河大橋鋼板樁圍堰穩(wěn)定及防滲淺析

1、Setit河大橋鋼板樁圍堰穩(wěn)定及防滲淺析摘要：Setit河大橋2#，3#，4#，5#橋墩采用鋼板樁圍堰，是蘇丹境 內(nèi)第一座使用了鋼板樁圍堰施工的大橋，針對(duì)施工中鋼板樁的穩(wěn)定及抗?jié)B問(wèn)題進(jìn) 行了分析研究：（1 ）針對(duì)鋼板樁圍堰的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及受力情況，對(duì)鋼板樁的 穩(wěn)定進(jìn)行了分析及計(jì)算。（2）針對(duì)鋼板樁圍堰的防滲處理，進(jìn)行了封底磴的 計(jì)算。（3）論證了鋼板樁施工的可行性，提出了解決方案，使工程能夠順利 完成。矢鍵詞：水利工程鋼板樁圍堰穩(wěn)定防滲中圖分類(lèi)號(hào)：TV1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791 （ 2012） 12 （a） -0037-03蘇丹上阿特巴拉水利樞紐工程跨河橋梁項(xiàng)目包括上阿特巴拉河

2、大橋 和賽蒂 河大橋，橋長(zhǎng)分別為200 m和260 m。上阿特巴拉水利樞紐工程距蘇丹首都公 路里程約460 km，建成后將形成一個(gè)約30億m2庫(kù)容的水庫(kù)。賽蒂河大橋孔 跨的布置為7孔跨度為30+5x 40+30的連續(xù)貝雷梁橋。橋梁設(shè)計(jì)荷載：HL- 93 or HS20-44。主墩采用雙柱式框架墩，蓋梁尺寸為10 mx1.5 mx1.2 m，墩柱直徑 為1.2 m?；A(chǔ)采用2根1.4 m鉆孔灌注樁。上部結(jié)構(gòu)為30+5x40+30 m的連續(xù)貝 雷梁裝配式公路鋼橋，貝雷梁均由長(zhǎng)3.048 m的標(biāo)準(zhǔn)梁段現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成，橋面 均采用標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)橋面板現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成。主要工程項(xiàng)目、數(shù)量見(jiàn)表1 水文、氣象、地質(zhì)

3、情況。(1 )水文情況：賽蒂河橋址處百年一遇洪水位為496.5 m，百年一遇洪水流量為9800 m3/s (2) 氣候條件：項(xiàng)目地點(diǎn)為半干旱氣候(semi arid climate )，六月下 旬到十月有季節(jié)性降水，常年高溫，尤其在日間。(3) 地質(zhì)情況：根據(jù)場(chǎng)地巖性特征，橋址區(qū)域劃分為 12層，各層土 的分布為地表覆蓋物，層卵石，層粉砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖，層砂巖， 層泥巖，層砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖等。1鋼板樁穩(wěn)定計(jì)算方法由于2#、3#、4#墩樁系梁底高程為481.8 m，低于現(xiàn)河床水位(485.8m) 4m 且位于主河床處，采用常規(guī)的土石圍堰無(wú)法保證樁系梁能處于干地施 工狀態(tài)，

4、為了保證后續(xù)樁頭拆除、樁基檢測(cè)、聲測(cè)管注漿、墊層磴施工、樁系梁 鋼筋綁扎、模板支立、磴澆筑等工序的順利施工，2#、3#、4#墩樁系梁基礎(chǔ)采用單層鋼板樁圍堰，吊車(chē)配合振拔機(jī)插打鋼板樁的方法進(jìn)行施 工，具體施工工藝如下：鋼板樁運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后，進(jìn)行檢查、分類(lèi)，同時(shí)進(jìn)行鎖 口檢查、彎曲、破損、長(zhǎng)度檢查，如發(fā)現(xiàn)不合格的鋼板樁，應(yīng)立即進(jìn)行修整。鋼 板樁圍堰開(kāi)挖至水面以上時(shí)，即可進(jìn)行鋼板樁圍堰內(nèi)導(dǎo)梁施工，內(nèi)導(dǎo)梁采用兩棍 36a “工”字鋼并排焊接，內(nèi)導(dǎo)梁位于牛腿之上，牛腿采用12.5#角鋼焊接在鋼 板樁上(見(jiàn)鋼板樁圍堰平面圖)。其主要是作為鋼板樁圍堰的內(nèi)部立體支撐， 直接承受鋼板樁傳來(lái)的水、土壓力。以下為鋼

