XXX特大橋圍堰設(shè)計與施工(拉森鋼板樁)

1、XXX 特 大 橋深 水圍堰設(shè)計與施工2013.7XXX特大橋深水圍堰設(shè)計與施工一、 XXX特大橋主墩簡價二、 幾種方案的可行性比較三、 圍堰的組成結(jié)構(gòu)四、 圍堰受力計算五、 圍堰施工XXX特大橋深水圍堰設(shè)計與施工一、 XXX特大橋主墩簡介XXX特大橋位于xxxXXXX，全橋長878.1米，分上、下兩幅，主橋為60+100+60連續(xù)變截面箱式結(jié)構(gòu)采用掛藍(lán)施工。引橋為以30 m空心箱梁為主的先簡支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。XXX航運比較繁忙，屬于超五級航道，規(guī)劃四級。為了使橋主跨與航道平行，保證通航寬度，該橋與XXX成斜交形成角度為55。，其主橋上、下兩幅橋墩設(shè)置的樁號不同，相差近12m左右。四個主墩均

2、位于XXX中，距岸邊分別30m和70m，主墩樁基礎(chǔ)是由8根2.5m的群樁組成上接大體積砼承臺，承臺位于河床下4.0m，水深近5.0m，屬于深水，長樁施工。XXX特大橋主墩編號為68號與69號，主墩都位于主河道內(nèi)，距岸邊分別為70米和40米，上游側(cè)與便橋相臨，相距7.0米，目前水深4.0m，水流較緩慢流速1.5m/s。江水漲落不大，在豐水期水深5.0m，漲幅1.0m，據(jù)統(tǒng)計沒有海水的頂拖現(xiàn)象。主墩承臺底標(biāo)高上下游不同，68號墩承臺底標(biāo)高分別為-5.8m和-3.7m，下游幅較深。69號墩上下游承臺底標(biāo)高分別為-4.88m與-3.97m。根據(jù)設(shè)計提供的地質(zhì)資料，河床地質(zhì)為粘土和亞粘土相間分層，厚度不

3、一，滲透力差。二、 幾種方案的可行性比較1雙壁鋼圍堰總結(jié)我國橋梁深水基礎(chǔ)施工中的各種圍堰類型，根據(jù)圍堰的特點可知：雙壁鋼圍堰的剛度大，能承受向內(nèi)向外的壓力，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，也能為頂部施工平臺提供支撐條件，但相對費用比較昂貴，回收率不高。根據(jù)以上對主墩地質(zhì)情況分析，10m范圍內(nèi)全部為淤泥質(zhì)粘土，標(biāo)高變更后降低，這就增加了圍堰高度，一次投入資金比較大，根據(jù)XXX地理環(huán)境，航運比較繁忙，而且主墩臨近主航道，鋼圍堰的就位、安裝非常困難。2鋼管樁鎖口圍堰根據(jù)原我局深水基礎(chǔ)的施工總結(jié)，鋼管樁圍堰縱向剛度比較大，而且施工中也容易使鋼管下打到地層中，但鎖口封水比較難，安全系數(shù)不大。但是由設(shè)計圖可知，承臺底標(biāo)高在

4、淤泥下3.5m左右，鎖口在淤泥層中，不易封水。3鋼板樁圍堰鋼板樁圍堰是深水基礎(chǔ)、基坑支護(hù)的很有效的，施工比較簡單，結(jié)構(gòu)受力明確的一種圍堰形式。根據(jù)以上地質(zhì)情況，淤泥層較厚，水深為4.0m，采用鋼板樁圍堰，施工中下打方便，靠鎖口于淤泥中封水比較容易，成功率大，較以上兩種費用低。而且XXX水位變化不明顯，也沒有海水的頂推，因此向外壓力不用考慮。這也是鋼板樁圍堰與鋼套箱圍堰的差別。只是鋼板樁圍堰同以上兩種方案比，鋼板樁剛度小，需加強(qiáng)密內(nèi)支撐。三、 圍堰的組成結(jié)構(gòu)鋼板樁圍堰是由封底砼、內(nèi)支撐、圍囹堰體、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)圖紙?zhí)峁┑馁Y料，承臺底標(biāo)高在淤泥層下3.5m，而且淤泥質(zhì)亞粘土層深為10.3m水深

