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摘要：通过对孙口黄河特大桥35#～39#墩钢护筒施工技术研究，验证了黄河下游主河槽内采用振动锤插打钢护筒就位的施工方法的合理性，并对该区域地质勘察设计情况进行修正；通过对钢护筒进行施工设计和验算，在勘察设计的基础上对钢护筒的使用状态有了更近一步的认识，对于今后桩基及承台施工作业具有一定的参考和指导意义。
关键词：水中墩；钢护筒；施工技术
0 引言
随着地基处理技术的发展，钢护筒在桩基施工中的应用已非常广泛，但对于深水、软基、超长桩基的处理过程中钢护筒的具体尺寸、工作性能是否能够满足施工需要的设计研究相对较薄弱，本文借鉴以往钢护筒施工设计的经验及相关力学知识进行设计验算，并通过实例验证，较好的解决了此项问题。
1工程概况
1.1设计概况
台辉高速公路豫鲁界至范县段项目黄河特大桥，全长11.42km，共设计225个墩台。大桥所跨河面宽约650m，水中桩基础采用24根直径2.0m，桩长89.0m的群桩基础，均为钻孔灌注桩。桩基采用C30水下混凝土灌注，钢筋笼主筋采用HRB400钢筋，箍筋采用HPB300光圆钢筋。
1.2地质及水文情况
河床宽约880m，水流湍急，河岸冲刷较严重，河道流量100～600m³/s，断面平均流速为0.8～2.26m/s，断面平均水深为1～6m，河床多为细砂土和粉砂土。工程所在区域属温带半干旱气候区。常年受东南季风环流的控制和影响，夏季雨量大。
2钢护筒施工技术
黄河特大桥水中桩施工采用搭设钻孔钢平台，平台支撑结构采用螺旋钢管桩上架设贝雷梁，再架设工字钢分配梁组合而成。在平台贝雷梁之间插打钢护筒，护筒顶标高与平台顶标高一致，护筒采用壁厚10mm、宽度1.5m的钢板卷制而成，立缝及横缝采用氩弧焊焊接。采用130t履带吊车吊装DZ120型振动锤方式进行钢护筒插打。
2.1钢护筒安装工艺
首先进行桩基础中心坐标放样，然后在钢面板和钢管桩上各焊置一个[22a的槽钢导向框，以精确定位钢护筒，上述步骤完成后进行插打钢护筒。施工要求护筒中心与设计桩位中心的偏差不得大于2cm，垂直度偏差不大于1%。
钢护筒顶面与钢平台标高一致，以满足声测管安装、钢筋笼固定以及泥浆循环施工的要求。
护筒顶向下1.5m处制作螺旋钢管通浆槽以连接相应的护筒，作为孔内循环和浇筑泥浆回流通道。桩基钻进过程中泥浆通过通浆槽连通护筒，进行泥浆循环（如图1所示），即避免了单孔内空间不足无法同时安装泥浆泵及钻头的问题，又解决了灌注过程中回浆量较大而产生的泥浆溢出问题。
图1 钢护筒布置图
3钢护筒施工验算
3.1钢护筒直径的确定
按照规范[1]要求，护筒直径应大于桩径20～40cm，黄河特大桥桩基桩径均为200cm，钢护筒直径选取为230cm。
3.2钢护筒长度的确定
当护筒深度不足时，护筒内泥浆与外部河水的水头差致使泥浆绕过护筒下端向河里渗透，渗透的过程中不断冲刷护筒底部土体，最终导致护筒失稳。为避免管涌发生，在实地考察的基础上，对钢护筒埋设深度进行设计验算。
深水河床护筒底端埋置深度按式（1）计算：
（1）
式中：L—护筒埋置深度，m；
H—施工水位至河床表面深度，m；
h—护筒内水头，即护筒内水位与施工水位之差，m；
γω—护筒内泥浆容重，KN/m3，泥浆比重按11计；
γ0—水的容重，KN/m3，黄河水比重按10.1计；
γd—护筒外河床土的饱和容重，KN/m3。
当护筒穿过几种不相同的土质时，护筒外河床土的饱和容重取平均值，即
（2）
式中：γd—几种不同土的平均饱和容重kN/m3；
γid—每种不同土的饱和容重，kN/m3；
li—每种不同土的层厚，m。
河水比重γ0取10kN/m3，泥浆比重γw取11kN/m3，河床底以下10m范围内均为粉土，粉土比重经查表计算得γd=16.4kN/m3，水位取46m，水头差取1.5m计算。入土深度均按2倍安全系数考虑。
表1 计算值与实际采用值（单位：m）
计算值与实际值见表1，根据表中取值，入土深度满足要求。
3.3钢护筒壁厚的确定
护筒厚度t按式（3）计算：
t≥KN/f （3）