5、板樁穩(wěn)定計(jì)算，圖1為鋼板樁示意圖。1)地基為天然與未分級(jí)的砂，根據(jù)合同文件技術(shù)條款查的：粘聚力C=0 kPa，內(nèi)摩擦角=35，計(jì)算工況為開(kāi)挖至480.5高程，澆注封底混 凝土后，抽干基坑內(nèi)水，并在486高程加設(shè)一道支撐，鋼板樁埋深平均按3 m 考慮。從招標(biāo)文件中查得含水率w為20%，壓實(shí)后濕容重yh=19 kN/m3則壓 實(shí)后干容重 yd=yh/ (1+w) =15.83 kN/m3 孔隙率(1=1丫缶(y wds)，沙 土比 重約為2.67，則孔隙率n=0.41。浮容重 yf=yd- (1-n) yw=15.83- (1-0.41 ) x 10=9.93kN/m3(2)受力計(jì)算。鋼板樁受外側(cè)

6、主動(dòng)土壓力、內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力、內(nèi)外側(cè)靜水壓力、支撐力等形成平衡。1.1主動(dòng)土壓力計(jì)算對(duì)485.8以上水位的地基按照Yh=19 kN/m3計(jì)算，對(duì)485.8以下水位 的地基按yf=9.93 kN/m3計(jì)算取單位寬度1 m的鋼板樁為研究對(duì)象，計(jì)算 簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tan2 (45- 0/2 )，將=35代入計(jì)算式得Ka=0.271采用郎肯理論進(jìn)行土壓力計(jì)算對(duì)于485.8高程以上部分，土壓力 強(qiáng)度。式中：Y=19kN/m3，H=0.7計(jì)算得A點(diǎn)土壓力強(qiáng)度Pa1=3.6 kN/m2 486.5高程到485.8高程段的 主動(dòng)土壓力式中：y=19 kN/m3，H=0.7 m圖中三角形ADE面積

7、即主動(dòng)土壓力大小，計(jì)算得Ea=1.26 kN/m，作用點(diǎn)高程為485.8高程以上0刀3m對(duì)于485.8高程以下部分，增加的土壓 力強(qiáng) 度式中：Y =9.93 kN/m3，H=8.3 m計(jì)算得B點(diǎn)土壓 力強(qiáng)度Pa2=3.6+22.31=25.9 kN/m2 增加的土壓力大小Ea=0.5 x 9.93 x 8.32=92.58 kN/m梯形面積ABCD即主動(dòng)土壓力大小Ea2= ( 3.6+25.9 ) x8.3/2=122.43 kN/m。2.2外側(cè)水壓力計(jì)算水壓力大小式中：y w=10 kN/m3、H=8.3 m計(jì)算得Fw=344.45 kN/m總主動(dòng)土壓力大 小 Ea=1.26+122.43

8、+344.45=468.14 kN/m 總主動(dòng)土 壓力作用位置，以 477.5 高 程為o點(diǎn)5沿高程方向?yàn)閥方向：計(jì)算得y=2.7 m （圖2）。2.3被動(dòng)土壓力計(jì)算（圖3）被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp=tan2 （ 45+0/2 ）被動(dòng)土壓力強(qiáng)度式中：丫=9.93 kN/m3，h=3 m 計(jì)算得 Pp=109.63 kN/m2被動(dòng)土壓力計(jì)算得Ep=164.45 kN/m 2.4內(nèi)側(cè)水壓力計(jì)算Fw=0.5x 10 x 3x 3=45 kN/m則總被動(dòng)土壓力（包含水壓力）大小Ep=164.45+45 =209.45 kN/m 作用點(diǎn)位于 477.5 m 高程以上 1 m 處（1）力矩計(jì)算。所有力對(duì)鋼板樁底