5、4.0m。因此設(shè)鋼板樁穿過淤泥，進(jìn)入亞砂土4.2m進(jìn)行驗算，內(nèi)支撐按堰體等彎矩并結(jié)合承臺施工的實際情況分布。水流及行船浪擊堰體按動水壓力考慮。封底砼用1.2m厚C20。四、 圍堰受力計算1 根據(jù)地理、地質(zhì)情況，對圍堰的受力情況進(jìn)行分析： (1) 動水壓力，取安全系數(shù)2。A、 圍堰受力分析（1） 圍堰施工時，捶打鋼板樁，內(nèi)外壓力相等。當(dāng)圍堰合攏后，圍堰將水體分成內(nèi)外兩部分，外側(cè)水為流動水，內(nèi)側(cè)為靜水，圍堰受外側(cè)動水壓力和浪擊壓。（2） 當(dāng)圍堰施工完成后，進(jìn)行清淤到封底砼底標(biāo)高，這時圍堰除受外側(cè)動水浪擊壓力外，還我內(nèi)外淤泥壓力差。而且堰體存在由內(nèi)外壓力形成的傾翻力矩作用，為施工安全起見考慮圍堰合攏

6、后第一道支撐。（3） 當(dāng)水位到第二道支撐標(biāo)高時，圍堰反支撐受力穩(wěn)定情況。（4） 清淤、抽水到第三道支撐標(biāo)高時，圍堰及支撐受力穩(wěn)定情況驗證。（5） 封底砼施工完成后，等強(qiáng)度達(dá)到要求后，進(jìn)行堰內(nèi)抽水時，堰體的受力情況與支撐結(jié)構(gòu)的驗算。（6） 封底穩(wěn)定包括：水的浮力、動水壓力與護(hù)筒圍堰內(nèi)側(cè)的粘結(jié)情況，砼形成板的穩(wěn)定。B、 動水壓力計算：根據(jù)XXX設(shè)計資料提供的水流速度V=1.5m/s驗算每米鋼板村承受的力：P=K·H·V2/2g×B×DK為安全系數(shù)取2.0H為水深V=1.5m/sg為重力加速度9.8m/s2B樁板寬1.0mD水的密度P=2×4

7、5;1.52/(9.8×2) ×1×1=0.918t根據(jù)圍堰設(shè)計資料及橋涵2-2-60資料，確定動水作用集中點為水面下水深1/3計算。Hc=1/3×4.0=1.33m，即：P作用于堰體標(biāo)高為-0.1m位置處,根據(jù)結(jié)構(gòu)在P作用下，圍堰平衡只能由打入樁一定深度的被動土壓力完成。為了施工安全起見，施工時采用先由平臺基礎(chǔ)鋼管樁加一層橫梁作為臨時內(nèi)支撐。C、 圍堰板樁插打完成后，及時支頂最上一層內(nèi)支撐，內(nèi)支撐的材料采用80的鋼管成425×425方格形式布置，然后再進(jìn)行清淤，清淤結(jié)束后，驗算由內(nèi)外形成的壓差及動水壓力作用時圍堰的受力情況。計算外側(cè)主動土村力

8、及其作用點亞粘土的粘聚力5Kpa容重=17KN/m3內(nèi)摩擦角：粘土、亞砂土=20°淤泥質(zhì)亞粘土：=5°容重： 1=17KN/m3淤泥質(zhì)亞粘土:C=2Kpa將外側(cè)淤泥層上的水視為當(dāng)量厚度的淤泥質(zhì)亞粘土厚h1=hw·2/水=4×10/17=2.35m承臺的底標(biāo)高按-5.8米計，清淤底標(biāo)高按-7.3米計。內(nèi)外土層高差4.5米。淤泥的強(qiáng)度壓力Pp=1·h·tg2(45°-/2)-2·C·tg(45°-/2)= 1·h·tg2(45°-5°/2)- 2·C

