钢管桩与拉森钢板桩结合在水中墩承台施工中应用

1、xx有限公司2010年12月钢管桩结合拉森钢板桩围堰施工技术研究报告工程概况盘营客运专线盘海特大桥起于盘山县新开镇、止于海城市西四 镇，桥址中心里程为DK61+019。盘海特大桥全桥长20094.19米，总计 孔垮为633孔,其中简支梁跨为595孔,其余孔跨采用连续梁通过，在跨 越三岔河主河道时采用45+70+70+45m悬浇梁跨越。本联连续梁的下 部结构为盘海特大桥478#、479# （连续梁主墩）、480# （连续梁主墩）、 481#墩，其中478#、479#墩由我工区施工。三岔河枯水期河宽230m， 最深处水深6m，桥梁沿既有沟海线走行，采用圆端形桥墩，钻孔桩基 础，其中479#、480

2、#、481#墩均在水中，479#墩需由河面高程垂直下 挖18m深，属于超深基坑开挖。拟采用筑岛围堰，钢板桩与钢管桩结 合防护基坑的方案。采用的防护方案由于479#墩在三岔河河道中，且承台基坑开挖深度属于超深基 坑，若是单独采用拉森钢板桩围堰，围堰防护的刚度难以保证，基坑 可能发生巨大变形，若是单独采用钢管桩围堰做基坑防护，围堰的泌 水性难以保证，基坑排水会困难很大，介于此情况，拟采用筑岛围堰， 钢板桩与钢管桩结合防护基坑的方案。筑岛顶面标高填筑到+3.6m（按 筑岛填土厚度4m而定），河床标高为-0.4m，承台底面标高-12.558， 承台平面尺寸为18.6X 14.6m。采用钢管桩结合拉森钢

3、板桩围堰进行承台施工时，钢管桩采用 630X 10X24000mm、拉森钢板桩采用575 X 10X 12000 mm （竖向2根焊 接接长到24000mm），围堰平面尺寸为21.6X17.6m （每边扩大1.5m）， 共设置5道内支撑，承台底面以下2m为C30封底混凝土。围堰桩顶标高为+3.6m，第一道内支撑位于桩顶以下2m，标高为 +1.6m，以下逐道间距3+3+2.5+2.5m逐道支撑，第五道支撑到封底混 凝土顶距离为3.5m （此值保证承台模板的支立），如图1。图1钢管桩围堰及内支撑位置示意图结构应力验算3.1地质资料479#墩址回填土筑岛厚度约4m为素填黄土，回填土以下为粉细 砂。3

4、.1.1筑岛回填黄土填土厚度4m，内摩擦角？ 1=14，y 1=18.0kN/m3；主动土压力系数 Ka1=tg2(45 p 1/2)=0.61。3.1.2粉细砂厚度20m，内摩擦角？ 2=32，y 2=19.5kN/m3；主动土压力系数 Ka2=tg2(45 -? 2/2)=0.307。3.2结构参数钢管桩：630 mmX10 mmX24000mm；按16Mn钢，抗弯容许应 力o w=250Mpa；弹性模量 E=210Gpa。拉森钢板桩：Q345钢，575mm X 10mm X 24000mm，截面模量 W=1346cm3/m，抗弯容许应力o w=250Mpa；弹性模量 E=210Gpa。内

5、支撑：Q235钢，容许压应力o =160Mpa；抗弯容许应力o w=170Mpa；容许抗剪应力t =95Mpa。3.3.钢管桩强度验算说明：验算时的荷载最不利位置均位于第五道支撑到封底混凝土 底面段3.5m+2m=5.5m范围。理由是：(1)该段为开挖最深段，土压 力最大；（2）该段跨度最大（5.5m）。分析：3.3.1开挖到桩顶以下约2.5m深处，设置第一道支撑。设置第一 道支撑前，管桩在外侧土压力下桩顶向内侧倾移，这一倾移使得管桩 外侧土压力由静土压力（开挖前）变为主动土压力（开挖后）。此时，桩外侧为主动土压力，内侧为部分被动土压力及静土压力。 （之所以称之为部分被动土压力，是因为桩顶向内

6、侧倾移或有倾移趋 势，但这一被动土压力远未达到临界状态的被动土压力一一朗金理论 中的被动土压力一一土体被压临界破坏时的土压力。）3.3.2封底混凝土底部以上共18.5m，设置第一道支撑后，向下逐 段（或逐层）开挖的过程中，钢管桩不会再向内侧倾移。原因是：各 道横向内支撑约束了管桩向内侧倾移。3.3.3钢管桩实际会产生微小的向内侧倾移量，这一微小倾移量 为内支撑的弹性压缩量，这一微小倾移量使得管桩外侧土压力由静土 压力变为主动土压力。3.3.4封底混凝土层以下5.5m范围内土层受力相对较复杂：开挖 顶层土时，桩端部外侧一定范围内为部分被动土压力；开挖到一定深 度后，随着各道内支撑的设置及向下开挖

