双排钢板桩围堰在长江边工程中的应用（精选4篇）
海河堤岸结构工程是海河综合开发工程的重要组成部分,该工程始于北洋桥,止于海河外环桥,跨越天津市区,沿海河两岸,延绵20 km,涉及40 km堤岸结构工程、堤岸景观工程的改造或重建。至2008年底,海河堤岸工程上游市区段约30 km的堤岸建设基本完成,陆续完建的堤岸和景观工程都已适时向游人开放,取得了显著的社会效益和经济效益,目前市区段后5.0 km正处于实施阶段。该段海河河面宽117.5～265.5 m,两岸堤岸现状高程3.10～6.10m;正常水位为1.50 m,河床中心高程-6.0～-8.0 m (大沽高程,以下同),清淤后堤岸处河床高程-1.0～-5.0 m。两岸新建堤岸采用前置式和后置式相结合,前置式堤岸的新建堤岸岸线相对原堤岸偏向河中心。新建堤岸结构采用现浇混凝土灌注桩桩排墙,为保证必要的施工空间,需要在距离新堤岸岸线不少于3.0 m的河道内设置施工围堰。
2 围堰计算
2.1 计算参数
海河设计最高水位2.50 m、设计低水位0.50 m、极端低水位-0.50 m、正常水位为1.50 m,施工需避开海河汛期,属于非汛期施工。根据多年观察资料,非汛期海河水位基本在1.00～1.50 m之间,设计低水位较少出现,取海河正常水位1.00～1.50 m为围堰计算水位,深水段河床设计高程为-5.0 m。
综合考虑河道内游船行进以及风浪等情况的波浪爬高和安全超高,围堰设计顶高程取2.5 m。为满足灌注桩施工条件,围堰成型后,需将围堰内河水抽出,清除围堰内坑底淤泥至河床设计高程-5.0 m,然后分层压实回填土料至1.0 m高程,以提供堤岸灌注桩干作业面。深水段围堰计算的工况如下:
工况一,围堰内抽水完毕,围堰内坑底高程-5.0 m,河道水位为1.50 m。
工况二,围堰内回填至1.0 m高程,河道水位1.00 m,围堰内土层顶面施工荷载按10 kPa考虑。
2.2 土层参数
围堰实施区域海河的地质情况为:淤泥及淤泥质土层、粉质黏土层(夹有少量淤泥质粉质黏土)、粉质黏土层等,淤泥及淤泥质土层底高程均在-5.0 m高程以上,计算中不考虑此层的被动土作用。土层参数(见表1)如下:
①层淤泥及淤泥质土,灰色,饱和,流塑,厚度0.6～1.7 m,平均厚度1.17 m。
②层粉质黏土为主,局部为砂质粉土、粉砂并夹有少量的淤泥质粉质黏土。黏质粉土:灰色,很湿一饱和,稍密—中密,质不均,厚度2.70～11.70 m,平均厚度6.32 m。
③层粉质黏土,灰白、黄绿、黄色,很湿—湿,可塑、局部硬塑。该层厚度2.1～9.30 m,平均厚度5.53 m。
围堰内回填土采用堤岸施工现场开挖的粉质黏土、黏性土等分层夯填,压实度不小于0.93,综合考虑回填土容重18.5 kN/m3、内摩擦角20°、黏聚力15 kPa。
2.3 围堰方案初选
堤岸施工中常用围堰形式有:土围堰、木桩围堰、钢桩围堰等。土围堰适用于各种水深,但需要较大的空间,其优点是施工简单,可以就地取材,不足之处是土方量较大,而且对水环境影响大。木桩围堰常采用单排木桩围堰和双排木桩草袋土围堰,两种形式分别用于不同水深,但对于6m以上水深则较少采用。钢板桩围堰因其型式多样、闭水性好、刚度大等优点,在水深较大的情况下较多采用,同时钢板桩围堰可重复利用,对水环境的影响较小,具有很好的社会、经济效益。
海河堤岸结构工程对施工要求工期短、速度快,必须利用非汛期完成施工,同时作为城市主河道和景观河道对水环境保护要求较高。综合考虑以上因素,在海河堤岸深水段施工中采用钢板桩围堰,初选悬臂钢板桩围堰和单支撑钢板桩围堰2种方案,并对其进行计算对比。
2.4 悬臂钢板桩围堰方案
2.4.1 工况一计算
围堰内抽水完毕,围堰内土层顶高程-5.0 m,河道水位为1.50 m,相对正常水位围堰内深H=6.5 m。计算简图如图1所示。
2.4.1. 1 钢板桩最小入土深度h1计算
钢板桩前为主动土压力和水压力,其后为被动土压力,为使钢板桩嵌固稳定,应有各力对钢板桩底端A点的力矩之和∑MA=0,同时需考虑一定的安全系数Kem,即有最小入土深度计算公式为
对②层土参数采用加权平均值:γ=19.2 kN/m3,φ=25°,δ=8.33°,c=7.0 kPa。
Kem取1.2,将以上数值代入式(1),求解一元三次方程,得最小入土深度h1=8.490 mm,取8.5 m。
2.4.1. 2 钢板桩强度计算
(1)静力平衡法
采用静力平衡法计算,钢板桩最大弯矩应在剪力为0的截面处,因此需要先确定零剪力点,即主动土压力、水压力和被动土压力的合力零点,设零点到河床标高处的距离为x,由Epx=Ew+Eax,求得x=4.023 m。
计算剪力为零处的弯矩,即得Mmax=1 096.10 kN·m/m。强度验算:
钢板桩选用Q345级、拉森Ⅵ型钢板桩,W=4 200 cm3/m,每延米质量121.8 kg,则Mmax/W=261.0 MPa<310 MPa,可满足强度要求。
(2)弹性地基梁法(m法)
弹性地基梁法中土对围堰结构的抗力(地基反力)用弹簧来模拟,地基反力的大小与围堰的变形有关,即地基反力由水平地基反力系数m(规范推荐系数)同该深度围堰变形的乘积确定。对于只有一侧存在水压力的情况,可以取m=0进行模拟。弹性地基梁法计算简图见图2。
利用弹性地基梁法计算的围堰弯矩如图3所示,最大弯矩Mmax=880.58 kN·m/m,小于静力平衡法计算的最大弯矩,其位置在距围堰顶10 m左右,即围堰土面以下3.5 m左右。
2.4.2 工况二计算
围堰内回填至1.0m高程,河道水位取1.0 m。计算简图如图4所示。
2.4.2. 1 钢板桩最小入土深度h2计算
钢板桩前为水压力和被动土压力,其后为主动土压力。