式中：N-作用在护筒截面上的压力（N/mm），N=p×D/2；
p-土及地下水对护壁的最大压力（Mpa）；
f-钢板抗压强度设计值（Mpa）。
护筒厚度t取受力最大处，地下最深段所承受的土压力和地下水的侧压力，护筒当有地下水时，以最不利状态计算：水面下6m为河床，河床为粉土，天然重度γ=16.4kN/m3，内摩擦角=18.6°。
p=γ0×H+（γ-γ0）×（H-h）×tg2（45°-φ/2）-γω×（H+1.5） （4）
最不利位置压力为：pmax=0.2448N/mm2，钢板的f=215N/mm2，D=2.3m。
则：t=2.2mm＜10mm，故采用10mm厚钢板作为钢护筒，满足施工要求。
图2 护筒环向受力分布图
3.4钢护筒刚度验算
根据文献[1]，回转半径按式（5）计算：《材料力学》
（5）
得护筒回转半径i=81.07cm；
取打插完毕时刻验算：
λ=μL/i=2×2400/81.07=59.2＜100=[λ] （6）
故钢护筒刚度满足要求。
3.5钢护筒稳定性验算
38#墩受力最为不利，因此对其进行稳定性验算。
（1）依据文献[1]，流水压力按式（7）计算：
（7）
式中：Fw-流水压力标准值（kN）；
γ-水的重度（kN/m³）；
v-设计流速（m/s），取较大值2.3m/s；
A-桥墩阻水面积（㎡）；
g-重力加速度，g=10m/s2；
K-桥墩形状系数，圆形K=0.8。
流水压力合力的着力点，假定在设计水位线以下0.3倍水深处。
依据文献[1]：
A=b×hw （8）
当d≥1.0m时，b1=kkf（d+1）
钢护筒分布为L1＜0.6h1的多排桩形式，k=b2+（1-b2）/0.6×L1/h1
式中：b1-桩的计算宽度（m），b1≤2d；
d-桩径或垂直于水平外力作用方向桩的宽度（m）；
kf-桩型状换算系数，圆形截面kf=0.9；
k-平行于水平力作用方向的桩间相互影响系数；
L1-平行于水平力作用方向的桩间净距，此处采用2.98m；
h1-冲刷线以下桩的埋入深度，此处采用h1=9m；
b2-与平行于水平力作用方向的一排桩的桩数n有关的系数，b2=0.5。
计算得，b1=2.3m，水深6m，A=13.8㎡，则Fw=29.2kN
作用点在距筒底10.8m位置。
（2）垂直作用力
Fz=G自-F浮 （9）
=7850×π×（2.32/4-（2.3-0.02）2/4）×24×10-1000×π×（2.32/4-（2.3-0.02）2/4）×15×10=124.68kN
作用点在护筒中心，即距筒壁1.65m位置。
（3）土压力
护筒底部：
P1=γhKp=16.4×9×tan2（45°+φ/2）=285.9kN （10）
P=γh2Kp/2=16.4×92×tan2（45°+φ/2）/2=1286.3kN （11）
作用点在距底部3m位置。
（4）护筒抗倾覆计算
ΣM倾覆=29.2×10.8+124.68×1.65=521.08kN•m （12）
ΣM抵抗=1286.3×3=3858.9kN•m （13）
K=ΣM抵抗/ΣM倾覆=7.4＞1.5 （14）
故护筒在水中受水流冲击荷载、土压力及自重荷载达到自稳状态。
4结论
通过以上验算分析与现场验证，证明了钢护筒的强度刚度和稳定性能够满足现场结构性能要求。指导了大桥的施工的同时，保证了护筒施工的质量及可靠性，充分提高了作业效率，保障了钻孔作业的安全，对于今后桩基及承台施工作业具有一定的参考和指导意义。
参考文献：
[1]《公路桥涵设计通用规范》.中交公路规划设计院有限公司，2015.
[2]《公路桥涵施工技术规范》.中交第一公路工程局有限公司，2011.
[3]张克恭，刘松玉.土力学.中国建筑工业出版社.2001.
[4]张晓乐.深水桥墩平台基础及钢护筒施工技术[J].科技信息杂志出版社，2009.
论文作者:黄士军,李文华,刘思华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第34期
论文发表时间:2018/3/22
标签：泥浆论文; 河床论文; 桩基论文; 容重论文; 压力论文; 黄河论文; 深度论文; 《基层建设》2017年第34期论文;