9、·tg(45°-5°/2)=17×(2.35+4.5) ×0.84-2×2×0.916=94.15KN/m2Pa=1·h1·Ka-2×2×Ka1/2 =29.894KN/m2 全部主動土壓力Ea=1/2(29.894+94.15) ×4.5=279.1KN/m水壓力Ea=1/2×10×8.5=361.2KN/m主動土壓力點離P點距離yc=h/3·(a+2b)/(a+b)=4.5/3×(94.15+2×29.89)/(94.15

10、+29.89)=1.86m若將以上土壓力計算時按粘土、亞砂土透水成飽和狀態(tài)考慮，主動土壓力應(yīng)計算其=-w浮容重：Pa=1·h1·Ka-2×c× Ka1/2 =（17-10）×2.35×0.84-2×2×0.916=10.15KN/m2Pb=1·(h1+h1) ·tg2(45°-5°/2)- 2·2·tg(45°-5°/2)=(17-10) ×6.85×0.84-2×2×0.916=36.614KN

11、/m作用點距底:yc=h/3·(a+2b)/(a+b)=4.5/3×(36.614+2×10.15)/(36.314+10.15)=1.827m計算內(nèi)側(cè)被動土壓力及其作用點:將么層的淤泥層視為亞砂土上的均布荷載,計算亞砂土的被動土壓力:q=(9.1-7.3) ×17=30.6KN/m2將其換算為當(dāng)量亞砂土層厚:h=q/=30.6/25=1.224m :亞砂土取17KN/m3被動土村力強(qiáng)度:Pa=2×c×Kp1/2=2×5×tg(45°+20°/2)=10×1.428=14.428KN/

12、mPb=·h·Kp1/2=17×(h1+h11) ·Kp+2c Kp1/2=17×(4.2+1.224) ×tg2(45+20/2)+2×5×tg(45+20/2)=202.4KN/m被動土壓力為:Ep=1/2·h2·Kp+2c·h·Kp1/2=1/2×17×5.424×2.04+2×5×5.424×1.428=171.5KN被動土壓力作用點位置:yc=h/3·(a+2b)/（a+b）=5.4/3×

13、;202+2×14.428/(202+14)=1.92m根據(jù)主動土壓力及位置，被動土壓力及位置、動水壓力及位置，驗算鋼板樁的入土深度，選擇鋼板樁截面。Mo=E動×1.33+E主×6.7-E被×10.8=0.918×1.33+105.219×6.7-215.7×10.8=-1612.38KN·m要求B支點為頂撐:L=11.4+1.2=12.6mL1=1.33mL2=5.34mL3=4.1m求支反力RA、RB根據(jù)計算的主動土壓力與被動土壓力，主動土壓力及其作用位置，簡化受力模式如下:RA=（l1+l2）/（l1+l2+

14、l3）×Ea+（l3+l2）/（l1+l2+l3）×E水=55.6KN/mRB=63KN/mM=RAl3=22.79t·m鋼板樁型號的選定:=Mmax/ww=22.79t·m/140Mpa=1627.8cm3查鋼板樁規(guī)格、型號，可選用德國位森II型，t =15mm b=40mm槽型結(jié)構(gòu)。D、計算封底砼施工時，圍堰的受力計算根據(jù)變更后的地質(zhì)情況和變更后的圖紙，確定如右圖標(biāo)的情況。D、 封底砼結(jié)束后，抽水深3.2m時，即加焊第二道支撐時，圍堰的受力分析：圍堰內(nèi)側(cè)抽水深為3.2米時到標(biāo)高-2.0m，存在內(nèi)外水壓力差，與外側(cè)主動土壓力和封底混凝土承受的壓力。水壓

15、力：與以上的動水壓力相等。土壓力：外側(cè)土對圍堰產(chǎn)生的主動土壓力：Pa=(·Z+q) ·tg2 (45-/2)- 2c·tg(45-/2)=(7×Z+0) ·tg2 (45-/2)- 2c·tg(45-/2)=7×Z×0.84-2×2×0.916當(dāng)Z=0時，Pa=-3.664t/m2當(dāng)Z=4.5時，Pb=22.796t/m2求粘著力高度：hc=(2c/) ·tg(45-/2)=4/17×0.916=2.155m內(nèi)側(cè)封底砼所受的壓力：根據(jù)上述水壓力與主動土壓力：取1/2封底混凝土