围堰内河床标高以上土体参数:γ1=18.5 kN/m3,φ1=20°,c1=15.0 kPa。
Ka1=tan2 (45°-φ1/2)=tan2(45°-20°/2)=0.49
假设板桩最小入土深度未达到③层土,围堰河床标高以下采用②层土参数的加权平均值:γ2=19.2 kN/m3,φ2=25°,c2=7.0 kPa;Ka2=0.41,Kp2=2.46。
根据各力对板桩最小入土深度A点力矩之和∑MA=0,计算得最小入土深度h2=2.160 m,取2.5 m。
2.4.2. 2 钢板桩强度计算
先确定零剪力点,由Ea1+Ea2x=Ew+Epx,求得x=0.11 1 m。
计算剪力为零处的弯矩,得Mmax=61.395kN·m/m。此工况最大弯矩值小于工况一最大弯矩值,钢板桩强度能满足要求。
2.5 单支撑钢板桩围堰方案
此方案围堰与悬臂钢板桩围堰方案不同之处在于,插打钢板桩形成封闭围堰后,利用原堤岸结构作为支撑端在距围堰顶2.0 m处加设单排支撑,之后再进行围堰内抽水等后序工作。由于该堤岸工程需要进行灌注桩施工,围堰内回填达到设计高程后需要将支撑拆除,在工况二时也采用悬臂钢板桩形式。根据悬臂钢板桩围堰方案两个工况的计算可知,钢板桩的最小入土深度与板桩的刚度和强度无关,因此,本方案中工况二时钢板桩最小入土深度和最大弯矩与悬臂钢板桩围堰方案是相同的。
以下只对本方案的工况一进行计算分析。计算条件同悬臂钢板桩围堰方案,计算简图见图5所示。
2.5.1 静力平衡法
2.5.1. 1 钢板桩最小入土深度h1计算
钢板桩前为主动土压力和水压力,其后为被动土压力和支撑力,为使钢板桩嵌固稳定,应有各力对支撑处B点的力矩之和∑MB=0,同时需考虑一定的安全系数Kem,计算公式同式(1)。
计算得到最小入土深度h2=3.32 m,取3.50 m。
2.5.1. 2 钢板桩强度计算
由N+Ew+Ea-Ep=0,可得N=82.39 kN/m (压力)。
剪力为零点位置:由支撑力与河床标高以上水压力比较可知,钢板桩剪力为零点在河床标高上下各有1个,设河床标高上、下2个剪力零点与河床标高的距离分别为x1和x2,由受力平衡计算得x1=2.411 m、x2=3.324 m。两点处弯矩值分别为M1=111.49 kN·m/m、M2=338.71 kN·m/m。
则最大弯矩值Mmax=max{M1,M2}=338.71 kN·m/m。
选用Q235级、拉森Ⅳ型钢板桩可满足强度要求,其截面模量为W=2 037 cm3/m,每延米质量74.0 kg。
2.5.2 等值梁法计算最小入土深度h2
等值梁法计算支护结构入土深度已得到了广泛应用,计算简图如图6所示。首先,确定河床标高以下土压力分布零点(近似代替弯矩零点)距河床标高的距离y。用等值梁计算的入土深度偏于保守,因此在计算被动土压力系数时应考虑桩与土之间的摩擦力,其被动土压力系数为
根据图7所示简支梁受力情况,计算得支点反力RA=97.6 kN,RB=120.4 kN。
简支梁内Mmax=187.6 kN·m/m。
土压力分布零点距钢板桩最下入土深度的距离
,则钢板桩最小入土深度h2=x+y=4.232 m。
单支撑钢板桩弯矩计算结果见图8所示,Mmax=257.77kN·m/m,小于静力平衡法计算结果。
选用Q235级、拉森Ⅲ型钢板桩即可满足强度要求,其截面模量为W=1 600 cm3/m,每延米质量60 kg。
3 分析
在围堰桩最小入土深度的计算中,静力平衡法、等值梁法均较常用,而且相比有限元法要简单易行。弹性地基梁法主要考虑的土体及结构变形情况,但未考虑土体强度问题,因此不能用于确定围堰桩的入土深度。静力平衡法和等值梁法的不同之处在于,前者适用于悬臂桩围堰和支撑桩围堰,但对于多支撑桩围堰计算则较为复杂;等值梁法只适用于有支撑的围堰,而且对于多支撑围堰结构的计算不需借助计算机,利用弯矩分配法原理即可进行,其方便性是静力平衡法无法相比的。
对于围堰桩强度计算,静力平衡法和等值梁法都是基于极限平衡状态理论,不考虑围堰桩和土体的变形,计算结果偏于安全,多用于内力的校核;而弹性地基梁法能够考虑围堰结构的平衡条件和结构与土的变形协调,并可有效地计入施工过程中的多种因素的影响,计算结果较为准确、合理。
天津海河堤岸结构工程中,悬臂钢板桩围堰方案的桩入土深度较大,且钢板桩所需强度较高,结构形式和施工工序虽然简单,但在工程量方面必然存在浪费;单支撑板桩围堰方案通过在围堰顶部增设的一道支撑,有效减小了桩入土深度和桩的强度要求,同时结合工程特点,通过工况二的计算确定在围堰内填土完成后拆除支撑,为施工提供的所需空间,经济性和施工便利性均较好。
4 结论与建议
(1)天津海河堤岸结构工程中优选单支撑钢板桩围堰方案,最小入土深度按4.232 m考虑,桩长为11.732 m,则围堰用桩可选用12 m长、SP-Ⅲ号拉森钢板桩。
(2)对于深水段钢板桩围堰,增加支撑可有效减小最小入土深度(即桩长)和桩身强度要求。
(3)在今后的工程设计中,可以根据各种常用计算方法的特点综合利用。先利用静力平衡法或等值梁法确定围堰桩的最小入土深度,再利用弹性地基梁法进行围堰结构的强度计算。通过多种方法的结合使用,既可简化计算,提高效率,又可通过多种计算结果进行互相复核,保证设计结果的安全可靠和经济合理。
摘要：围堰是水利工程建设中为建造永久性设施而修建的临时性围护结构,合理的围堰设计关系到工程施工的安全性和经济性。钢板桩围堰是常用的一种板桩围堰型式,基于海河堤岸结构工程实施中采用钢板桩围堰的成功经验,介绍了钢板桩围堰的常用设计方法,为今后在类似工程中采用钢板桩围堰提供借鉴。
关键词：钢板桩围堰,深水段,堤岸结构,设计,海河
参考文献
[1]赵国强.海河堤岸工程建设与管理[M].北京:中国水利水电出版社,2009.
