锁口钢管桩围堰的应用

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一、锁口钢管桩围堰的选用
    斜拉桥主塔墩承台 40m X 20m，厚 5.5m。承台处水深 3～6m，流速1.l～1.3m/s，承台底在水下约10m，在覆盖层内埋深约7m。钻孔桩施工和地质钻探揭示在承台埋深的地层中有一条木质沉船，船内有片石，约占承台面积1/3。方形承台内有本身的钢筋和型钢劲性骨架，有主塔两塔肢（各为 7m X 10m）的劲性骨架和钢筋锚固在承台内，加上降温水管和架立撑，其密集程度令围堰水平支撑难以通过。该桥的边墩 25m x 17m，厚3.5m。承台处水深6～7m，承台底在水下约10m，在覆盖层内埋深3～4m。由于承台在山脚下，山下岩石掉落在此处，故土层中孤石密集。这两承台施工围堰必须能通过地层内的障碍物，且承台内不能有支撑，在灌筑塔身和墩身前，围堰顶的支撑能拆除。
    水库中在旧铁路桥旁新建一钢衍梁桥。其中主桥两端的桥墩坐落在旧桥台片石构缝的锥体护坡上。由于老桥台后为高填土，台前堆砌防倾片石，水库蓄水后将其淹没。锥体护坡下为填筑的亚粘土厚约3m，填土下为砾石土，承台底在砾石土内，为了清除片石，围堰内必须排水干挖。且钢支撑不能埋入承台内。
    以上承台的围堰施工工期紧迫，且无大型起吊设备。根据上述条件，对常用的围堰进行了比选。
    钢板桩围堰。钢板桩插打和吊装不需大型起吊和下沉设备。但由于其截面特性，限制了应用[1]。上述围堰内支撑间距密集到1.5～2.0m。由于其截面是敞口，在孤石和片石地层中插打，下端极易出卷边或被撕步到，造成围堰不能止水，延误工期，影响承台质量。
    双壁铜围堰，它自70年代九江长江大桥首次采用在钻孔桩基础施工后，由于其整体性。刚度和强度大、围堰内无支撑、止水效果、抽水水头、抗水流冲击力和波浪袭击都较其他围堰优越。所以广泛应用于深水钻孔灌注桩基础施工中。但它体积庞大，需大型起吊设备。在覆盖层下沉亦需较多设备，且下沉速度比桩要慢，若遇土层中障碍物，必须水中在刃脚下清除，势必影响工期。双壁铜壳在墩身出水后，承台顶以上部分可切割回收或倒用，以下部分不能取出[1]。
    钻孔桩围堰。它是在深水基础施工中钢板桩和钻孔桩并举的围堰[2]。它在复杂地层中做围堰穿透能力强，围堰内无支撑、止水效果好。但须先做钢板桩围堰，在板桩围堰内填土筑岛，在岛上板桩内缘做深基坑护壁钻孔桩，桩顶设圈梁，再开挖基坑等；工序多，设备多，时间长，造价高，不适用上述承台围堰。
    方形板桩围堰，我处曾将双壁铜围堰竖向分条，做成方形板桩，以适应某些无大型起吊运输设备和河床覆盖层内下沉双壁铜围堰困难的地方。这种板桩刚度大，围堰内支撑少，借助锤击，下沉速度快。它组成的围堰介于钢板桩和双壁铜围堰之间。我们曾用这种板桩在有片石和孤石地层内锤击下沉做围堰，下沉十分困难，拔出来检查；刃脚凸凹不平，下端贴焊在骨架上的钢板脱皮、撕裂和卷曲，骨架有的扭曲变形。这种壳体极桩在土层要占用一定的空间，将障碍物、孤石、片石劈裂、挤开是困难的，故也不适用。
    1956-1957年在前苏联专家指导下，由大桥局主持，大桥一处负责做过装配式钢筋混凝土锁口管柱试验。并将这一成果应用在丹江水库大坝的防渗墙基础中，达到了防渗要求。当时还想将这一新技术推广应用到水利工程中的大坝防渗墙、码头岸墙、码头基础和桥梁基础。由于混凝土抗拉性能差，钢筋混凝土锁口管柱制造工艺要求高，加上当时国家钢材缺乏的制约，这一技术未继续进行研究和应用。
