海域深水软厚弱覆盖层桩基钢护筒参数设计_张小聪.pdf

福建交通科技2023年第1期近年，钻孔灌注桩已具备高度机械化作业、实施简易快捷、工艺流程完善、安全可靠等优点，广泛应用于桩基施工中。钻孔开挖施工工艺一般要求包括：（1）内埋护筒，以起到桩基定位作用；（2）孔中支护，以避免地面岩石落入孔内；（3）提高孔内泥浆密度，通过形成静水压力,防止孔内坍塌，保障孔内安全；（4）指示钻孔方位。护筒一般采用钢板卷材制作，钢护筒设计参数有埋深、内径和壁厚。陆地上埋置钢护筒设计较为常规，规范也给出了明确的规定。而对于深水厚软弱覆盖层条件下埋置钢护筒，规范对埋深仅要求应经过计算确定，但如何计算则未详述；对内径虽列出了计算公式，但计算结果与多数项目的实践经验偏差较大；对壁厚的要求也较为笼统。基于此，本文将结合实际工程，对埋深、内径及壁厚的参数设计进行探讨。1埋深设计1.1埋深理论计算探讨在深水中设置护筒时，其定位的准确性较陆地上差，施工难度也更大，所以钢护筒必须保证有足够的埋深，否则在护筒内外压力差的作用下，护筒底部易出现“反穿孔”的现象（图1），即护筒内的泥浆从护筒底向外持续渗出，导致护壁坍塌。从保障孔内安全，防止孔内坍塌的角度分析，护筒埋设深度越深，孔桩稳定性越好，经济性越差（图2）。因此，应在保证安全并减少造价的情况下，依据相应规范对护筒埋设深度进行探讨。根据JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范18.2.4第4条，“在旱地或筑岛处护筒的埋设深度宜为24 m，在水中或其他特殊情况下应考虑设计文件要求或桩位的水文、地质情况经计算确定”，21.5.2第1、2条“护筒顶端高程超过高潮水位与浪高之和以上1.02.0 m；护筒底标高应保持在高潮位水头差的条件，筒底稳定不漏浆”，以及JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范26.2.1第6条与规范1第8.2.44条的规定基本一致，对于在海域深水软厚弱覆盖层钢护筒长度如何计算，规范1-2均未作出详述。图1反穿孔现象注：1-护筒内水（泥浆）；2-护筒；3-护筒外施工水位；4-河床表面；5-护筒底端；h-护筒内水头即护筒内水位与施工水位之差，潮汐处应加泻差；H-施工水位至河床表面深度；L-护筒埋入河床深度。图2护筒埋置摘要为系统梳理海域深水软厚弱覆盖层条件下桩基钢护筒的参数规范，从理论与实际出发，通过分析、计算对埋深、内径及壁厚的参数设置、设置原则、计算原理等进行探讨。研究结果可为后续类似地质工程的桩基钢护筒参数设置提供参考。关键词深水软厚弱覆盖层钢护筒埋深内径壁厚海域深水软厚弱覆盖层桩基钢护筒参数设计张小聪（福州沈海复线高速公路有限公司，福州350005）83FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期公路施工手册桥涵（上）3对护筒的埋入原则和相关计算有了比较详尽的阐述，该手册中认为，“深水及河床软弱黏性土质、淤泥层较厚处，应尽可能下沉到不透水层粘性土内；河床内无黏性土时，应沉入到大砾石、卵石层内0.51.0 m；埋置深度可按以下公式确定”：L=（h+H）w-H0d-w（1）式（1）中：L为护筒埋置深，m；h为护筒内水头：护筒内水位与现场水位之差，m；H为现场水位至河床表面深度，m；w为现场泥浆容重，kN/m3；0为水的容重，kN/m3；d为护筒外土的饱和容重，kN/m3；d=+e1+e0（2）式（2）中：为土粒相对密度，砂土平均取2.65，粘性土平均取2.7；e为饱和土的孔隙比，砂土为0.331.0，黏性土为0.170.43，软土为12.3。当护筒跨越了多种不一样的土质时，护筒外河床土的饱和容重取平均值，即：d=idiiii（3）由于河床不匀质易引起局部渗透，为避免护筒底端向外发生流动、管涌，而造成护筒倾斜、沉陷，按上述公式（1）（3）计算的L值应乘上1.52的安全系数后作为埋设深度，即护筒的埋设深度为：LS=(1.52.0)L（4）由公式（1）（4）可知，护筒的埋设深度随水深、钢护筒内水头、土的孔隙比、泥浆容重变化而变化，相应参数变大（深），埋设深度也变深。