海上高桩桥墩封底混凝土防渗措施研究

陈小龙，翟建国，曾 健

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040；4.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040)

0 引言

桥墩是桥梁的基础结构，桥墩可靠性直接影响桥梁安全。陆上桥墩一般需考虑风荷载、沉降等因素影响，水下桥墩还需考虑波浪水平冲击力与竖向波托力与波吸力作用。

目前，国内外对水下高桩桥墩封底混凝土渗水问题的研究较少，为此，依托援马尔代夫中马友谊大桥，进行受力性能分析，并提出防渗措施，以有效解决渗漏问题。

1 工程概况

援马尔代夫中马友谊大桥全长1 390m，跨越Gaadhoo Koa海峡，连接环礁上马累岛、机场岛(珊瑚尔岛)和胡鲁马累岛，是马尔代夫最重要的岛屿连接线工程。该桥由主桥、两岸引桥及机场侧填海路基组成，其中主桥长760m，由19～22号高桩桥墩支撑，桥墩钢管桩水下净长度为60m。

19～22号桥墩采用六边形整体式承台(钢吊箱)，如图1所示。22号桥墩钢吊箱于2016年3月18日下放到位，并焊接钢护筒横联、拉压杆、吊杆；于2016年3月24日浇筑封底混凝土，混凝土强度等级为C35，厚2m，用量约650m3，首封及补浇过程顺利，于12h内完成；2016年3月28日，试块强度达30MPa，进行抽水作业，抽水结束后2d内混凝土封水效果良好，封底混凝土与钢护筒、壁体之间均无明显间缝，无漏水现象，割除拉压杆、吊杆及钢护筒之间的横联；2016年3月30日，7根钢护筒与封底混凝土之间陆续出现渗水现象；2016年4月9日，4号钢护筒附近出现宽度>1cm的裂缝，5号钢护筒与壁体之间出现缝隙，随涌浪作用，个别裂缝出现冒水现象。此时19号桥墩已完成抽水，拉压杆、吊杆及钢护筒横联尚未割除，20～22号桥墩钢吊箱尚未下放。为保证施工质量，需分析渗水原因，并提出预防措施。

图1 高桩桥墩承台

2 有限元分析

桥墩由水下钢管桩与水面钢吊箱及内部封底混凝土组成，钢管桩尺寸大，受力复杂，需单独进行分析。

2.1 水下钢管桩

水下钢管桩长达60m，钢管桩底部深入海床岩石，顶部在封底混凝土作用下与钢吊箱刚性固结。由于桩基在水中自由长度过大，在波浪及水流荷载作用下产生桩基水平力，桩顶存在较大负弯矩。桩顶负弯矩使桩基和封底混凝土接触面产生额外的拉压应力，因此需进行水流力与波浪力计算。钢管桩承受的荷载与弯矩如图2所示。

图2 钢管桩承受的荷载与弯矩

2.1.1水流力计算

水流力标准值计算公式为：

(1)

式中：Fw为水流力标准值；v为水流设计流速，v施工=2.99m/s，v下放=1.00m/s；Cw为水流阻力系数，取0.8；ρ为海水密度，取1.025t/m3；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积。

施工时单位面积水流力为：

(2)

下放时单位面积水流力为：

(3)

2.1.2波浪力计算

波浪作用于钢吊箱上将引起局部反射，钢吊箱干涉波波高Hd大于原始波波高H，小于波浪遇直立墙发生完全反射时的立波波高2H。

钢吊箱吃水深度内，可按下列公式计算局部反射波波高、局部反射系数等：

Hr=KrH

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Hr为局部反射波波高；Kr为局部反射系数；L为波长；d为水深；T为钢吊箱吃水深度；η为原始波波峰在静水面以上的高度；h0为原始波波浪中心线对静水面的超高值。

干涉波波高计算如下：

Hd=H+Hr

(8)

假想的完全反射波波高计算如下：

(9)

水深d处的压强为：

(10)

水面处的压强为：

(11)

钢吊箱底板波托力或波吸力按三角形荷载考虑，最大荷载取钢吊箱壁体侧面波浪力，作为箱底处的波浪力。

2.1.3计算结果

各工况下波浪力计算结果如表1所示，高水位浪高0.75，2.34，3.47m时的零浪面分别为0.63，1.97，3.00m。低水位浪高3.47m时的零浪面的2.96m。

表1 各工况下波浪力计算结果 kPa

考虑现场波流条件，原始波波高为1.5m，周期为13s，流速为1.2m/s，钢管桩在水流力与波浪力作用下的位移如图3所示，由图3可知，钢管桩桩顶最大水平位移较小，仅为10.4mm。

图3 钢管桩位移云图(单位：m)

2.2 钢吊箱及封底混凝土

2.2.1有限元模型

根据钢吊箱实际尺寸，采用有限元软件ANSYS建立有限元模型，如图4所示。钢吊箱自重350t，采用Q235钢，泊松比为0.3。混凝土强度等级C35，泊松比0.167，密度2 400kg/m3。

图4 钢吊箱有限元模型

2.2.2计算结果

对荷载进行组合，选取7种具有代表性的工况进行计算：①工况1 自重+高水位波托力(抽水但无水平力，封底混凝土厚1.3m)；②工况2 自重+低水位波托力+承台荷载(低水位浇筑1.5m高承台，但无水平力，封底混凝土厚2m)；③工况3 自重+高水位波托力+桩基水平力(抽水但无腰梁水平力，封底混凝土厚1.3m)；④工况4 自重+低水位波托力+桩基水平力+承台荷载(低水位浇筑1.5m高承台，无腰梁水平力，封底混凝土厚2m)；⑤工况5 自重+高水位波托力(抽水但无水平力，封底混凝土厚2m)；⑥工况6 自重+高水位波托力+桩基水平力(抽水，封底混凝土厚2m)；⑦工况7 自重+低水位波托力+桩基水平力(抽水，封底混凝土厚2m)。