9、部取矩總主動(dòng)土壓力力矩Ma=468.14x2.7=1263.98總被動(dòng)土壓力力矩Mp=209.45x 1 =209.45根據(jù)力矩平衡原理，多余力矩依靠封底混凝土及支撐平衡鋼板樁整體受力見(jiàn)圖Ea=F1+F2+Ep (1)Eax2.7=Epx1 +F1 x3.5+F2x8.5 (2)取 1 m 寬為研究對(duì)象，Ea=468.14 kN，Ep=209.45 kN聯(lián)立解方程組得 F1 =228.87 kN F2= 29.82 kN工字鋼為36A，截面積為76.3 cm2工字鋼應(yīng)力：工字鋼長(zhǎng)度系數(shù)按兩端較接卩=1壓桿的柔度式中：I為工字鋼長(zhǎng)邊12.5 mi為截面慣性半徑為14.4 cm計(jì)算得X =86.8

10、1工字鋼的允許應(yīng)力式中：E為鋼筋的彈性模量，取2.06x 105 MPa計(jì)算得：，所以采用36A的工字鋼支護(hù)是可行的通過(guò)以上計(jì)算可以得知，鋼板樁是 穩(wěn)定的。鋼板樁施工時(shí)，前一部分采用逐塊插打，后一部分先插打合攏后再插打其 余部分鋼板樁。插打次序從上游開(kāi)始，在下游合攏，每邊由一角插打至另一角。插打鋼板樁時(shí)要嚴(yán)格控制好樁的垂直度，尤其是第一根樁要從兩個(gè)相 互垂直的方向同時(shí)控制，確保垂直不偏，插打一塊或幾塊樁穩(wěn)定后即與導(dǎo)框進(jìn)行連接鋼板樁吊起后用人工扶持，插入前一塊的鎖口后繼續(xù)下插，如下插困 難時(shí)，可用強(qiáng)迫插樁法，即采用將樁吊起插入鎖口后快速放松吊裝繩，借 樁自重急速下插，如下插依然困難，則用導(dǎo)鏈或滑

11、車(chē)組絞拉或用錘壓樁下 插，必 要時(shí)可以低錘慢打，直至將鋼板樁插打至預(yù)定位置。打樁機(jī)具采用50T吊車(chē)帶振動(dòng)打樁機(jī)在施工平臺(tái)上進(jìn)行打樁。2基坑開(kāi)挖、防滲及排水2#、3#、4#墩采用鋼板樁圍堰和水下封底磴進(jìn)行防滲處理，基礎(chǔ)開(kāi)挖采用 挖掘機(jī)進(jìn)行分層開(kāi)挖：第一層先挖至水面以上，然后再進(jìn)行內(nèi)支撐系統(tǒng)的安裝和 焊接，第二層開(kāi)挖到封底磋底面。由于鋼板樁施工時(shí)每塊鋼板樁的長(zhǎng)度不一致，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看，局部 鋼板樁高出地面13 m左右，挖掘機(jī)進(jìn)行基坑開(kāi)挖受場(chǎng)地限制，開(kāi)挖深度將會(huì) 受到影響，擬將下游側(cè)鋼板樁進(jìn)行切割處理，即將高出施工平臺(tái)的鋼板樁切割到 平臺(tái)高程，即486.5 m，采用CAT320DL進(jìn)行開(kāi)挖。由于

12、受到挖掘機(jī)有效挖掘深度的影響（基坑深度為 6m），剩余部分基 坑開(kāi)挖采用砂石泵抽砂進(jìn)行，即采用邊抽砂邊注水的施工方法，砂石泵基本配置 如下：電機(jī)功率：30 kW有效揚(yáng)程：13m吸程：7.5 m功率：180 m3/h封底磴采用C20磴，厚度為1.0 m，封底磴頂標(biāo)高低于樁系梁底標(biāo)高30 cm，以利于進(jìn)行找平。排水?dāng)M采用大功率污水泵，具體配置將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際 情況選用。鋼板樁圍堰施工示意圖如圖5封底磴施工結(jié)束后，根據(jù)鋼板樁圍堰內(nèi)外的水、土壓力差作用，驗(yàn)算 封底 磴所受作用力情況。由于有封底碇，因此這時(shí)不考慮涌砂、管涌、基底隆起現(xiàn)象，只驗(yàn)算 整體 抗浮穩(wěn)定和強(qiáng)度。整體抗浮驗(yàn)算：由于鋼板樁圍堰內(nèi)抽干水后