[2]张骏.深水基础钢板桩围堰最小入土深度分析[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2013,26(3):37-42.
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[4]刘晓云.钢板桩围堰的设计与施工[J].黑龙江交通科技,201 1(7):196-198.
1工程概况
太中银铁路208国道特大桥80 m跨主墩26号,27号墩位于208国道两侧,底层承台尺寸为14.5 m×14.5 m,底层承台高度为3.5 m,基坑开挖深度为9 m,208国道路基距开挖边缘垂直距离为2 m。主墩所处地下为地震液化层,基本地质情况为地面以下15 m内基本为粉质黏土、黏土和细砂。桥梁位于地震动峰值加速度0.20g的地震区,局部细砂、粉砂及粉土层有地震液化问题,且具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、透水性差和强度低的特性,地下水位位于原地面以下70 cm左右。
根据勘测设计的地质资料,主墩承台所处土层基本力学参数为:土壤粘聚力c=20 kPa,内摩擦角θ=30°,土容重γ=20 kN/m3。
2设计方案
钢板桩平面尺寸为16.5 m×16.5 m,每边净空1.0 m以满足施工要求。采用国产CSP1型钢板桩,共计用普桩112片,角桩4片(见图1)。
2.1 荷载计算
主动土压力系数:Ka=tg(45°-θ/2)=0.33。
被动土压力系数:Kp=tg(45°+θ/2)=3。
外部荷载为30 kN/m2,则当量土层厚度:
h=q/γ=30/20=1.5 m。
桩基底主动土最大压强:
emax=γKa(H+h)=20×0.33×(9+2+1.5)=82.5 kPa。
2.2 钢板桩及支撑的布置设计计算
1)施工中采用的拉森Ⅳ型钢板桩参数:
截面模量:W=1 326 cm3。
抗弯强度设计值:[f]=200 MPa。
2)钢板桩可承受最大弯矩:
Mmax=WZ×[f]=1 326×10-6×200×106=265.2 kN·m。
3)根据允许抵抗弯矩计算钢板桩悬臂部分的最大允许跨度。
由:Mmax=γKah
h0=[6Mmax/(γKa)]1/3=[6×265.2/(20×0.33)]1/3=6.2 m。
支撑按等弯矩布置,则有:
h1=1.1h0=6.82 m;h2=0.88h0=5.46 m;
h3=0.77h0=4.77 m;h4=0.70h0=4.34 m。
基坑深度为9.0 m(计算深度为9+2+h′=9+2.0+1.5=12.5 m),为安全起见,布置2层内支撑,根据实际情况确定支撑位置为:
h0=2.5+(2+h′)=6 m;h1=2.5 m;h2=4 m。
4)计算各内支撑反力计算。
采用1/2分担法近似计算各内支撑反力,见图2。
第一层支撑反力:Q1=γKa(h0+h1/2)2/2=20×0.33×7.252/2=173.46 kN。
第二层支撑反力:Q2=γKa[(h0+h1/2)+(h0+h1+h2/2)]·(h1+h2)/(2×2)=20×0.33×[(7.25+10.5)×3.25/4=95.18 kN。
5)钢板桩入土深度及总桩长计算。
根据盾恩法求桩的入土深度。
由公式γKaH(hi+t)=γ(Kp-Ka)t2整理得:
(Kp-Ka)t2-HKat-HKahi=0。
代入相关数据得:
(3-0.33)t2-12.5×0.33t-12.5×0.33×4=0。
解得:t=1.84 m。
实际打入施工时,一般t0=1.2t=2.21 m。
故要求钢板桩总长度:L=h+h1+h2+…+hi+t=11.21 m。
因考虑到公路两侧运输荷载的不利因素,为安全起见,选用钢板桩长度12 m,实际入土深t=3 m。
6)基坑底部的隆起验算。
主动土:Nq=eπtgφtg2(45°+φ/2)=18.4 kN。
被动土:Nc=(Nq-1)/tgφ=30.14 kN。
故抗隆起安全系数:
Ks=(γtNq+cNc)/[γ(H+t)]=(20×2.5×18.4+20×30.14)/[20×(12.5+2.5)]=5.08>1.6,满足要求。
7)内部圈梁设计计算。
圈梁内部支撑结构及其受力见图3,解4次超静定:
去掉支座B,C,D,E采用RB,RC,RD,RE反力代替,构件AF在RB,RC,RD,RE及均布荷载作用下,在B,C,D,E点处产生的竖向变形为0,由变形协调方程可得:
RB×3.3×13.2×(16.52-3.32-13.22)/(6EI×16.5)+RC×3.3×9.9×(16.52-3.32-9.92)/(6EI×16.5)+RD×3.3×6.6×(16.52-3.32-6.62)/(6EI×16.5)+RE×3.3×3.3×(16.52-3.32-3.32)/(6EI×16.5)-173.46×3.3×(16.53-2×16.5×3.32+3.33)/(24EI)=0 (1)