    日本把锁口钢管桩（日本叫钢管板桩）的新技术广泛应用在岸墙、护岸、防波堤、围堰、挡土墙基础等工程中，于1981年编制了《钢管板桩井筒基础的设计和施工》。 
    对钢管桩能否穿过水下地层中的障碍物、孤石和片石，我处在多座桥的施工栈桥搭设中，插打钢管桩较多，对其设计和施工具有一定的经验。
    鉴于前面所述，我们选用了锁口钢管桩做这几个承台的施工围堰。
    二、锁口钢管桩围堰的设计与施工
    1．设计
    围堰设计实际上是：①计算围堰内挖土和抽水时钢管植和支撑中的应力是否安全；②确定围堰内封底混凝土的强度和厚度必确定锁口的形式，使其能注浆止水。确保锁口在复杂受力状态下不被破坏；④围堰在水流、风力、波浪作用下抗倾覆性检算。
    （1）围堰设计程序
    a．设计资料收集。如气象、水文、地质等资料，还有加工制造、运输、吊装、桩锤等有关数据。
    b．资料中的围堰设计参数计算。如风力、水流、波浪、土压力系数。
    c．确定施工顺序。如对围堰支撑的要求，是水中去土，还是干挖。这一程序是关系围堰侧压力计算，很重要。两种施工顺序见图1。
    d．绘出围堰总图。拟定钢管桩直径，锁口形式，支撑间距及平面布置，绘于总图中。
    e．围堰侧压力计算。进一步求出每米宽围堰的弯短和支撑反力。
    f．按以锁口中心宽度换算成每根管桩的弯矩和支撑反力，检算桩的应力，设计或检算支撑。
    g．按锤击沉桩的锤击力及允许的施工误差设计锁口。
    h．计算作用在围堰的风力、水流力、波浪力，检算围堰的抗倾覆的稳定性。
    （2）两种施工顺序的围堰布置方式见（图2图3）
    （3）设计要点简介
    a．钢管桩的截面选择。它是围堰受力主要部件。初拟钢管截面尺寸必须符合《钢结构设计规范》（GBJ17－88）的规定：钢管（直）径（壁）厚比的要求。 fy为钢材屈服强度。A3钢D/t≤100。在保证钢管总体稳定性前提下，因要穿过密集孤面、片石堆积和木质沉船，为防止在柴油锤的强击、偏打、桩帽接触不良及桩垫材料恶化等造成桩端部出现"灯?quot;式压曲或局部压曲，故在管桩下端要贴焊定钢板补强，补强板的厚度与原管壁叠合后的径厚比D/t≤0.8 X 50＝ 40。D/t＜50是研究数据，0.8是两层叠合板的折减系数。
    b．钢管桩的支点处理。钢管桩与围堰支撑的水平圈梁接触处防止钢管压曲办法是：①钢管内加钢环；②填早强砂浆或有圆弧面的木垫块，使集中力变均布荷载。然后按有关公式检算钢环或管壁强度。钢管与封底混凝土接触处要作两点处理：①接触处弯矩峰值很高，要按照连续梁在支座处削减负弯矩峰值办法进行。即Me=M－Rl/8，式中，M，R，L分别是封底混凝土处弯矩、支反力、厚度；②按均布荷载q＝R/l检算管壁强度，若不够：a．如管桩不拔除，则在管桩吸泥，灌注混凝土；b．如管桩要拔除倒用，则如图4所示，做成双壁圆筒。
    C．封底混凝土的厚度。低强度混凝土，在抗静水压力和承托承台新鲜混凝土重力时要增加厚度，则相应增加基底开挖量，增加钢管桩长度；若提高混凝土标号，厚度减薄，开挖量减少，桩规少。所以应尽量提高混凝土的标号，减薄混凝土厚度。注意厚度是削减弯矩值参数之一，要兼顾这个因素。
    d．围堰支撑主要功能是支撑围堰外侧压力的。在设计时应增加两个功能：①在围堰内封底混凝土之前，作用围堰上的风力、水流力、波浪力应通过支撑传给钻孔灌注桩的钢炉筒上；②大体积承台的围堰，支撑应兼做脚手架，承受竖向荷载。 