7、卸载，其外侧的部分被动土 压力逐渐减小，直到最后成为主动土压力；而管桩内侧土则反之，开 始在桩端部内侧一定范围内为主动土压力，开挖到一定深度后，随着 各道内支撑的设置及向下开挖卸载，其内侧的主动土压力逐渐增大， 直到最后成为被动土压力。3.3.5不考虑临界状态管桩的最小入土深度。理由是：设置的各 道支撑限制了管桩的倾移，不会产生朗金被动土压力理论中或板桩计 算理论中的临界状态。3.3.6基于以上各条分析，针对改进方案，对长24m的钢管桩结 合拉森板桩围堰进行受力验算。经上面各条分析，钢管桩受力模型为下图（图2）：图2中：p1 = K y h = 0.61 x 18 x 4 = 43.92kN

8、/m2p = K y h + K y h = 43.92 + 86.80 = 130.7kN/m2 2a1 1 1a2 2 2取单位宽度1m为计算对象，则P、=43.92kN / m ； P2=307kN / m取最不利荷载AB段为验算对象：计算假定：五道内支撑视为刚性；各支撑间的钢管桩段由连续梁简化为简支梁。因此，计算跨度LAB= 5.5m；以一根钢管桩结合一片拉森板桩为一个组合单元进行计算，宽度 为630+575=1.205m；于是，q=1.2。5（1307-3。=1215kN/m （减3ok/ 是由于带水开 挖）1 ql 2 = - x 121.5 x 5.52 = 459.4Mmax=

9、 88Mpa由计算资料知1m宽度内拉森板根数为100cm：57.5cm=1.74根所以，W 拉森板=1346：1.74=773.6兀（D，D 内3）+W=W=W 管桩+W 拉森板二32 拉森板 2264+773.6=3037.6cm3a w= W =151.24 MpaWo w=250 MPa结论：从整体结构验算结果得知，钢管桩结合拉森钢板桩强度满 足要求。3.4拉森钢板桩强度验算（属于局部强度验算）28.7528.75单位：cm图3拉森板桩最不利荷载位置受力图（取高度方向10cm板带）在最大土压力处取宽575cm、高10cm的拉森板带作为计算对象， 如图3。最大土压力 p=130.7kN/m

10、2；高10cm范围内钢板的荷载线集度为q=0.1 X 130.7=13kN/m;计算跨径为l = 0.575/2 = 0.2875m ;受力模型为一端固结、一端铰接的板。-ql 2 = - x 13 x 0.28752 = 0.5373kN - mMmax= 220.1x 0.1x 0.0126=1.667 x10-6 m3Mmaxa w= W =322.3 Mpaa w=250 MPa结果分析：在对拉森板不加支撑的情况下，靠一端焊接于管桩上 的固结作用，其抗弯强度是不能满足要求的。拉森板一半的长度为287.5mm，在其中部加焊竖向钢板时（图4）， 计算跨径变为575/4=143.75mm。1

11、 ql 2 = - x 13 x 0.143752 = 0.13433 - m因此，这时的Mmax= 22=1.667 x10-6 m3=1.667 x10-6 m3W =66Mmaxa w= W =80.58 MpaW o w=250 Mpa结论：在拉森板桩的中点附近加焊竖向钢板后，拉森板可满足强度要 求。3.5拉森钢板桩刚度验算（局部稳定验算）加焊竖向钢板情况下（如图4）：bh3 bh3 _ 0.1 x 0.013121=8.333 x 10-9 cm 4f =_ ql4 =13 x 103 x 0.1444=8EI - 8 x 210 x 109 x 8.333 x 10-9 = 0.4

12、mm这说明在加焊竖向钢板情况下，拉森板变形很小。3.6内支撑验算3.6.1分析原地面开挖到一定深度，到达设置第一道支撑位置。第一道支撑设置前，钢管桩顶部在外侧土压力下向内倾移，作用 在钢管桩上的主、被动土压力自平衡状态下设置第一道支撑。也即： 土压力已经平衡后，才设置第一道支撑，此时，第一道内支撑是没有 起到支撑作用的（水平向支撑的压力为零）。继续开挖到设置第二道内支撑位置时，设置第二道内支撑前，土 压力由第一道内支撑承受。此时，设置的第二道内支撑并不受水平向 压力，只有继续向下开挖时，第二道内支撑开始受水平向压力。如此类推，第三到第五道内支撑受力同上述分析。图5基于上述分析，可知（参图5）：

13、第一道支撑：承受下挖AB段土体时产生的土压力； 第二道支撑：承受下挖BC段土体时产生的土压力； 第三道支撑：承受下挖CD段土体时产生的土压力； 第四道支撑：承受下挖DE段土体时产生的土压力； 第五道支撑：承受下挖EF段土体时产生的土压力； 由图5知，第五道支撑为最不利荷载位置，作为验算对象。图6计算第五道支撑反力示意图图6计算第五道支撑反力示意图带水开挖时，围堰内的水压力卸载掉部分管桩外侧土压力。2求得 R5=5815.8kN取入土深度1.5m处为弹性支撑点，则有: （5.5 +1.5）R广些+些一 55） x 6 妇x 212求得 R5=5815.8kNS =玉=58戚8 x 103 = 0