RB×3.3×4×[(16.5/13.2)×(6.6-3.3)3+(16.52-13.22)×6.6-6.63]/(6EI×16.5)+RC×9.9×6.6×(16.52-9.92-6.62)/(6EI×16.5)+RD×6.6×6.6×(16.52-6.62-6.62)/(6EI×16.5)+RE×3.3×6.6×(16.52-6.62-3.32)/(6EI×16.5)-173.46×6.6×(16.53-2×16.5×6.62+6.63)/(24EI)=0 (2)
由∑Y=0,可得RA+RB+RC+RD+RE+RF-173.46×16.5=0。
由结构的对称性可知:RA=RF,RB=RE,RC=RD,化简式(1),式(2),即可解出:RA=RF=225.96 kN,RB=RE=647.74 kN,RC=RD=537.35 kN。
圈梁所需最小截面模量:W=Mmax/[f]=198.82×103/205=969.85 cm3。
选用两片Ⅰ45b工字钢并排焊接作为圈梁,安全系数K:
K=Wx/W=1 500×2/969.85=3.09(满足要求)。
8)内支撑设计计算。
内支撑杆选用ϕ=300厚度为12 mm热轧钢管,计算参数为A=108.20 cm2,i=10.16 cm,L1内支撑杆:L1=9.33 m,所受轴向N1:
N1=9.33/6.6N=9.33/6.6×557.35=788.09 kN。
杆件长细比λ1=933/10.16=90.1,查《钢结构》对应a型截面稳定系数为v1=0.714,则:
σ1=N1/(A×v1)=788.09/(108.2×0.714)=103.46 N/mm2<[σ]=205 N/mm2(满足要求)。
L2内支撑杆:L2=4.71 m,所受轴向N2:
N2=4.71/3.3N=4.71/3.3×647.74=915.90 kN。
杆件长细比λ2=471/10.16=46.36,查《钢结构》对应a型截面稳定系数为v2=0.926,则:
σ2=N2/(A×v2)=915.9/(108.2×0.926)=84.65 N/mm2<[σ]=205 N/mm2(满足要求)。
3施工方法
3.1 测量定位
首先测量放线确定承台四角的准确位置,再根据WRU13型钢板桩及围堰导向框尺寸,用白灰标出每根钢板桩的位置。
3.2 布设围堰导向框
经测量定位后,插打定位桩、布置导向框架。在测量监控下,在钢板桩围堰四角各精确打入一根钢板桩作定位桩,再在定位桩上设置牛腿,布设围堰导向框。
3.3 插打钢板桩
1)插打钢板前,在导向框架上精确标出每一片钢板桩的位置,在某一边中间一片钢板桩位置两侧焊角钢作小导向,确保钢板桩不左右移位;2)采用振动打桩锤夹住钢板桩腹板中间一片钢板桩是两侧钢板桩的依托,必须确保钢板桩垂直,然后在两侧对称打入若干片钢板桩,待打入的钢板数量足够多,有足够的稳定性时,即可从一边连续打入钢板桩;3)振动插打时第一次入土深度为3 m,待插入一定深度,站立稳定后,方可加以锤击;4)待所有钢板桩插打合拢后,再以每次3 m的深度依次循环打入,直至设计深度。
3.4 基坑开挖、内支撑安装
钢板桩插打完毕后,先采用普通挖掘机进行基坑开挖,开挖到设计地面以下3 m深度时,按设计位置安装第一层内支撑。然后采用长臂挖掘机为主普通挖掘机为辅进行配合的开挖方式开挖,开挖的土方及时运走。在基坑开挖至6 m时,进行第二层内支撑支护,然后一次性开挖至设计深度。
3.5 钢板桩拔除
承台模板拆除后,再开始拔除板桩,钢板桩的拔出,从克服板桩的阻力和密实基坑回填料着眼,采用振动拔桩,利用拔桩机的振动激起板桩振动,以克服和削弱板桩拔出阻力。
4结语
用理论算法进行钢板桩围堰的设计能够较为真实地反映钢板桩的实际受力状态,从而具有较大的安全性。采用逐层开挖加固的施工方案较为方便,在施工安全上也易于保证。
摘要：根据钢板桩围堰的实际受力状况建立力学模型,通过理论计算确定钢板桩围堰的实际受力,并通过实际施工情况验证该方法的可行性,得出理论算法比规范采用的经验算法具有更高的精确性和安全性,能够更好地满足工程施工需要。
关键词：钢板桩围堰,设计,施工
参考文献
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之江大桥(又名钱江七桥)座落在钱塘江河口段上游,位于闻家堰急弯和珊瑚沙与钱塘江大桥弯道之间。该河段在洪水和潮汐的交替作用下,河床宽浅,潮强流急,河床冲淤变化剧烈,是典型的游荡河道。东侧非通航孔桥的8#~15#墩水中单幅分离式承台尺寸为12.6m×7.85m×3m,承台底标高为±0.0m,顶标高为+3.0m,承台区域河床平均标高为+1.0m,枯水期日常水位为+3.0m,受潮汐作用每日涨潮2次,潮高约1.0m,根据历史观测记录,20年一遇的最高水位为7.9m。
2 工程地质情况
