深覆蓋砂卵石層鋼板樁圍堰模擬施工試驗研究

田仲初 丁濱陽 羅聿曼 羅朝華 叢培 湯宇

1.長沙理工大學土木工程學院，長沙 410114；2.中鐵五局集團第一工程有限責任公司，長沙 410000

鋼板樁圍堰通常作為阻水支護結構來確保橋梁承臺基礎施工的安全穩定性，在我國跨江、跨河的橋梁基礎施工中應用廣泛。與雙壁鋼圍堰和鋼套箱相比，鋼板樁圍堰操作簡單，施工所用材料和機械設備少，具有強度高、重量輕、占地少、成本低、施工質量易于控制等優點［1-3］，但在超大卵石和堅硬地層難以插打到位。利用高壓射水、旋挖鉆引孔、靜壓植樁等技術能夠解決復雜地質條件下鋼板樁難以插打到位這一問題［4］，但對于含有大粒徑孤石或漂石的深覆蓋砂卵石層［5-9］，尚未有合適的方法解決此類問題。

為突破鋼板樁圍堰在深覆蓋砂卵石層地質條件下施工的技術瓶頸，本文通過對寧夏黃河流域分層隨機篩選卵石樣本進行幾何特征量測統計和材料力學性能試驗，探明天然狀態下砂卵石地質層的空間分布規律和力學特性。結合分形結構理論描述自然沉降堆積形成的砂卵石土的顆粒級配問題，采用人工放大天然砂卵石級配模擬最不利砂卵石土層的方法，結合高壓射水、引孔及砂卵石覆蓋層內引孔爆破相結合等技術手段［10］，開展現場鋼板樁插打試驗，研究鋼板樁的插打對周邊土體的擠壓作用，分析不同插打方案的施工效率，最終形成深覆蓋層鋼板樁圍堰施工技術理論。

1 工程概況

1.1 工程背景

鎮羅黃河特大橋位于寧夏回族自治區中衛市沙坡頭區境內，全長1 289 m，主橋跨徑為（55+6×90+55）m，主橋結構形式為單箱單室鋼-混組合梁連續梁橋，橋梁基礎采用樁基礎，最大樁長75 m，均為摩擦樁，墩柱為矩形實心片墩。主橋8#—13#墩位于黃河中，水中承臺采用鋼板樁圍堰施工工藝，鋼板樁單根長15 m，圍堰平面尺寸為28.8 m（橫橋向）×10.4 m（順橋向）。水中橋墩位于砂卵石覆蓋層上，覆蓋層深度超過20 m，且存在部分大粒徑孤石和漂石，增大了鋼板樁圍堰施工難度。因此，在橋址原位建立鋼板樁圍堰縮尺模型，開展現場鋼板樁插打試驗，探求深覆蓋砂卵石層下鋼板樁圍堰施工技術方案。

1.2 地質條件

試驗場地位于鎮羅黃河特大橋南岸附近。根據本次工程地質調繪及勘探揭露，橋址區地層結構較為復雜，地層自上而下分為0.8~2.5 m粉質黏土層夾1.4~1.5 m細砂層，4.6~22.9 m卵石層夾0.8~2.5 m粉質黏土、1.4 ~ 1.5 m 細砂層。卵石層為青灰色，成分主要以砂巖為主，砂質及黏性土充填，卵石層飽和、密實、卵石含量60%左右，呈亞圓形，粒徑為1 ~40 cm。

隨機選取橋址附近不同尺寸的卵石制成標準試件進行力學性能試驗，得到卵石最大抗拉、抗壓和抗剪強度分別為202.14、329.21、14.20 MPa。

2 試驗內容

2.1 試驗模型設計

為研究深覆蓋砂卵石地質層對鋼板樁圍堰施工的影響，建立尺寸為8 m（長）×3 m（寬）×5 m（高）的鋼板樁圍堰縮尺模型，模型底部采用C20 混凝土進行封底。采用36a 型槽鋼將模型平面分隔成三個區域（圖1），每個區域分別回填不同級配的砂卵石集料。因在區域三內進行爆破試驗，應對其進行局部加強，避免爆破沖擊波對鋼板樁圍堰縮尺模型造成破壞。

圖1 鋼板樁圍堰縮尺模型現場

2.2 砂卵石級配設計

為模擬砂卵石復雜地質條件，對橋址附近的土層鉆孔取樣，鉆孔深度20 m，得到卵石最大粒徑分布見圖2。可知，卵石最大粒徑沿深度方向符合截尾正態分布，人工配制砂卵石集料可依據這種分布規律。