除公路施工手册桥涵（上）外，其余文献4也可见类似的推导公式。这些公式本质都是渗透水力梯度小于容许水力梯度，即渗流稳定性计算，更严格的说是渗流中的流土稳定性计算5。桩基渗透变形主要有两种形式，即流土和管涌。流土：通常是指在渗透情况下，土壤中的颗粒群或团块同时出现迁移的情况；管涌：通常是指在渗流作用下，将细颗粒从土体骨架中的孔道发生移动带走的过程，按照渗透方向与重力方向之间的关系又分成了垂直管涌和水平管涌，它一般出现在砂砾石（岩）层中。护筒底部会出现“反穿孔”的现象，是管涌的特征。产生管涌的条件比较复杂，现有书籍和规范都没有管涌临界水利梯度的计算公式，临界水利梯度一般通过实验确定。上述完全用渗流稳定性计算中的流土稳定性计算确定埋置深度的算法值得探讨。1.2实例分析罗源湾特大桥桥址区地貌属剥蚀丘陵夹冲海积海域地貌，总体地势平坦开阔，桥梁大多建在罗源湾海域中，潮水影响地域较广，高潮水位4.75.8 m，低潮水位0.51.5 m，潮差36 m。桥梁跨越罗源湾，桥址区冲海积海域地段现为围垦地，多为养虾场、滩涂，平均海拔高程约9.5 m；桥梁起点与拟建罗源湾互通主线桥相连，连江台落在南向丘陵坡地处，天然坡度约1520。47#墩设计桩顶标高9 m，设计桩底标高52 m，桥梁桩基位处主要地质分层情况如下：（1）淤泥夹砂层，层顶高程10.307 m，层底高程19.807 m，层厚9.5 m；（2）淤泥质土层，层底高程38.507 m，层厚18.7 m；（3）粉质黏土层，层底高程42.307 m，层厚3.8 m；（4）中砂层，层底高程46.307 m，层厚4 m；（5）卵石层，层底高程50.057 m，层厚3.75 m；（6）以下为岩层。根据桥址处观测，施工期间高潮位5.3 m，最低潮为0.5 m。护筒内泥浆标高恒定为6 m，最低潮为0.5 m，河床标高为10.307 m，根据地勘报告土体参数，冲击钻泥浆比重为13.5 kN/m3，护筒外河床土的饱和容重加权平均值为16.5 kN/m3。计算如下：L=（h+H）w-H0d-w=（5.5+10.8）13.5-10.81016.5-13.5=37.4 m；LS=（1.52.0）L=5675 m。根据计算结果，护筒埋深至少要56 m。结合其他类似地质条件项目实施经验，认为此计算结果偏大，故在实施阶段采用护筒跟进的施工方式进行验证（即先施打一定深度钢护筒后开始钻孔施工，若护筒底出现漏浆现象则跟进补打一定深度钢护筒，直至不再出现该现象）。在47#墩桩基施工时钢护筒埋置深度为36.6 m，处于粉质黏土层中，未出现护筒底漏浆现象。因此可以认为完全用渗流稳定性计算中的流土稳定性计算确定埋置深度的算法是偏于安全的，公式揭示的基本规律仍是正确的，即：护筒的埋设深度随水深、钢护筒内水头、土的孔隙比、泥浆容重变化而变化，相应参数变大（深），埋设深度也变深。2内径设计2.1内径理论计算依据关于钢护筒内径，规范1-3均有相关规定及计算。依据规范1第8.4.1第1条，钢护筒的内径d（m）桥隧工程84福建交通科技2023年第1期宜按下计算方法确定：d(D/2+hi+d)2（5）式（5）中：D为设计桩径，m；h为钢护筒长度，m；i为护筒设置倾斜率，%；d为护筒平面位置允许误差，m。依据规范2相关内容“护筒内径宜比桩基直径大200400 mm”。依据规范3相关内容“深水段的护筒内径至少应比桩径增加40 cm”。2.2实例分析对罗源湾特大桥21#墩钢护筒内径，依据不同规范及书籍进行计算，结果如下：墩号21#，D为2.2 m；h为49.5 m；i为0.01；d为0.05 m；（2011版规范）计算内径d为3290 mm；（2000版规范）计算内径d为24002600 mm；桥涵手册参考内径d为2600 mm；实施内径d为2600 mm。实际工程中，罗源湾特大桥21#墩桩径2200 m，钢护筒总长49.5 m，分为5节制作，现场4道焊缝，施工期间高潮位5.3 m，流速1.9 m/s，海床标高12 m，钢平台顶高度9.0 m，平台顶导向标高为9.3 m，平台下导向标高为2.5 m，振动锤施沉，钢护筒实施内径为2600 mm，施工中未出现卡锤现象，桩基垂直度满足要求。