工程地质勘察报告显示,该河段分布的地层主要为白垩系下统(K1)、奥陶系上统(O3)和第四系。从河床面到-10.0m所在的地层主要为粉土,局部存在粉砂层。粉土、粉砂厚度2.0~11.6m,平均厚度约9m,呈黄灰色、稍密、饱和,具水平层理,多含云母碎屑,夹有少量的粘性土条带,振动易析出水膜,干强度和韧性低,摇振反应迅速。
3 施工方案的选择
东侧非通航孔桥水中承台为本标段的控制性工程,工程量大,工期紧张。根据现场施工条件,结合水文、地质条件及水中承台的结构特点,在确保施工安全、质量、经济效益的前提下,尽可能考虑施工周期最短。为此,在确定水中承台施工时,主要考虑了3种方案,方案对比见表1。
经过技术可行性、施工周期及经济效益的综合比较,决定采用新型锁口钢板桩围堰进行水中承台施工。
4 新型锁口钢板桩施工工艺
4.1 施工工艺原理
通过新型锁口钢板桩设计,将整体围堰的拼装及安装化整为零,使得拼装及安装简便,定位控制精确,稳定性好。新型锁口钢板桩围堰侧板在结构及尺寸上与传统套箱围堰一致,分块侧板在现场通过特制锁口相连。锁口部位具有连接、定位、止水等多重功能,且锁口间隙加大使得钢板桩插打容易,最后合拢段可按图纸定制加工,锁口封堵材料采用优质粘土,具有封堵效果好、起拔容易等特点。锁口及锁口连接大样见图1。
4.2 施工工艺流程
施工工艺流程见图2。
4.3 关键工序施工操作要点
(1)钢板桩围堰的设计及布置
新型锁口钢板桩围堰的设计需根据承台的平面尺寸、水文地质条件及现场安装条件不确定锁口的个数、侧板的尺寸及钢板桩的长度。钢板桩设计时还需满足水压力、土压力、涌潮力及水流力等荷载组合作用下的强度及刚度要求。围堰的平面尺寸设计需考虑是否另外设置内模,如设置内模则应考虑承台模板的厚度及单片模板的尺寸。单片侧板的尺寸需结合钢板桩的长度考虑设备的起吊能力。钢板桩的长度应综合考虑承台的顶标高、底标高、水位标高及河床标高。钢板桩顶标高应比高水位高1m左右,底标高应保证封底以下满足入土深度要求。钢板桩支撑布置应在保证围堰结构安全的前提下,充分考虑墩柱及上部结构的预埋件位置,同时还要保证单片承台模板、承台钢筋下放的简便,因此,在支撑安装时往往需进行体系转换。
(2)钢板桩插打
钢板桩插打顺序:首先下放转角处钢板桩,再下放迎潮面的钢板桩,待另一转角侧钢板桩(第1~4片)下放后,移至首片下放的角桩处,下放侧面钢板桩(第5~9片)至转角处,再下放另一侧面钢板桩(第10~14片)至转角处,最后在上游侧进行合拢。以上钢板桩均在自重作用下入土,待钢板桩合拢后,再用振动锤将钢板桩按下放顺序打至设计标高。在用振动锤插打钢板桩时需用手拉葫芦将两侧的钢板桩固定。钢板桩编号见图3。
插打过程控制:在第1片转角钢板桩下放时,要控制2个方向的垂直度,在入土后与导向架焊接固定。其他钢板桩下放时,由于加工可能存在的误差,需要左右摆动,因此,在下放时不使用外导向架,但入土前,需在上、下2道围檩处均焊接十字槽钢作为外导向及控制另一方向的垂直度。
合拢片控制:钢板桩合拢位置选择在迎潮面对侧的位置,合拢前需仔细测量两侧钢板桩的平面尺寸及垂直度,如在左右两侧“子母扣”允许的误差内,则直接下放;如超出允许误差不大,则用振动锤夹住前一片钢板桩向相反的方向进行振动,直至尺寸达到允许误差,再下放合拢段钢板桩;如超出允许误差过大,则现场对合拢段钢板桩的尺寸进行调整后再下放。
(3)钢板桩锁口封堵
钢板桩锁口封堵用土必须为优质粘土,且在使用前需用手拌和均匀,拌和均匀后再用土工布进行包裹,如不进行包裹,捣棒夯实时易出现粘土从锁口缝中挤出的现象。每次粘土填筑高度不得大于30cm,填筑后需用捣棒夯实。在粘土填筑前需用高压水把每个锁口内的粉土及杂物冲洗干净。
锁口封堵需分两次进行,第一次封堵在封底混凝土浇筑前,封堵至低水位以下,以保证内外水流通;第二次在封底混凝土浇筑完成达到养护强度后进行,封堵至板顶。
(4)围堰内吸砂
目前,常见的吸砂方式有正循环形式的泥浆泵吸砂及反循环形式的空压机吸砂。对于粉砂、粉土层采用高压水枪配合泥浆泵可以完成吸砂工作;对于存在石子、圆砾或粘土则可用空压机反循环方式来吸除。
吸砂过程中要定时对吸砂标高进行测量,避免标高不够或超深,特别是避免引起深坑。吸砂时要特别注意导向架下方的位置,钢板桩及护筒四周均需用高压水枪冲洗干净,以免封底时出现夹层。吸砂完成后需安排潜水员进行水下整平,特别是钢板桩与钢护筒四周必须冲洗干净,以免出现夹砂薄弱层,引起涌砂现象。
(5)封底混凝土浇筑
水中承台施工作业时间较长,必须从封底混凝土性能、厚度、工艺上采取切实措施,确保水下封底混凝土的施工质量。
封底混凝土在满足强度的前提下,以粘聚性、流动性、工作性为基本要求。要求混凝土具有大流动性,水下不分散的特性,以此进行骨料、外加剂的施工配合比优化试验。
待钢板桩全部安装完毕,水下吸泥、清淤到设计标高后,全面检查围堰内河床面的平整度,封底前在围堰内抛填30~50cm厚的回填层,先填块石,后填片石和碎石,防止封底混凝土的冲击力将砂子卷起,形成混凝土夹层,封底混凝土须一次性浇筑完成。
