水中围堰封底混凝土厚度的理论分析与验证

徐立生, 黄继辉, 陈小羊, 张浩

(1.中建海峡建设发展有限公司, 福建 福州 350015;2.福建船政交通职业学院, 福建 福州 350007;3.中建七局 交通建设有限公司, 河南 郑州 450004)

水中建(构)筑物施工中,为保证安全和施工的顺利进行,一般先修筑围堰,待围堰修筑完成后再进行下一步作业。钢板桩围堰以其强度高、施工简单、可重复使用等优点在工程建设中得到广泛应用。钢板桩打设完成、抽水完成后进行封底作业。

封底作业作为围堰施工的一道重要工序,如何确定封底混凝土厚度是工程实践中的难点。方诗圣等通过建立三维有限元模型,分析了桩基间距及钢护筒直径对钢围堰封底混凝土与桩基钢护筒之间黏结力的影响[1]。王明慧等对大水位差下钢吊箱围堰封底混凝土厚度进行优化设计,根据需要同时满足抗浮和抗沉的需求对封底混凝土厚度进行理论计算,确定了合理厚度值[2]。黄铮通过对比不同模型下围堰整体应力与位移、封底混凝土的应力与位移,确定了最佳封底混凝土厚度,提出了矩形单壁钢套型围堰封底混凝土经验公式[3]。赫宏伟以银西(银川—西安)高速铁路黄河机场特大桥主墩围堰施工为例,分析封底混凝土应力分布,并进行混凝土扩展度试验,得到了混凝土的最大拉应力[4]。郭成刚以沪昆(上海—昆明)客运专线沅江大桥深水基础大直径双壁钢围堰施工为例,介绍了围堰封底混凝土厚度计算和封底混凝土的施工组织[5]。张静结合某桥梁的特点,从理论和有限元角度分析了围堰封底混凝土厚度计算方法[6]。文献[7-11]也对封底混凝土厚度进行了研究。目前的研究基本上是从克服混凝土的上浮及混凝土板应力满足要求等角度确定封底混凝土厚度,较少考虑水头损失对封底混凝土厚度的影响。本文从水土压力统一计算理论出发,通过理论分析确定水头损失计算方法,分析土体参数对水头损失的影响,并进行工程实例应用,分析封底混凝土所需厚度。

1 土层水头损失理论分析

1.1 理论分析

借鉴文献[12]设计的理想模型试验,并引申到渗透试验中。如图1所示,点C为开设的一个小孔,该小孔足够小,土颗粒无法流出;假定土层顶面水位高度为h1,饱和土体高度为1+e,宽度为1,土体竖向渗透系数为ky。

图1 理想模型试验示意图

假定从点B到点C的土体水头损失为ΔhBC,单位长度的水头损失系数为ξ,则ΔhBC可表示为:

ΔhBC=ξ(1+e)

(1)

考虑土体水头损失,点C的水流速度可表示为:

(2)

依据伯努利方程,考虑水头损失,点C的速度可表示为:

(3)

联合式(2)和式(3),得:

ξ=

(4)

令g=10 N/kg,式(4)变为:

(5)

将式(5)扩展到实际工程中,假定渗流经过的土体高度为h2,将h2取代1+e,得:

(6)

从式(6)来看,水头损失系数ξ可表示为土层顶面水位高度h1、土体高度h2及渗透系数ky的函数,其关系见图2。

图2 ξ与h1、h2及ky的关系示意图

从图2可以看出:水头损失系数ξ随着水位高度h1的增加而增加;随着h2的增加而减小,但下降幅度随着h2的增加有所减缓;渗透系数ky对水头损失系数ξ的影响不大。

1.2 合理性验证

通过常水头土体渗透试验验证上述水头损失系数ξ计算方法的合理性。试验采用TST-70型渗透仪,试样土体参数见表1。试验结果见表2。

表1 试样土体参数

表2 常水头土体渗透试验结果

将ky、h1、e的值代入式(5),得:

(7)

从式(7)来看,试验结果与分析结果之间吻合较好,上述水头损失系数ξ计算方法合理。

2 工程应用实例

武荣大桥位于福建南安市霞美镇和丰州镇,总长约2.23 km。主桥长度约 1.29 km,设计速度为60 km/h;引桥长度为0.94 km,设计速度为40 km/h。桥面总宽为54.50 m,采用双幅桥布置。主桥上部结构为3×60 m+3×60 m等截面预应力混凝土现浇箱梁,截面为单箱三室,高度为3.60 m;顶板厚度为28.00 cm,底板厚度为22.00 cm,采用C50混凝土。下部结构中,桥墩为Y字形墩,采用C40混凝土;承台高度为4.00 m,采用C40混凝土;基础为C30水下混凝土钻孔灌注桩,桩径为1 800 mm。引桥段上部结构为预应力混凝土连续箱梁,单跨为30 m;桥墩为Y字形墩,采用C40混凝土;桥墩承台高度为4.00 m;基础为φ1 800 mm钻孔灌注桩,采用C30水下混凝土。

桩基全部为水下桩基,水位深度为7.00 m。水中围堰长和宽均为10.50 m(见图3),围护结构为18 m拉森钢板桩,插入土层以下11.00 m。围檩结构共分3层,围檩之间的间距及型号见图3。

图3 围堰示意图(单位:标高为m,其他为cm)

拉森钢板桩从上往下穿越土层依次为中砂层及砂砾层,土层的物理、力学参数见表3。

表3 土体的物理、力学参数

考虑最危险状况,只考虑中砂层对水头的减损作用,将参数值代入式(6),得:

(8)

基坑底部冒出的水体水头高度为:

H=7.00+5.40-2.54×4.56=0.82 m

(9)

实际施工中,考虑到基坑水体无法彻底抽干及混凝土浇筑完成后不再抽水会对混凝土产生浮力,为安全起见,混凝土密度采用浮密度,其值为1 400 kg/m3,封底混凝土高度取2 m,安全系数为:

(10)

安全系数大于1,说明如果将围堰里的水抽干后再进行混凝土封底,2 m厚度封底混凝土能满足相关要求。原施工方案采用水下灌注施工方式,考虑到施工中既要保证施工过程的安全,防止涌水造成坑底破坏,又要考虑施工成本,采用水下灌注和抽干水后灌注相结合的方式,两种灌注方式的高度均为1 m,在保证安全的同时,保证灌注表面的平整度,取得了良好效果。

为验证上述方案的适用性,收集部分水中围堰所处地层的土体参数及围护结构的几何参数等数据,按式(8)计算水头损失系数,据此计算基坑底部的水头高度,进而得出封底混凝土厚度(见表4)。

表4 计算封底混凝土厚度与实际封底混凝土厚度对比

3 结语

水中围堰施工中,封底混凝土厚度与水头密切相关,目前采用的计算方法较少考虑水头损失。本文通过理论分析得到水头损失系数可以表示为水位高度、土体高度和渗透系数的函数,其值随着水位高度的增加而增加,渗透系数对水头损失的影响不大。实际工程应用中,须考虑基坑中水位不能全部抽干及底板完成后要进行回灌等实际情况综合确定相关参数的取值。