苏通大桥承台封底混凝土与钢护筒间握裹力的试验研究与应用

苏通大桥承台封底混凝土与钢护筒间握裹力的试验研究与应用杨红;任回兴;贺茂生;徐伟;陈志坚
【摘要】通过对苏通大桥承台封底混凝土与钢护筒间握裹力的试验研究与施工现
场监测,提出钢护筒与承台封底混凝土间的握裹力系数.
【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2008(005)004
【总页数】4页(P25-28)
【关键词】苏通大桥;承台;封底混凝土;握裹力;试验研究;应用
【作者】杨红;任回兴;贺茂生;徐伟;陈志坚
【作者单位】中交第二公路丁程局有限公司,陕西,西安,710065;中交第二公路丁程
局有限公司,陕西,西安,710065;中交第二公路丁程局有限公司,陕西,西安,710065;同济大学,上海,20092;河海大学土木工程学院,江苏,南京,210098
【正文语种】中文
【中图分类】U448.27
目前，随着我国跨江、跨河、甚至跨海大桥的修建，大型水上施工作业已日益增多，在进行承台施工时，封底混凝土与钢护筒间的握裹力大小目前尚无可靠参考数据，各施工单位均根据经验取适当的系数，如系数取值太大则造成了封底混凝土的结构安全隐患，如系数取值太小则造成了封底混凝土等材料的大量浪费。

为此，通过模拟试验，进行受力分析和施工现场受力检测，提出了封底混凝土与钢护筒间的握裹力系数。

苏通大桥南主塔墩承台为哑铃型结构，承台长114 m、宽48 m、高13.24 m，承台砼强度等级为C35，混凝土方量约4.3万m3，其中承台封底厚度为3 m，采用30号水下混凝土，设计总方量为12 156 m3，是世界上规模最大、入土最深的桥梁深水群桩基础。

由于苏通大桥南主塔基础承台混凝土数量巨大，如承台封底混凝土与钢护筒间的握裹力足够大，则承台施工时的所有荷载可全部由其承担，减少承台施工时的工程量。

为指导承台施工，确保施工安全，对钢护筒与混凝土间的握裹力进行了模拟试验。

2.1 试验模型
本次试验将南主塔墩承台按照1：0.15的比例，取其中的一个单元制作测试模型，进行握裹力测试。

根据比例，确定本测试模型为一直径2 m、厚1 m的混凝土块。

采用水下30号混凝土浇注。

本模型在混凝土内预埋1根外径426 mm，壁厚10 mm的钢管，在钢管壁上安装3层位移杆，每层均匀安装4根。

在钢管顶安装承
重梁和4台25 t油压千斤顶，油压千斤顶实行联动，集中控制。

千斤顶对混凝土
进行加压后，利用千分表判别位移杆所在位置的钢管的相对位移，即可测出混凝土与钢管间的握裹力。

2.2 试验仪器设备
本试验所需仪器设备为：25 t千斤顶4个（要求4个千斤顶联动），千分表12个，百分表12个，100MPa压力表1个，混凝土拌合站1套，混凝土运输车1台。

2.3 试验过程
2.3.1 试验准备
本次试验选择在一平整场地进行，开挖了1个Φ 2.12 m，深1.25 m的基坑，在
基坑中央布置一个已设置位移杆的钢管并按照封底混凝土施工工艺浇注混凝土。

钢管及位移杆的具体布置见图1。

2.3.2 试验过程
在2003-11-08晚浇注本试验模型混凝土，实际浇注混凝土厚度为1.15 m。

11-
15对同步养生的混凝土试块进行了7 d压力试验，其强度已达到设计强度的65%。

试验前对各试验设备均进行了标定。

试验总体布置见图2。

2.4 试验结果
经试验发现：当布置在第1层位移杆上的位移表（千分表）发生明显变化时，与
千斤顶相连的压力表的读数为70 MPa；第1层位移杆以上混凝土与钢管的接触面积为0.646 m2。

其对应平均单位摩阻力为70×2826÷4÷0.646÷106=1.22 MPa。

当布置在第3层位移杆上的位移表（千分表）发生明显变化时，与千斤顶相连的
压力表的读数为86 MPa；第3层位移杆以上混凝土与钢管的接触面积为1.54
m2。

扣除钢管及钢管内混凝土的重量，其对应本试验模型的平均单位摩阻力为
0.63 MPa。

此时钢管与混凝土间已出现了细微的裂痕。

由于试验时混凝土强度仅
达到了设计强度的65%（即20号混凝土的强度），由《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》（JTJ022—85）可知，20号混凝土的极限弯曲抗拉强度为2.5 MPa。

由于混凝土与钢管间已开裂，故认为此时混凝土与钢管间的摩阻力已发挥。

2.5 试验结果分析
由试验结果可知，当第1层位移杆上的位移表发生变化时混凝土与钢管间的单位
摩阻力达到了1.2 MPa，而当第3层位移杆上的位移表发生变化时混凝土与钢管
间的单位摩阻力仅为0.63 MPa，说明当第1层位移杆上的位移表在持载10 min 后，荷载已传至第2层位移杆的位置，但尚未使第2层位移杆上的位移表发生变化。