搭设封底混凝土施工平台,进行水下混凝土封底。封底混凝土的施工采用导管浇筑法,水下混凝土靠自身流动性向四周摊开,导管采用覫300mm无缝管,顶部设漏斗,导管使用前进行试拼和试压,并进行水密性试验,按顺序编号标注。导管布设原则为流动半径3~5m,为保证封底混凝土与钢护筒的粘着力,在各钢护筒周边尤其混凝土不易流到的死角都布置导管。在封底混凝土浇筑前,必须设置内外连通管,保证内外水位平衡。钱塘江涌潮凶猛,如不设置连通管,易出现底部涌砂或挤进锁口缝,最终导致封底失败。
混凝土浇筑将近结束时,重点对导管与导管的中心处、护筒四周及钢板桩壁等部位进行高程测量,确保混凝土标高达到设计要求。由于浇筑水下封底时,混凝土表面无法达到比较平整的要求,所以,在混凝土浇筑时,应将顶面标高控制在设计标高下20cm左右,待混凝土达到75%设计强度,套箱内抽水后,再补浇20cm混凝土垫层。在钢套箱抽水过程中,应设置专人观察钢板桩变形情况。
(6)钢板桩拔除
承台、墩身施工完后,拆除承台、墩身模板,进行钢板桩拔除施工。
钢板桩拔桩前,先将围堰内的支撑从下到上陆续拆除,拆除过程中遵守先拆支撑再拆围檩,并陆续灌水至围堰外水位,使内外水压平衡,对板桩挤压力消失,并与部分混凝土脱离(指有水下混凝土封底部分)。钢板桩拔除时先拔除上游侧钢板桩,再拔除两侧面钢板桩,最后拔除迎潮侧钢板桩。钢板桩拔除采用DZ60振动锤配合70t履带吊进行,吊机就位后,大钩挂好振动锤夹好钢板桩,开动振动锤,先夹牢震动1~2 min,使钢板桩与外侧土体产生“液化”及内侧混凝土脱开,减少土对桩的摩阻力。拉紧钢丝绳进行钢板桩拔除,待钢板桩完全脱离开混凝土和土体后,再松开振动锤,栓好钢丝绳起吊钢板桩,下放至指定地点。
5 围堰挡水效果
基坑在开始抽水时,出现部分锁口渗漏现象,主要是因为用粘土封堵时夯捣不密实所致。现场采用实心钢管配合小型振动器进行夯捣的措施,夯实后锁口基本无渗漏现象,基坑抽干水后,可清楚观察到围堰的挡水止水效果。钢板桩围堰内留1台7.5kW潜水泵抽出剩余漏水即可。基坑内没有出现渗漏、管涌等现象,整体效果良好,抽水后基坑如图4所示。
在钢板桩围堰挡水承台、墩身施工期间,通过定期对钢板桩顶的位移进行观测,发现桩顶基本未偏移,堰体稳定。
6 结语
(1)之江大桥8#~15#桥墩水中承台采用新型锁口钢板桩围堰,施工简便、快速,完全能满足整体施工工期以及安全、质量等各方面的要求,具有良好的经济效益。
(2)从整个施工过程来看,钢板桩插打、水下封底混凝土浇筑及抽水堵漏是整个施工过程的关键工序。钢板桩插打的竖直、准确,桩与桩之间锁口是否密贴,直接影响围堰的防水性能,同时,封底混凝土浇筑质量的好坏,直接影响围堰是否产生涌砂现象。
(3)在钢板桩的支护施工中,需根据地质条件对钢板桩的入土深度及支撑进行合理布置,并在施工前做专门的设计和验算。抽水及承台施工期间,要对钢板桩的变形、位移等进行观测,以确保围堰施工的安全。
摘要：结合之江大桥水中承台新型锁口钢板桩围堰施工实例,对新型锁口钢板桩围堰施工的工艺原理、设计与布置、钢板桩插打、锁口封堵、围堰内吸砂及封底混凝土浇筑等方面进行了分析研究。结果表明,新型锁口钢板桩围堰可以将侧板的拼装及安装化整为零,使得拼装及下放简单、合拢便捷、封水效果好,是一种水中承台无底围堰施工的新方法。
关键词：新型锁口钢板桩,钢板桩插打,围堰,封底混凝土,浇筑
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拉森VI钢板粧^600^Y 5^200>l i'—=L L L第二层腰梁截而大样图i式中, [<x]为板粧的允许弯曲应力;y为板枝的重度;心为主动土压力系数。3) 计算各层支撑的间距, 将板桩视作-三角形荷载的连续梁, 各支撑点近似地假ii动, 即把每跨都视作两端固定, 可按一般±求出各支点的最大弯矩都等于时各跨其值如图2所示。hn1;7=1.1/?/?, =0.88/?h=0.77h图2等弯矩布置计算钢板桩简图拉森V]钢板粧森VI钢板桩D」2 950cm、k u u TT7r KT7^.o f600., 200*1577第三层腰梁截而大样第二层腰梁加强部分截而大样r t支撑截而大样3 9号主墩钢板粧围堰构造平面E墙后土个承受〖学计算的跨度, 4) 根据支撑层数, 可重新选择板桩的规格, 按上述同样步骤重新计算。3.2.2等反力布置等反力布置是使各层横梁和支撑所承受的力都相等, 以简化支撑系统。计算支撑的间距时, 亦把板桩视作承受三角形荷载的连续梁, 即得到各跨的跨度如图3所示, 除顶部承受〇.15P以外, 其他支撑承受反力均为/>, 反力P的数值可按式 (3) 计算, 然后按第一跨的最大弯矩进行板桩截面的选择。图3等反力布置计算钢板桩简图1»Jt、§0^:4HI