    e．锁口的设计。锁口能否止水是围堰成败的关键之一。为保证锁口能止水：①要保证锁口有足够强度不开裂。对锁口强度检算主要是受力分析难。笔者认可这样假定的：a．两根桩在同一平面内对称倾斜1/100，造成锁口一端受拉，一端受压； b．在平面外，两根桩相反方向各倾斜1/100，锁口受弯、扭、剪；C．一根下沉带动相邻桩下沉，锁口受剪；d．管桩锤击下沉时旋转使锁口受扭，旋转力按锤击力的10％。以上各计算力的大小时均以锤击力为基数。 
    ②要使锁口有空腔可灌浆堵漏。按图5所示"L-T"形锁口较好。
    f．围堰在封底混凝土后抗倾覆力计算时要考虑锁口内浆体粘着力，封底混凝土与围堰外侧压力对桩端的嵌固力。
    2．锁口钢管桩围堰的施工
    （1）在钻孔灌注桩施工平台周边安装导向架。设上、下两层，力争高精度控制桩的倾斜。
    （2）在导向架上按理论尺寸放线定出各桩的位置，在导向架内插入桩，用震动打桩机下沉到设计标高。若高位止桩，查阅地质资料，如遇到沉船、孤石、片石等地段，用吊机将柴油锤套在桩顶，将桩锤击到位。
    （3）锁口内射水冲洗灌注粘土水泥浆，为了阻止碎石和硬上进入锁口，在桩下插前于锁口槽口下端先焊坡度1:6的挡板。
    （4）按设计要求安装围堰支撑。
    （5）围堰内开挖。泥土用抓斗冲抓或射水吸泥。沉船用冲击钻机和旋转钻机破碎，船梆的大方木由潜水工人水下切割。孤石由潜水工水下作业消除。片石因堆砌整齐，且用砂浆钩缝，故在于挖时用钢纤凿开或用撬棍撬松，人工清除。
    （6）在封底混凝土后灌筑承台、塔肢或墩身。
    （7）钢管桩的拔除。在用震动打桩机震松锁口的浆体后，用液压千斤顶顶出。
    三、锁口钢管桩围堰的特点及应用前景
    1．特点
    通过施工，达到了设计的目的，也加深了对这一决策的认识，归纳起来，我们认为有如下特点：
    （1）锁口钢管桩虽一次性投入大，但是设备式投入，可重复使用，还是经济的。
    （2）适应于各种复杂地质、地层，如水下地层有障碍物，密集孤石，片石堆积等。
    （3）施工速度快。制作、加工、运输、吊插、下沉等方便灵活，工艺简单，所需设备少。
    （4）可根据需要，组装成各种形式的围堰。
    （5）截面刚度大，使围堰内支撑减少，可适应大体积承台的施工。
    其缺点是我们现在使用锁口简槽与荷头截面积不等，造成锁口钢管桩不对称，故易产生倾斜。
    2．应用前景
    现在市场钢材充足，为锁口钢管桩围堰的应用提供了广阔的前景。我们现在设计施工的围堰只是荷叶才露出尖角，它可以应用到：
    （1）深水基础围堰中。完善研究锁口灌浆工艺，发挥锁口灌浆后的组合效应，并增加一些辅助措施，如桩顶圈梁，是可以做到的。
    （2）做桥梁薄壁沉井式基础。在围堰增加一些锁口钢管桩隔墙即形式沉井，在覆盖层深的地方，桩只需进入持力层，在覆盖层薄的地方，桩沉到基岩层，桩内做钻孔灌注桩，将基础锚固在基岩内可防冲刷、防滑移。施工速度比下沉沉井快，基础形式还可灵活多变。
    （3）水利工程、码头工程、海港的岸墙、护岸、防波堤、码头等工程。只要在锁口钢管桩的钢材里添加铜元素，增加抗浸蚀能力。 
    （4）工民建基础的深基坑支护及围堰。只要是作为设备式投入，充分发挥其抗水平力能力。
    在钢材匾乏时间，做装配式钢筋混凝土锁口管柱试验。在新世纪里，这一新技术将像钻孔灌注桩那样在建筑工程得到广泛应用。