故本试验中混凝土与钢管间的单位摩阻力可取0.63 MPa。

为验证本次模拟试验的试验结果，对承台封底混凝土与钢护筒间的握裹力用有限元模型进行分析，以苏通大桥主7＃墩承台施工为基础进行总体建模分析（主7＃墩承台采用钢吊箱进行施工）。

3.1 模型基本假定
(1)封底混凝土与钢护筒的应变规律是协调的。

(2)观测阶段钢护筒的应变主要受浮力控制，表现为浮力减小，钢护筒的应变增大，浮力增大则钢护筒的应变减小。

(3)钢护筒处于拉伸状态。

3.2 建立模型
(1)网格划分。

在承台封底混凝土摩阻力的计算分析中，综合考虑了钢吊箱、封底
混凝土与钢管桩的相互作用。

钢吊箱、封底混凝土与钢管桩采用实体单元模拟，其间设置无厚度古德曼单元，计算模型网格划分见图3，共划分单元1 940个，结点2 929个，其中接触面单元342个。

(2)计算参数。

钢管桩密度ρ=2 581.6 kg/m3，E= 260 GPa，μ=0.169；钢吊箱
密度ρ=300 kg/m3，E= 200 GPa，μ=0.25；封底混凝土密度ρ=2 449.0
kg/m3，E=210 GPa，μ=0.167；钢吊箱与钢护筒之间接触参数δ=1°，Krs=5，Ksr=5，Kn=100 GPa，K1=5，Rf=0.0，n= 0.0，c=0；封底混凝土与钢护筒之
间接触面参数δ= 16.7°，Krs=100，Ksr=100，Kn=100 GPa，K1=15 000，
Rf=0.67，n=0.01，c=450 kPa。

(3)计算工况：计算模拟了4种工况，①封底混凝土浇筑完成并达到设计强度，钢
吊箱外水位高程为2.93 m；②在工况①的基础上，抽空钢吊箱内的水，即内部水位降到高程-2.0 m，钢吊箱外水位高程仍为2.93m；③在工况②的基础上，钢吊
箱内无水，钢吊箱外水位由高程2.93 m降到设计低水位-1.21 m；④在工况③的
基础上，钢吊箱内无水，钢吊箱外水位在低水位-1.21 m情况下，模拟浇筑4.0 m 厚的流态混凝土。

3.3 模拟计算结果分析
各特征部位见图4，封底混凝土的竖向位移特征见表1。

在完成工况④的基础上，通过不断增加上部荷载，绘制计算过程中接触面单元最大位移与接触面总摩阻力的
关系曲线，以推求极限摩阻力，见图5，在线性阶段，平均单位摩阻力可达到
0.28 MPa。

当平均单位摩阻力达到0.37 MPa时，局部区域接触面达到屈服强度。

故从安全角度出发，封底混凝土平均极限单位摩阻力取值不宜超过0.37 MPa。

4.1 握裹力应用
苏通大桥南主塔墩承台施工时，按照2种工况进行承台的受力计算：(1)钢围堰抽
水完成阶段，吊箱抗（上）浮稳定性计算；(2)首层承台砼浇筑阶段，吊箱抗（下）滑稳定性计算。

根据试验及模拟模型计算，考虑到桩基施工周期较长，护筒在水下埋置时间达到了1年以上，砼与钢护筒之间的握裹力偏安全的取150 kPa。

（1）抽水完成阶段，吊箱抗（上）浮稳定性计算
在高潮位时，钢吊箱抽水完成，该工况下钢吊箱存在上浮的可能性。

其荷载组合为：钢吊箱自重（向下）+封底混凝土自重（向下）+舱壁混凝土自重（向下）+封底
混凝土握裹力（向下）+水浮力（向上）
封底混凝土自重：G1=γhS=2.4×3×4 050.8= 29165.8 t；钢吊箱自重G2=5800 t；舱壁混凝土自重G3=γh0S3=2.4×8.4×590.4=11902.5 t；封底混凝土握裹力：G4=20×π×2.85×3×135=72486.9 t；水浮力F1=（2.91+10.0）
×4641.2×1=59917.9 t。

抗浮安全系数K=（G1+G2+G3+G4）/F1=1.99。

（2）首层承台砼浇筑阶段，吊箱抗（下）滑稳定性计算
在低潮位时，第1层承台施工完成，钢吊箱有下落的可能性。

其荷载组合为：钢
吊箱自重（向下）+封底混凝土自重（向下）+舱壁混凝土自重（向下）+第1层
混凝土自重（向下）+封底混凝土握裹力（向上）+水浮力（向上）。

封底混凝土
自重、钢吊箱自重、舱壁混凝土自重、封底混凝土握裹力同工况（1）。

第1层承台混凝土(厚2.4 m)自重G5=γhS=2.4× 2.5×4 050.8=24 304.8 t；水
浮力F2=（-1.21+10.0）× 4641.2×1=40796.1 t。