以上两种是较理想的布置方式, 在实际施工中考虑施工作业面及后续施工工艺的需要, 考虑各种因素进行布置后, 将板桩视作承受三角形荷载的连续梁, 用力矩分配法计算板粧的弯矩和反力, 用来验算板粧的截面和选择支撑材料和尺寸, 一般利用M a d i S软件, 建立计算模型, 钢板粧及围堰采用有限元计算。以本工程主桥为例, 基坑开挖深度为8.2 1 m, 第一层支撑必然设置在承台顶面以上, 如设置两层支撑, 经过粗略计算肯定达不到强度要求, 支撑确定为三层, 利用M a d is软件, 以三跨连续梁建立计算模型, 进行等弯矩和等反力布置计算, 对钢板桩强度的影响偏差较小, 经过初步验算, 依据经验确定, 支撑层高一般选用2.5~3.0 m, 支撑间距一般为2~3 m, 并经过后续计算进行修订。3.3等值梁法计算确定钢板桩粧长及内支撑体系等值梁法计算钢板粧简图如图4所示。A O钢板桩可简化为在B、C、D位置铰支, 在0端固定的梁, 弯矩在E~0的某点正负转折, 该点弯矩为零, 称为反弯点。在反弯点 (假定为F点) 处将A O梁断开, 于F点置一自有支撑形成A F梁, 则A F梁上的弯矩保持不变, 此A F梁为A O梁上A F梁段的等值梁。图4等值梁法计算钢板桩简图要建立A F梁段模型, 确定反弯点位置是关键, 即确定弯矩为零的位置。为简化计算, 常用土压力等于零的位置来代替正负弯矩转折点的位置。等值梁法计算钢板粧步骤和方法具体如下。1) 以3 9号墩围堰为例, 依据实际工程地质勘查资料, 采用郎金理论土压力计算公式, 计算作用于钢板桩上的压力强度, 并绘出土压力分布图 (见图5) 。图5土压力分布示意计算得出的土压力分布形式为分段梯形, 利用C A D软件将土压力近似为线性分布, 主动和被动土压力绘制合力分布图, 如钢板粧承受动水压力影响, 应一并考虑。2) 计算钢板粧墙上土压力强度等于零的点离挖土面的距离7, 在;K处钢板桩墙前被动土压力等于钢板桩墙后的主动土压力, 可由式 (4) 计算得出, 这里可以利用被动和主动土压力合力图来确定y值。式中, n为挖土面处钢板桩墙后的主动土压力强度值;A为被动土压力系数;尺为被动土压力修正系数;&为主动土压力系数;7为土的重度。3) 根据施工工况计算等值梁的最大弯矩和支点反力。对四个工况进行受力检算, 工况一:开挖第二道支撑下50c m, 第一道支撑安装完成;工况二:开挖第三道支撑下50c m, 第二道支撑安装完成;工况三:开挖至基底, 第三道支撑安装完成, 未浇筑混凝土;工况四:浇筑完封底混凝土, 拆除第二、三道支撑。得出计算结果如表1所示。
表1钢板桩工况受力计算结果工况最大弯矩/ (k N_m:>最大剪力/k N第一道支撑反力/k N第二道支撑反力/k N第三道支撑反力/k N插入端反力/k N烧度/m m一-2 0 1.5 118.0-1 2 9.1—-9 1.7 8.4二335.4 2 8 1.9 82.5-4 6 6.1-1 1 5.3 14.0三484.7 396.1-8 3.5 131.3-7 0 9.4-143.0 20.2四-3 2 9.6-240.0-1 6 7.8—-2 3 9.6 15.4钢板桩在第三工况时受力最为不利, 最大弯矩为484.7 k N·m, 剪力最大为709.4 k N, 挠度最大为20.2 m m。4) 计算钢板粧墙的最小人土深度根据求得的反弯点反力和墙前被动土压力对钢板桩底端的力矩相等原理可求得^=*+7。人土深度《= (1.1~1.2) «06P, , _/6 x 143-Ka) V 19.2 x (1.55-0.64) m确定采用18m长钢板桩, 满足要求。确定了各支撑处反力以及土压力最大值。4钢板粧及支撑体系验算利用M adis软件建立计算模型, 钢板桩及围堰采用有限元计算, 采取支撑体系 (腰梁和支撑) 最大受力进行强度验算, 依据强度验算确定采取的腰梁和支撑类型。4.1钢板桩型号的选用及强度验算根据钢板桩的种类和连接方式分为u a、z迺和A S型, 根据材质分为冷弯薄壁轻型和热乳型, 由于Z型和A S型的钢板桩加工及安装较为复杂, 且价格较U型高出约1/3, 主要用于欧美, 亚洲主要采用U型钢板粧。钢板桩依据产地分为进口和国产, 国产一般为马钢生产的HP4 0 0系列, 亚洲中日本引进、使用和生产钢板桩较早, 进口的钢板粧多为日本生产的拉森型。钢板粧重复使用次数多, 打桩以及拆除施工中, 钢板桩经过多次摩擦和电焊切割等, 截面性质会有所减弱, 部分桩还是由短桩焊接而成, 这里计算取折减系数〇.8„因此钢板桩抗弯强度为149.6 M P a, 抗剪强度为31.5 M Pa, 因此选用18m长拉森V I型钢板桩满足要求。4.2内支撑体系、腰梁及内撑钢管验算4.2.1内支撑第一层支撑采用双拼H型钢500mm X200mm x 16mm x 10m m, 第二层支撑采用三拼H型钢500mm x 200mm x 16mm x 10mm, 第三层支撑采用双拼H型钢400mm x 408trim x 21 m.m x 21 mm。根据上述计算结果, 第三层支撑受力最大为709.4 k N, 故取709.4 k N荷载进行计算。其余两层的数据以表格形式计算。4.2.2腰梁强度检算腰梁材料 (双拼H型钢400mm x 408mm x 21mm x21mm) 参数:腹板厚度£„.