计算得工况1～7下封底混凝土最大应力分别为0.667，0.266，1.470，0.375，0.208，0.865，0.447MPa，最大竖向合力分别为41，-55，41，-55，25，25，-18kN，以工况3为例，封底混凝土顶面与底面应力云图如图5所示。

图5 工况3封底混凝土应力云图(单位：Pa)

3 不同因素对渗水的影响

3.1 荷载作用

1)仅在竖向荷载作用下，封底混凝土应力水平较低，对渗水影响较小。

2)桩基水平力对钢护筒周围混凝土局部应力的影响较大，腰梁水平力对迎水面混凝土及钢护筒周围混凝土局部应力的影响较大，易引起局部开裂，导致渗水。

3)封底混凝土开裂面与抽水后混凝土在竖向荷载和水平荷载共同作用下的应力分布较类似，易引起斜裂缝，导致渗水。

3.2 拉压杆和吊杆卸载影响

1)封底混凝土浇筑时，在底板上共布置56根拉压杆及20根吊杆，用于承担钢吊箱及封底混凝土自重、波托力与波吸力作用，有效降低局部应力，防水开裂，避免渗水。

2)抽水完成后割除拉压杆和吊杆，内力释放，使封底混凝土形成附加应力，混凝土与钢护筒筒壁及钢吊箱内壁接触紧密，避免渗水。

3.3 施工质量问题

1)钢吊箱腰梁底板与钢管桩钢护筒间采用抱箍封孔，由于钢管桩在波浪力作用下水平晃动，底板在波托力及波吸力作用下上下起伏，封孔质量存在问题，导致封孔处出现射水现象。

2)现场采用沙袋堵孔，虽减少了底部射水现象，但仍存在水流，封底混凝土质量仍较低，且减小了封底混凝土有效厚度。

3)钢护筒周围封底混凝土拉应力水平较高，在封底混凝土质量降低及有效厚度减少的情况下易发生破坏，钢护筒周围首先出现渗水现象，随着桩基的晃动渗水越来越严重。

4)渗水后，钢护筒和封底混凝土间的约束减弱，混凝土浇筑木板在钢护筒处支撑减弱，跨度增大，导致混凝土沿着应力较大的区域开裂。

4 渗水桥墩防渗措施

4.1 排水

沿裂缝区域凿出20cm深排水沟，排水沟上铺钢板封盖，将渗水通过暗沟强排，壁体开孔通向外侧连通钢管，防止承台混凝土在强度增加过程中受海水侵蚀，排水量约30m3/h。

4.2 拉压杆转换

对已割除的拉压杆进行体系转换。由于前期封底混凝土浇筑高度约2m，故需凿除部分钢护筒周围混凝土(凿除过程中渗水变多)，确保拉压杆牛腿不进入承台钢筋区域。

4.3 加装支撑架

在4根钢护筒上安装支撑架，采用HN900×300×16×28型钢横梁，横梁与钢吊箱壁体及内支撑连接，内支撑抄垫连接时段选择在最高水位。整个支撑架施加4 900kN的向上预顶力。

4.4 增加承台混凝土浇筑次数

将承台混凝土浇筑次数由原来的2次增至3次，浇筑厚度分别为0.8，0.8，2.4m。计划低水位开始浇筑，高水位浇筑完成(8h内浇筑完成)，并将混凝土缓凝时间缩短至10h。

5 未下放桥墩防渗措施

1)在钢护筒周围底板上焊接竖向φ28mm短钢筋，增加底板与封底混凝土之间的黏结力。

2)钢吊箱腰梁下放到位后，除焊接拉压杆、吊杆外，增焊钢护筒横联，加强结构整体刚度。

3)封底混凝土改为2次浇筑，首层封底混凝土厚1.5m(便于焊接封底混凝土内钢护筒横联，并保证第2层封底混凝土质量)，第2层封底混凝土厚0.5m。

4)在1.5m厚封底混凝土顶面焊接钢护筒横联，增加结构整体刚度。

5)在横联上铺设钢筋网片，在第2层封底混凝土范围内钢护筒四周焊接剪力钉，增加钢护筒与封底混凝土之间的黏结力。

6)对拉压杆和吊杆进行体系转换但不割除(原设计不考虑转换)，待第2层封底混凝土达到设计强度后、承台钢筋绑扎前割除拉压杆和吊杆。

采取防渗措施后，20～22号钢吊箱封底混凝土均未出现渗水现象，结构稳定可靠，可知防渗措施有效解决了水下高桩桥墩封底混凝土渗水问题。

6 结语

以援马尔代夫中马友谊大桥为依托，由于该桥水下钢管桩尺寸大且受力复杂，因此对其承受的荷载、位移进行计算。选取7种具有代表性的工况，采用有限元软件ANSYS对钢箱梁及封底混凝土进行数值模拟分析。根据现场勘察及计算结果，针对渗水桥墩和未下放桥墩提出不同的防渗措施，渗水桥墩防渗措施包括排水、拉压杆转换、加装支撑架、增加承台混凝土浇筑次数等，未下放桥墩防渗措施包括在钢护筒周围底板上焊接竖向短钢筋、在横联上铺设钢筋网片等。工程实践表明，本文采取的防渗措施达到良好防渗效果，可为类似工程提供参考。