抗滑安全系数K=（F2+G4）/（G1+G2+G3+G5）= 113283/71173.1=1.59
经过上述计算，抽水后，高潮位时抗浮稳定系数达到1.99；首层承台厚度取2.3
m时低潮位时抗下滑安全系数达到1.59。

4.2 握裹力检测
为了查清封底混凝土与钢护筒接触面的实际粘结强度，分别观测封底混凝土与钢护筒的应变以换算接触面的剪应变和最低粘结强度，同时采用静力水准测试技术观测封底混凝土与钢护筒相对位移，以反演封底混凝土和钢护筒的计算参数，进而反馈于混凝土与钢护筒共同作用的三维数值模拟计算分析。

试验选择主7＃墩承台H7、H10、H13三根钢护筒监测桩位，其中H7、H10监
测桩位各安装了2支表面应变计和1支混凝土应变计，分别用于观测钢护筒和混
凝土的应变，同时安装了4点静力水准系统，用于观测封底混凝土与钢护筒的相
对位移。

H13监测桩位仅安装了2点静力水准系统。

钢护筒应变采用振弦式表面应变计测试技术，通过在钢护筒外表面焊接表面应变计，监测钢护筒的应变。

表面应变计采用美国基康公司生产的4000型钢护筒表面应变计（长15.2 cm，量程为3000 με，分辨率为1 με）。

选择H7号和H10号监测桩（分别为边桩和中心部位的基桩）进行安装，每根桩在桩顶封底混凝土段布置2个观测断面，每个断面布置1个测点。

2个观测断面分别距离封底混凝土的顶、底面20 cm。

封底混凝土应变采用振弦式混凝土应变计测试技术，通过在封底混凝土中预埋混凝土应变计，监测封底混凝土的应变。

混凝土应变计采用美国基康公司生产的4200型混凝土应变计（长15.2 cm，量程为3 000 με，分辨率为1 με）。

在钢护筒应
变监测桩（H7号桩和H10号桩）外侧的封底混凝土中布置测点，每根桩的外侧
布置1个测点，测点高程与钢护筒应变测点相同。

封底混凝土与钢护筒相对位移的观测采用静力水准测试技术。

利用GK4675静力
水准系统进行测量，在H7、H10、H13监测桩各布置1对测点，每根桩布置2个GK4675型静力水准仪，其中1个布置在监测桩相应的静力水准点引出钢管顶部；另1个布置在钢护筒表面（高程与静力水准点引出钢管顶部高程基本相同）。

安
装于H7、H10监测桩的4个静力水准点的高程基本相同，连接为一个4点的封闭回路系统。

安装于H13监测桩的2个监测点高程亦基本相同，连接为一个2点的封闭回路系统。

2004-05，用于苏通大桥主7＃墩封底混凝土与钢护筒共同作用试验的监测仪器安装全部完成，项目组随后立即开始进行测试。

现场4名观测人员进行钢护筒应变、混凝土应变、封底混凝土与钢护筒相对位移以及钢吊箱内外水位的联合观测。

观测频度约为1次/0.5 h。

观测一直持续到割除钢护筒为止，观测过程包含了钢吊箱整个抽水过程以及钢吊箱抽水结束后2个涨落潮过程，共进行了46次测读。

综合封底混凝土与钢护筒共同作用的现场监测结果和三维数值模拟分析结果，封底混凝土在实测阶段处于弹性工作状态，模拟浇注第1层混凝土过程中封底混凝土
也处于弹性工作状态，实测值与数值模拟的结论是吻合的。

在未浇注承台混凝土之前，观测期间封底混凝土发挥的最大握裹力为0.07 MPa（对应浮力最大工况）。

封底混凝土与钢护筒的平均极限摩擦强度建议取为0.37 MPa。

苏通大桥南主塔墩的实际施工中采用了施工检测过程中推荐的握裹力系数，安全、快速、经济的完成了苏通大桥南主塔墩基础的施工，出于安全兼顾经济性考虑，建设在后续同类型工程施工中承台封底混凝土与钢护筒间握裹力系数取0.15～
0.2MPa。

【相关文献】
［1］孙旻，徐伟.苏通大桥6号墩钢吊箱施工阶段有限元分析［J］.施工技术，2005，（1）：12-14.
［2］肖文福，陈金海，符礼斌，等.鄂黄长江公路大桥主6号索墩承台基础钢吊箱设计与施工［C］.中国分路学会桥梁和结构工程学会2001年桥梁学术讨论会论文集，2001：310-319. ［3］孙英学，陈志坚，冉昌国.大型钢吊箱封底混凝土与钢护筒共同作用研究［J］.河海大学学报（自然科学版），2005，33（5）：552-556.
［4］GB50010—2002混凝土结构设计规范［S］.。