钢管桩与拉森钢板桩结合在水中墩承台施工中应用

钢管桩结合拉森钢板桩围堰施工技术研究试制报告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1.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#、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。2.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18.6×14.6m。采用钢管桩结合拉森钢板桩围堰进行承台施工时，钢管桩采用Φ630×10×24000mm、拉森钢板桩采用575×10×12000mm（竖向2根焊接接长到24000mm），围堰平面尺寸为21.6×17.6m（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3.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。3.1.1筑岛回填黄土填土厚度4m，内摩擦角φ1=14°，γ1=18.0kN/m3；主动土压力系数Ka1=tg2(45°-φ1/2)=0.61。3.1.2粉细砂厚度20m，内摩擦角φ2=32°，γ2=19.5kN/m3；主动土压力系数Ka2=tg2(45°-φ2/2)=0.307。3.2结构参数钢管桩：Φ630mm×10mm×24000mm；按16Mn钢，抗弯容许应力[σw]=250Mpa；弹性模量E=210Gpa。拉森钢板桩：Q345钢，575mm×10mm×24000mm，截面模量W=1346cm3/m，抗弯容许应力[σw]=250Mpa；弹性模量E=210Gpa。内支撑：Q235钢，容许压应力[σ]=160Mpa；抗弯容许应力[σw]=170Mpa；容许抗剪应力[τ]=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——朗金理论中的被动土压力——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图2中：取单位宽度1m为计算对象，则；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，（减30kN/m是由于带水开挖）Mmax=Mpa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=773.6W=W管桩+W拉森板=2264+773.6=3037.6cm3σw==151.24Mpa≤[σw]=250MPa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）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/m2；高10cm范围内钢板的荷载线集度为q=0.1×130.7=13kN/m;计算跨径为;受力模型为一端固结、一端铰接的板。Mmax=σw==322.3Mpa＞[σw]=250MPa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。图4锁口拉森板桩加强示意因此，这时的Mmax=σw==80.58Mpa≤[σw]=250Mpa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）：0.4mm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）：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带水开挖时，围堰内的水压力卸载掉部分管桩外侧土压力。取入土深度1.5m处为弹性支撑点，则有：求得R5=5815.8kN一根φ630内支撑截面S1=π(0.3152-0.3052)=0.0195m内支撑根数根（计算模型中已含大于1.5的安全系数）3.6.2结论最不利荷载处采用2根φ630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3.7.1φ630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φ630钢管结合原方案中的斜向H型角支撑，方案可行。4.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。——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。4.7.1通过以上理论计算钢管桩采用直径φ630mm，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，φ630mm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φ630×10的Q235A钢管，后两道内支撑用φ630×12的无缝钢管，内支撑两端增加型钢斜撑，斜撑采双并40工字钢，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）。图7基坑支护断面图单位：cm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5.钢管桩焊接5.1Ф630管桩的对焊接口处先电焊满焊，焊缝高度10mm，然后在接头处焊4块加强钢板，尺寸为25×25×1cm，厚度=10mm。5.2575拉森桩与Ф630管桩连接焊575拉森桩与Ф630管桩连接采用双面全长满焊，再在拉森桩与钢管桩上每80cm一道采用15×15×1cm钢板进行加强焊。5.3H40型钢与Ф630管桩的焊接5.3.1H40型钢的对焊。接口处，先进行满焊，焊缝高度11mm；再在H钢两侧焊加强钢板，厚度=10mm；5.3.2拉森桩与钢管桩的焊接，双面满焊，焊缝高度10mm。6.钢管桩打设钢管桩加工好后，利用50t履带吊，50t汽车吊,DZ180振动锤。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。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→逐根插打钢管桩至围堰合拢→挖掘机、吸泥开挖→边支护边堵漏→混凝土垫层→承台施工→拆除钢管桩围堰6.3施工准备Ф630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以控制。为防止锁口中心平面位移，在打桩进行方向的钢板桩锁口处设卡板，阻止板桩位移。同时在围檩上预先算出每