从规范版本上来看，JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范1为新规范，在使用上优先于JTJ041-2000公路桥涵施工技术规范2。后者规范2要求“护筒内径宜比桩基直径大200400 mm”，笔者认为是在考虑施工环境影响、施工控制偏差影响等因素的情况下，结合以往项目施工偏差经验给予的经验性建议取值，却并未给出理论计算依据，而前者规范1给出了具体的取值计算公式。结合本工程及类似工程经验，前者规范1计算公式中护筒垂直度允许偏差完全参照桩基垂直度允许偏差1%取值，笔者认为计算结果较类似项目实施经验偏大，内径如何取值值得进一步探讨。影响钢护筒内径的因素很多，诸如：现场焊接接头数量、厂内管节加工顺直度及椭圆度、水流流速、潮位高度、钢护筒截面面积、导向架的导向点位置、钢护筒刚度、钻孔平台刚度、振动锤的施沉垂直度偏差等，需综合考量。若影响小，建议可依据JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范取区间值。3壁厚设计罗源湾特大桥水中桩柱间设承台，钻孔桩钢护筒在施工完成后，保留作为防腐屏障的钻孔桩上段混凝土，保护其不被侵蚀，设计图纸应要求钢护筒壁厚不小于以下尺寸：桩径200 cm、15 mm，桩径220 cm、16 mm，施工中应根据具体情况自行确定厚度。为保证钢护筒在沉设、桩基成孔、水下混凝土浇筑过程中保持圆筒状且不变形，钢板卷材应保证足够厚度以满足其在受力时抵抗弹性变形的能力，基于此，按本文第2节护筒内径的内容结合相关规范对壁厚进行探讨。3.1壁厚理论计算依据规范18.5.1的第3条“钢护筒的壁厚宜按刚度要求经计算确定。当钢护筒长度超过10 m，需要锤击或振动施工沉设时，其径厚比不宜超过120”，钢护筒壁厚的刚度计算和锤击力、激振力、土体的力学参数及边界条件均有关，土体的参数在锤击力、激振力的作用下又会发生变化。顾宝和6指出：“岩土工程师认识问题时要深刻，深入明白其中的科学原理和工程技术意义，不要把复杂问题简单化；处理问题一定要简洁，尽可能将复杂问题化为简洁明了的方式处理，绝对不能把简单问题复杂化”。通过公式或计算软件，看似能得到一个精确的结果，实际上却可能远离了基本假定。因此仅结合本工程实际情况，对径厚比不宜大于120这一要求进行对比分析。3.2实例分析以罗源湾特大桥10#墩桩基为例，10#墩桩基内径2200 mm，根据“径厚比不宜大于120”这一规定计算壁厚t=2200/120=18.3 mm。该桩基护筒埋深27 m，穿过土层为淤泥夹砂、砂混淤泥及淤泥质土层，护筒设计壁厚为不小于16 mm，采用振动锤下沉，钢护筒施沉较为顺利，施工中也未出现护筒卷边导致的卡锤现象。当护筒用振动锤施沉时，黏土层较难施沉，淤泥层则较为容易，因此对于淤泥地质土层，护筒壁厚可适当减小，对于黏土层地质，钢护筒壁厚可适当增大。另，钢护筒的长度和直径越大，则其壁厚应越厚，才能满足护筒刚度要求及保证施沉时不变形。钢护筒下沉过程中，底口常会被孤石或前期施工中掉落的型钢抵住，护筒顶口由于锤击或振动锤直接作用容易变形，因此在护筒的底口和顶口用外贴加劲圈的方式局部加厚较为必要，结合以往项目施工经验，底口加厚高度范围在3050 cm，顶口加厚高度为30 cm，基本可满足施工要求。85FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期为背景，采用数值模拟的方法，对跨中合龙前后合龙段两侧断面应力及变形进行模拟，得出以下结论：（1）在温度荷载作用下，随着温度的升高，跨中拱肋合龙前后应力值基本不变，但合龙前应力值大于合龙后，即温度对于跨中拱肋应力值影响不大；（2）在温度荷载作用下，随着温度的不断升高，跨中拱肋沿顺桥向变形不断增加，而沿失高方向变形不断减少，温度荷载对于拱肋变形影响显著；（3）综合在不同温度荷载作用下，变形值与应力值考虑，适宜于25进行施