圖2 橋址地質取樣卵石最大粒徑分布

結合分形結構理論描述自然沉降堆積形成的砂卵石土的顆粒級配問題，對砂卵石集料級配進行人工配制。為模擬天然砂卵石地質層分布情況，將三個區域內砂卵石土層沿深度方向分為5 個區間，在每個區間內回填不同級配的砂卵石集料，具體級配見表1。

表1 各區域內砂卵石集料集配

2.3 測量內容與方法

為研究砂卵石土層對鋼板樁施工的影響，對土壓力和插打時間進行量測，結合現場所測數據計算鋼板樁圍堰施工效率。采用鋼弦式土壓力盒測量土壓力，通過無線采集系統記錄數據。土壓力盒埋設前首先確定初始頻率f0，得到每個土壓力盒初始頻率，試驗時通過測試土壓力盒頻率f′，并根據標定的系數k和土壓力公式p=(f′2-f20)k，得到作用在土壓力盒表面的平均應力。在鋼板樁圍堰縮尺模型中布置土壓力盒，測點布置立面見圖3。

圖3 土壓力測點布置立面（單位：cm）

試驗開始前用紅色油漆在鋼板樁上進行刻度標記，試驗過程中采用秒表計時器記錄鋼板樁每打入0.5 m所需要的時間。

2.4 試驗方案

結合現有不同鋼板樁施工技術，通過改良和創新設計三種試驗方案，對覆蓋砂卵石層的鋼板樁圍堰施工技術進行研究。

2.4.1 方案1

采用履帶型吊機配合液壓振動錘對試驗槽砂卵石層進行鋼板樁插打，鋼板樁插打位置在試驗區域中間。

2.4.2 方案2

對鋼板樁端部進行改良，結合高壓射水系統輔助沉樁。改良型鋼板樁高壓射水系統由三部分部分組成，包括改良后拉森鋼板樁（母樁）、三根高壓射水管、高壓水泵。其主要工作原理是：三根高壓射水管分布于母樁的U 形內部底面及側翼兩邊，在鋼板樁圍堰施工時，先用打樁機振動錘將母樁插打至設計標高，在高壓射水系統和母樁的共同作用下，減小土層對鋼板樁的阻礙，然后緩慢拔除母樁。完成母樁打設引孔后，開始常規鋼板樁施工。利用振動錘將常規鋼板樁垂直打入母樁打設過的位置，在整個鋼板樁打入過程中只需在母樁上安裝高壓射水管，因此在實際施工過程中可縮短施工周期。

鋼板樁改良方法為：將三塊鋼板分別焊接在鋼板樁端部，并且用一塊三角形鋼板將鋼板樁與端部焊接鋼板連接起來（圖4），加強焊接后鋼板樁端部的剛度，形成類似于沖擊鉆頭的樁端，減小鋼板樁與卵石的接觸面，從而減小土層的側摩阻力，有效沖開卵石，以便常規鋼板樁的插打。

圖4 改良鋼板樁端部（單位：mm）

2.4.3 方案3

方案1 和方案2 均為常規方法，本文提出的一種施工技術，即方案3。將大粒徑孤石人工布置于致密級砂卵石集料試驗槽內。在鋼板樁打入過程中遇到大粒徑孤石無法繼續插打時，先拔出鋼板樁，利用地質鉆機配合鋼套管對覆蓋層下的孤石進行鉆孔。由于本次試驗是人工布置孤石，因此能夠較為準確地鉆進到孤石內部約2∕3 的高度。實際工程中如遇復雜的地質條件，施工人員可以通過地質雷達或CT 掃描儀對覆蓋層下的孤石進行精確定位。通過PVC 套管從地面將乳化炸藥輸進鉆孔內指定深度。為防止乳化炸藥上浮，對炸藥包進行配重處理，使得炸藥順利下沉至孔底。待裝藥完畢后，選用直徑小于8 mm 的細石填滿炮孔，隨即引爆炸藥，利用炸藥爆炸產生的能量將孤石破碎、解體，然后繼續打設鋼板樁。

2.5 炸藥用量計算與數值模擬

2.5.1 炸藥用量計算

關于水下爆破炸藥單耗，可采用工程經驗方法、日本炸藥協會公式、瑞典設計方法以及JTS 204—2008《水運工程爆破技術規范》4 種方法計算［11］。瑞典設計方法考慮相對全面，能夠較好地解決水下爆破水深對爆破效應影響帶來的計算精度問題。因此本文基于瑞典設計方法進行計算，其單耗計算公式為