13、，內(nèi)外水壓力差形成的力將對(duì) 其產(chǎn)生向上的浮力，將由圍堰自重、支護(hù)自重、圍堰與土的摩阻力及混凝土自重 來(lái)平衡。按封底妊澆筑完畢且進(jìn)行排水后(未考慮30 cm的找平層)的最不利情況 進(jìn)行考慮：計(jì)算安全系數(shù)：K=PK總抗浮力/Pf浮力Pf上浮力計(jì)算如下：浮力面積：Auplift=12.5 m x4.5 m-2 x3.14 x ( 1.40/2 ) 2=53.17 m2封底磴底高程=481.8-0.30-1.00=480.50 m h=485.80-480.50=5.30 mPf 上浮力=Fuplift=5.3 to/ sm2 x 53.17 m2=281.8to PK 總抗浮力計(jì)算如下：PK總抗浮力

14、=G混凝土 +P摩阻力G 混凝土 =Fuwc=2.3 to/m3 x53.17 m2 x 1 .Om=122.30 toP摩阻力JL送fi -hi=0.4 x 34x 30x 10=408 toPK 總抗浮力=122.30 to+408to=530.3 to式中，入為抗拔容許摩阻力與受壓容許阻力的比例系數(shù)，一般取0.40.7 ；L為支護(hù)與土體接觸外壁周長(zhǎng)；fi為支護(hù)側(cè)各土層的容許摩阻力，按最不利情況考慮，即全部按粉細(xì)砂層考慮，取值30 kPa ；hi為支護(hù)側(cè)各土層的厚度，取平均值為10m；安全系數(shù) K=530.3/281.80=1.881.05 安全封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算：封底混凝土板在上浮力(靜

15、水壓力)作用下的內(nèi)力，可以近視地簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支單向板計(jì)算。封底層頂因靜水壓力作用產(chǎn)生的彎曲拉應(yīng)力f為：f=1/8 x qL2/W=L2/8x ( rWx ( h+d) -rc xd) / (d2/6 ) =(3L2/4d2 ) x rWx ( h+d) -rc xd f=(3x4.52/4x12) x 1 x ( 4.3+1 ) -2.3 x1=45.56 kN/m2=0.045 mPa1.2 mPaL為基坑底小邊尺寸q為封底磴底面靜水壓力；W為封底斤仝每1 m寬截 面的抗彎模量（m3） ; h為封底磴頂面處水頭（m） ；d為假定的封底磴最小厚度；rw為水的重度（kN/m3） ; rc為召仝的重度

16、（kN/m3） ; f為封底 碇容許抗彎彎曲強(qiáng)度，一般采用C15或C20碇，考慮荷載作用時(shí)時(shí)間較短，可分別取1200-1500 kPa。綜合上述的分析及計(jì)算來(lái)看，采用 1 m厚的C20封底磴是切實(shí)可行的。4鋼板樁拔除樁系梁及墩柱施工結(jié)束后，開(kāi)始鋼板樁拔除施工。鋼板樁拔除 前，先將圍堰內(nèi)的支撐拆除，然后略加錘擊使鋼板樁與水下磴脫離黏結(jié)，再選 擇一組或一塊較易拔除的鋼板樁，錘擊振動(dòng)后拔高12 m，使其松動(dòng)，再?gòu)?下游開(kāi)始分兩側(cè)向上游挨次拔除，對(duì)樁尖打卷及鎖口變形的樁，可加大拔樁設(shè)備 的能力，將相鄰的樁一齊拔出。拔出的鋼板樁應(yīng)清刷干凈、修補(bǔ)整理，堆放時(shí)應(yīng) 按鋼板樁類(lèi)型、長(zhǎng)度分類(lèi)碼放，以便下一個(gè)墩身的施工。5結(jié)