14、.03635m 2。160 x 106一根？ 630内支撑截面 S1=n (0.3152-0.3052)=0.0195m2n = S = 1.864 = 2根数根（计算模型中已含大于1.5根数根（计算模型中已含大于1.5的安内支撑 1全系数）3.6.2结论最不利荷载处采用2根？ 630内支撑满足要求。（由于钢管内支撑 属于点支撑，而钢管桩外侧土压力属于分布荷载，点支撑对分布荷载， 会引起局部变形，因此，应在围堰四角加设斜向支撑）。3.7综上，得出以下验算结论3.7.1? 630钢管桩结合575型拉森板桩锁口围堰方案可行。3.7.2内支撑采用5层，每层2道？ 630钢管结合原方案中的斜向H 型角

15、支撑，方案可行。施工注意事项4.1开挖过程中，内支撑上疏下密原则；但是，由于承台（含加 台）高度一次立模浇注的需要，方案中出现上密而下疏现象，建议适 当提高第一道支撑（因为设置第一道支撑前，土压力完全由管桩自平 衡），第五道支撑位置固定，上面四道支撑可减少为三道，但按上疏 下密原则布置。4.2随时观测板桩变形；测量管口相对距离，板桩壁相对距离； 有条件的情况下，建议对第五道支撑上下1.5m范围内设置一定数量 应变片，并记录应变片粘贴位置及应力、应变值。4.3记录管桩打入过程中的入土速度、难易程度；从什么标高开 始入土缓慢、采用什么方法进行了处理等都应记录。打桩过程中，入 土不易时可采用吸泥泵等

16、插入钢管桩吸泥处理，但是，接近封底砼底 部标高附近应尽量避免采用吸泥机，以防止对底部土壤过多扰动而导 致开挖时发生涌水。一一也即，打桩过程中，能不采用吸泥机，最好 不采用。4.4设置第五道（即最下面一道支撑）支撑后，继续开挖直到封 底砼底面，本段竖向开挖深度最大（5.5m），建议下挖3m后，进行回 注水一定深度后再对下面2.5m深度范围进行带水开挖。4.5过程中，深约12m以下的开挖，应随时观测板桩、支撑等变 化情况，同时，应加强局部支撑或支护，以防止局部失稳。4.6横向内支撑上是容易布设应变片的，最好使用应变片实测一 些定量数据。4.7封底砼厚度不宜太小，以防止浮力造成的向上挠曲破坏。4.7

17、.1通过以上理论计算钢管桩采用直径 630mm，拉森桩采用 575mm。479#基坑采用长24m, 479#基坑采用长21m，壁厚10mm的钢管 桩加拉森桩支护， 630mm管桩上两边焊接拉森桩，将全部管桩连接 在一起，通过拉森桩来止水。根据开挖深度自上而下，钢管桩内侧设置五道支撑体系，第一道支撑设在桩顶向下2m,第二至第五道支撑由 上到下分配，分别为3m、3m、2.5m、2.5m、3.5m （封底混凝土为2.0m） （支撑见图7）。钢管桩内侧围檩采用H40型钢，前三道内支撑采用？630X10的Q235A钢管，后两道内支撑用？ 630X12的无缝钢管，内支 撑两端增加型钢斜撑，斜撑采双并40工

18、字钢，转角处的斜撑采用H40 型钢并帖焊钢钢管适当加强。围堰结构（见图8）。基坑支护断面贸底混疑土单位:cm图7图8基坑防护平面图单位：cm基坑支护断面贸底混疑土单位:cm图7图8基坑防护平面图单位：cm4.7.2采用单根长度为24m的钢管桩，钢管桩打设宽度比承台最 大结构尺寸每边宽至少1.5m，根据钢管桩单根宽度和底承台最大截面 尺寸18.6*14.6钢钢管桩打设宽度分别为21.6m和17.6m，每边宽1.5m， 钢管桩需露出正常水位1m，以阻挡受潮水影响，河水流向基坑内。钢 管桩内部设五道围檩。围檩及加固图（图9）。图9围檩及加固图其中DZ180振动锤负责全部管桩的拔出与部分围堰的管桩打设

19、。6.1施工顺序先施打角桩，保证第一根钢管桩的垂直度，并且保证沿挖好的基 坑中线施打；然后，在两侧同时展开管桩施工，施工中控制好管桩互 相穿插时的自由长度，以保证围堰的顺利合拢。6.2施工工艺流程插打定位角桩一逐根插打钢管桩至围堰合拢一挖掘机、吸泥开挖 一边支护边堵漏一混凝土垫层一承台施工一拆除钢管桩围堰6.3施工准备630钢管，H40型钢运到工地后，加工焊接施工平台，在平台将 三种材料点焊在一起，然后再转移开进行焊接，控制好角桩、平桩三 种材料的角度。6.4经测量定位后，沿围堰四周布置好开挖线6.4.1钢管桩插打：为保证钢板桩打设精度采用屏风式打入法。 先用吊车将钢板桩吊至插桩点处进行插桩，插桩时锁口要对准，每插 入一块即套上桩帽轻轻锤击。在打桩过程中，为保证垂直度，用两台 经纬仪在两个方向加