式中：q為炸藥單耗；q1為基本裝藥量，是一般陸地梯段爆破的2 倍，對于水下垂直鉆孔，再增加10%，根據前期卵石樣本抗壓強度測試，一般陸地梯段爆破取0.8 kg∕m3；q2為爆區上方水壓增量，q2=0.01h2，h2為水深；q3為爆區上方覆蓋層增量，q3=0.02h3，h3為覆蓋層（淤泥或土、砂）厚度；q4為巖石膨脹增量，q4=0.03h，h為梯段高度。

根據式（1）計算得到本次爆破試驗炸藥用量為0.7 kg。

2.5.2 數值模擬

由于方案3要求在鋼板樁試驗模型致密級砂卵石集料區域內進行爆破。為保證試驗順利進行，對炸藥用量進行計算，同時采用MIDAS GTS NX 軟件對試驗方案3槽內爆破進行有限元模擬。槽外土體與槽內回填密實卵石均視作彈塑性材料。采用Mohr?Coulomb準則作為彈塑性材料的屈服準則；鋼板樁和內支撐分別用板單元、1D 梁單元模擬。為減少計算誤差，整體有限元模型計算范圍取試驗槽的3~5 倍，即模型尺寸取24 m × 15 m × 15 m。在整體模型底部與側面施加黏性邊界來模擬無限遠邊界環境，用以吸收爆破產生的能量。整體三維有限元模型視為無炮孔模型，將爆破荷載等效為時程荷載加載于槽內卵石實體單元面上，驗證支護結構在爆破荷載作用下的可靠性，確保引孔爆破試驗安全穩定。

結構應力見圖5。可知，在施加等效的動力荷載作用下，鋼板樁最大應力為16.1 MPa，支護結構內支撐最大應力為18.6 MPa，均小于GB 50017—2014《鋼結構設計規范》中所要求的最大容許值215 MPa。本次引孔爆破試驗炸藥用量計算取值偏安全，保證了已有支護結構在爆破作用后仍處于安全服役狀態。

圖5 結構應力

3 試驗結果分析

3.1 試驗模型樁墻側向土壓力分析

為使鋼板樁變形穩定及土壓力量測準確，試驗數據均在每種試驗方案完成5 min 后采集，利用無線監測系統對土壓力盒進行讀數。每插打0.5 m 測量一次數據，得到各測點在鋼板樁插打過程中土壓力沿深度的分布規律。以打設前所測值為初始值進行分析，便于研究打設及使用過程中鋼板樁由于受土體作用而產生的內力變化規律。

采用方案1 和方案2 在疏密級砂卵石集料中進行鋼板樁插打，得到土壓力變化曲線，見圖6。

圖6 方案1和方案2在疏密級砂卵石集料下土壓力變化曲線

由圖6 可知，試驗模型樁墻側向土壓力呈弧狀分布，方案2減小了施工過程中土體對鋼板樁的阻礙，樁墻側向土壓力明顯減小，提高了鋼板樁的施工效率。

采用試驗方案1在中密級砂卵石集料和致密級砂卵石集料中進行鋼板樁插打，得到不同砂卵石級配下樁墻側向土壓力曲線見圖7。

圖7 方案1在兩種不同砂卵石集料下樁墻側向土壓力曲線

由圖7可知，與中密級砂卵石集料中相比，試驗方案1在致密級砂卵石集料中進行鋼板樁插打試驗時土壓力明顯增加，增大了土體對鋼板樁的阻礙作用，鋼板樁插打難度變大。

3.2 鋼板樁施工效率分析

為研究三種方案下鋼板樁的施工效率，在致密級砂卵石集料中進行鋼板樁插打試驗，利用秒表計時器記錄鋼板樁每打入0.5 m 所需要的時間。不同試驗方案下鋼板樁插打效率對比見圖8。

由圖8 可知，方案1 中鋼板樁插打時沒有采取任何輔助措施，施工效率比其他兩種施工方法低。方案2 通過對鋼板樁進行改良后，施工效率有所提高。而方案3 中采用引孔爆破相結合的施工方法，對2~3 m埋深的大粒徑孤石進行爆破后，爆破能量使得砂卵石土層有所松動，使得鋼板樁在深度3 m 以下插打效率明顯提高。

圖8 不同試驗方案在致密級集料中鋼板樁插打效率對比

4 結論

1）在自然沉降堆積形成的疏密級砂卵石級配條件下，鋼板樁圍堰施工方案是可行的，相較于鋼套箱方案效率更高，經濟合理。

2）由于深覆蓋砂卵石層不利的施工條件，傳統的施工插打工效低，改良鋼板樁結合高壓射水輔助沉樁的方案可通過高壓水泵配合水管將土層沖刷松散，達到高效沉樁目的。

3）在致密砂卵石級配且存在大粒徑孤石的地質條件下，可采用引孔爆破相結合的輔助沉樁方法。