筒。
    C．封底混凝土的厚度。低強(qiáng)度混凝土，在抗靜水壓力和承托承臺(tái)新鮮混凝土重力時(shí)要增加厚度，則相應(yīng)增加基底開挖量，增加鋼管樁長(zhǎng)度；若提高混凝土標(biāo)號(hào)，厚度減薄，開挖量減少，樁規(guī)少。所以應(yīng)盡量提高混凝土的標(biāo)號(hào)，減薄混凝土厚度。注意厚度是削減彎矩值參數(shù)之一，要兼顧這個(gè)因素。
    d．圍堰支撐主要功能是支撐圍堰外側(cè)壓力的。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加兩個(gè)功能：①在圍堰內(nèi)封底混凝土之前，作用圍堰上的風(fēng)力、水流力、波浪力應(yīng)通過支撐傳給鉆孔灌注樁的鋼爐筒上；②大體積承臺(tái)的圍堰，支撐應(yīng)兼做腳手架，承受豎向荷載。 
    e．鎖口的設(shè)計(jì)。鎖口能否止水是圍堰成敗的關(guān)鍵之一。為保證鎖口能止水：①要保證鎖口有足夠強(qiáng)度不開裂。對(duì)鎖口強(qiáng)度檢算主要是受力分析難。筆者認(rèn)可這樣假定的：a．兩根樁在同一平面內(nèi)對(duì)稱傾斜1/100，造成鎖口一端受拉，一端受壓； b．在平面外，兩根樁相反方向各傾斜1/100，鎖口受彎、扭、剪；C．一根下沉帶動(dòng)相鄰樁下沉，鎖口受剪；d．管樁錘擊下沉?xí)r旋轉(zhuǎn)使鎖口受扭，旋轉(zhuǎn)力按錘擊力的10％。以上各計(jì)算力的大小時(shí)均以錘擊力為基數(shù)。 
    ②要使鎖口有空腔可灌漿堵漏。按圖5所示"L-T"形鎖口較好。
    f．圍堰在封底混凝土后抗傾覆力計(jì)算時(shí)要考慮鎖口內(nèi)漿體粘著力，封底混凝土與圍堰外側(cè)壓力對(duì)樁端的嵌固力。
    2．鎖口鋼管樁圍堰的施工
    （1）在鉆孔灌注樁施工平臺(tái)周邊安裝導(dǎo)向架。設(shè)上、下兩層，力爭(zhēng)高精度控制樁的傾斜。
    （2）在導(dǎo)向架上按理論尺寸放線定出各樁的位置，在導(dǎo)向架內(nèi)插入樁，用震動(dòng)打樁機(jī)下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。若高位止樁，查閱地質(zhì)資料，如遇到沉船、孤石、片石等地段，用吊機(jī)將柴油錘套在樁頂，將樁錘擊到位。
    （3）鎖口內(nèi)射水沖洗灌注粘土水泥漿，為了阻止碎石和硬上進(jìn)入鎖口，在樁下插前于鎖口槽口下端先焊坡度1:6的擋板。
    （4）按設(shè)計(jì)要求安裝圍堰支撐。
    （5）圍堰內(nèi)開挖。泥土用抓斗沖抓或射水吸泥。沉船用沖擊鉆機(jī)和旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)破碎，船梆的大方木由潛水工人水下切割。孤石由潛水工水下作業(yè)消除。片石因堆砌整齊，且用砂漿鉤縫，故在于挖時(shí)用鋼纖鑿開或用撬棍撬松，人工清除。
    （6）在封底混凝土后灌筑承臺(tái)、塔肢或墩身。
    （7）鋼管樁的拔除。在用震動(dòng)打樁機(jī)震松鎖口的漿體后，用液壓千斤頂頂出。
    三、鎖口鋼管樁圍堰的特點(diǎn)及應(yīng)用前景
    1．特點(diǎn)
    通過施工，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，也加深了對(duì)這一決策的認(rèn)識(shí)，歸納起來，我們認(rèn)為有如下特點(diǎn)：
    （1）鎖口鋼管樁雖一次性投入大，但是設(shè)備式投入，可重復(fù)使用，還是經(jīng)濟(jì)的。
    （2）適應(yīng)于各種復(fù)雜地質(zhì)、地層，如水下地層有障礙物，密集孤石，片石堆積等。
    （3）施工速度快。制作、加工、運(yùn)輸、吊插、下沉等方便靈活，工藝簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少。
    （4）可根據(jù)需要，組裝成各種形式的圍堰。
    （5）截面剛度大，使圍堰內(nèi)支撐減少，可適應(yīng)大體積承臺(tái)的施工。
    其缺點(diǎn)是我們現(xiàn)在使用鎖口簡(jiǎn)槽與荷頭截面積不等，造成鎖口鋼管樁不對(duì)稱，故易產(chǎn)生傾斜。
    2．應(yīng)用前景
    現(xiàn)在市場(chǎng)鋼材充足，為鎖口鋼管樁圍堰的應(yīng)用提供了廣闊的前景。我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)施工的圍堰只是荷葉才露出尖角，它可以應(yīng)用到：
    （1）深水基礎(chǔ)圍堰中。完善研究鎖口灌漿工藝，發(fā)揮鎖口灌漿后的組合效應(yīng)，并增加一些輔助措施，如樁頂圈梁，是可以做到的。
    （2）做橋梁薄壁沉井式基礎(chǔ)。在圍堰增加一些鎖口鋼管樁隔墻即形式沉井，在覆蓋層深的地方，樁只需進(jìn)入持力層，在覆蓋層薄的地方，樁沉到基巖層，樁內(nèi)做鉆孔灌注樁，將基礎(chǔ)錨固在基巖內(nèi)可防沖刷、防滑移。施工速度比下沉沉井快，基礎(chǔ)形式還可靈活多變。
    （3）水利工程、碼頭工程、海港的岸墻、護(hù)岸、防波堤、碼頭等工程。只要在鎖口鋼管樁的鋼材里添加銅元素，增加抗浸蝕能力。 
    （4）工民建基礎(chǔ)的深基坑支護(hù)及圍堰。只要是作為設(shè)備式投入，充分發(fā)揮其抗水平力能力。
    在鋼材匾乏時(shí)間，做裝配式鋼筋混凝土鎖口管柱試驗(yàn)。在新世紀(jì)里，這一新技術(shù)將像鉆孔灌注樁那樣在建筑工程得到廣泛應(yīng)用。