=21mm;毛截面面积A=246.54cm2;半截面面积矩_St=丨960.06cm3;截面惯性矩/t=69 628.25cm4, /, =23 798.68cm4;回转半径i, =16.8cm乂=9.82cm;截面模量%=3 481.41cm3。腰梁最大弯矩值845k N_m, 最大剪力1 295.6k N。因此可以计算得出腰梁的抗弯强度c r为121.4M Pa, 抗剪强度„S 86.8MPa, 满足受力要求。4.2.3内撑钢管以3 9号墩位钢板桩围堰施工第三道支撑最不利状态受力进行验算。第一、二道支撑受力检算及第三道支撑的计算结果如表2所示。根据计算结果, 内撑钢管采用$609 x 1 6螺旋管 (截面积为298.lc m 2, =20.973cm, 内撑轴力最大为3 437.8 k N, 最长为19.4m) , 经计算, 内撑稳定性A为92.5;内撑应力a为]65.9 M Pa, 内撑钢管强度满足要求。5钢板桩的施工方法与经验总结5.1施工方法和机械设备选择钢板粧施工方法主要有冲击施工法、振动施工法和液压施工法, 其中冲击施工法易造成受击端部损伤, 宜选用振动和液压施工法, 本工程选用的振动施工法, 选用50t履带式起重机吊挂DZ9 0振动锤进行打拔钢板桩, 功率为90k W, 激振力为0~579k N, 最大拔粧力为254k N, 重量为5.8 t。履带式起重机配合汽车式起重机拆除腰梁、内支撑, 长臂
表2内撑钢管计算结果部位最大弯矩/ (k N-m) 最大剪力/k N计算应力/M Pa允许应力/M Pa计算剪力/M Pa允许剪力/M P a支撑管最大轴力/k N支撑杆最大应力/k.N第一道支撑198.5 308.1 64.0 215 23.6 125 836.7 40.4第二道支撑551.3 855.7 118.5 215 43.7 125 2 324.0 112.2第三道支撑84 5.0 1 295.6 121.4 215 86.8 125 3 437.8 165.9挖掘机进行基坑开挖。5.2钢板桩打设本工程采用的钢板桩围堰尺寸设计较为紧凑, 控制板桩打人的竖直度是施工控制的重点, 采用设置导向架和人工辅助调直的方法, 插打过程中, 须遵守“插桩正直, 分散即纠, 调整合拢”的施工要点。在下端部系好适当的绳索以防止左右摆动。钢板粧起吊示意如图6所示。图6钢板粧起吊;意整个施工过程中, 要用锤球控制每片粧的垂直度, 并及时调整;在钢板粧插打时注意钢板桩的拼接缝不能在围堰的同一断面上, 应上下交替错开。每一片钢板粧先利用自重下插, 当自重不能下插时再进行加压。5.3钢板桩合拢钢板桩打入的顺序由四周边线中点处依次向4个角合拢。在即将合拢时, 开始测量并计算出钢板桩底部的直线距离, 再根据钢板桩的宽度, 计算出所需钢板桩的片数, 按此确定下一步钢板粧如何插打。为了便于合拢, 合拢处的两片桩应一高一低。方形钢围堰有4个面, 打完的每一片钢板桩都要沿导向架的法线和切线方向垂直, 合拢应选择在角桩附近 (一般离角桩4~5片) , 如果距离有差距, 可调整合拢边相邻一边离导向架的距离。为了防止合拢处两片桩不在一个平面内, 一定要调整好角粧方向, 让其一面锁口与对面的钢板粧锁口尽量保持平行。5.4钢板桩堵漏一般做法是在钢板桩施工过程用棉絮、黄油、木屑等填充物填塞接缝。施工过程中发现此类方法不是很理想, 后在钢板桩插打完成开始抽水安装内支撑时, 采用边抽水一边顺着钢板粧的接缝灌人较干的细砂, 或针对较大的错缝, 使用钢管塞人棉絮的方式, 利用水压力将细砂和棉絮吸人接缝内达到堵漏的目的。施工中均达到了较好的效果。5.5腰梁安装腰梁安装应按照施工方案和工序顺序进行, 需要注意的是腰梁与钢板桩的连接, 当钢板粧的顺直度较差时, 腰梁与钢板桩之间存在大小不一的间隙, 会改变钢板粧和腰梁的受力和变形, 造成较大的安全隐患, 施工中要求将腰梁与钢板粧之间的间隙全部采用型钢焊接支撑连接, 围堰的四角尤其注意加强。6结语钢板桩围堰施工方案在该桥得到了顺利实施, 计算与有限元分析结果较为真实地反映了钢板粧及内支撑的实际受力状态, 具有较高的安全性。各种构件均较好地利用了其强度特性, 采用的围堰布置较为经济。施工全过程中做到无水开挖, 混凝土构件质量得到了保证。参考文献:[1]张校冬·拉森I V钢板桩围堰设计与施工[«1].价值工程, 2015 (6) :131-132.[2]张凯·钢板桩围堰应用与受力分析[J].山西建筑, 2015 (4) :1 8 0-1 8 1.[3]强新伟, 梁鹏·浅谈复杂地质条件下钢板桩施工技术[J].中小企业管理与科技 (上旬刊) , 2 0〗5 (3) :1 1 1-1 1 4.[4]安关峰, 刘添俊, 张洪彬.深水逆作法钢板粧围堰设计与施工[J]■施工技术, 2014, 43 (19) :57-6 0.
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