16、厚度做為支點。E水1作用高度：標(biāo)高為-0.93mE水2作用高度：標(biāo)高為-3.52m Ea作用用高度：標(biāo)高為-5.03mR混凝土=(2.13+2.59+1.51)/7.75×E水2+2.13/7.75×E水1=0.8038×1/2×22.796×2.155+0.609×1/2×3.2×0.2748×1/2×3.2×3.2=24.85t/m=R/A=24.85t/1m2C20滿足要求。驗算嵌入土層深度對頂支撐處取矩，水產(chǎn)生的力矩與主動土壓力產(chǎn)生的力矩Mw+M主=E水1×2.13+

17、E水2×（2.59+2.13）+Ea×(1.51+2.59+2.13)=1/2×3.2×3.2×2.13+1/2×3.2×3.8×4.72+1/2×0.116×0.13×6.23=10.91+28.7+0.05=39.66t/m封底混凝土產(chǎn)生的力矩：M砼=5.117×7.75=39.656t·m由于封底混凝土產(chǎn)生的力矩完全是由主動土壓力與外側(cè)水壓力作用而產(chǎn)生，因此“+”“-”力矩相同。 當(dāng)封底砼結(jié)束后，第一道支撐完成時，抽水到-2.0m時，鋼板樁的受力驗算：由以上水

18、壓力、主動土壓力計算可知，鋼板樁受力如下情況：鋼板樁型號、規(guī)格選擇：按對B點取矩求支反力RaRa=E動水×1.33+E水1×3.46+E水2×6.05+Ea×7.57/9.08=25.57tRb=9.86tMmax=25.57×1.51+2.262×1.52=42.05tmMmax= ·WW=42.05tm/160Mpa=2628cm32962cm3德國拉森V型滿足要求。E、 抽水到封底砼時，即標(biāo)高為-5.8m時，堰體在外側(cè)水及淤泥的作用下，計算堰體與支撐受力情況：水壓力強(qiáng)度：P水=·h=1t/m3×7.

19、75m=7.75t/m2主動土壓力強(qiáng)度： 由上計算可知：Pa=-3.664t/m2Pb=22.796t/m2外側(cè)土主動土壓力：Ea=1/2×22.796×2.155=24.57t/m荷載近似等量簡化如圖：Pb=·h1=1×3.2=3.2t/m2Pc水=·（h1+h2）=1×7.75=7.75t/m2Pc2=22.796t/m2q1=1/2Pb=1/2×3.2t/m2=1.6t/m2q2=(Pc水-Pb) ×1/2+3.2+1/2×22.796×2.045/2.25=5.475+10.35=15.

20、83t/m2按兩不等跨連續(xù)梁計算：n=1.1875 按 1.2取值Mbc=0.134×q2·l1=0.134×15.83×3.82=30.63t·mMb=-0.155×q2·l1=-0.155×15.83×3.82=-35.43t·m鋼板樁型號、規(guī)格的確定：=Mb/w w=35.43/160=2214cm3用拉森V型可以滿足要求。綜合以上三種情況對鋼板樁型號的計算，采用德國拉森V型才能滿足要求。VB左=K·q·l1=0.655×15.83×3.8=39.4

21、tVB右=K·q2·l2=0.729×1.6×3.2=3.73tV= VB左+ VB右=43.13t/m因此第二層支撐每延米頂力要求Ra=43.13t/m長邊:20mRb正=20×43.13×=862.6t短邊：18m RB正=18×43.13=776.34t支撐按4.25m間距布設(shè)。每根支撐力：N=4.25×43.13=183.3t圍堰四周用2H400b做為圈梁，中間用80鋼管，壁厚8mm焊成網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，并將第一層與第二層通過20×20的方鋼焊成整體空間結(jié)構(gòu)，計算支撐穩(wěn)定：受壓鋼管按4.5m自由長度計

22、，且安全系數(shù)取2.0，受壓穩(wěn)定驗算：長度系數(shù)按兩端鉸接=1=·l/r=1×4.5/(1/4×d)=0.5查表：=0.999=N/(A)=183.3t/0.017584m2=103.7Mpa140Mpa頂撐圈梁驗算：根據(jù)上述計算結(jié)果，每根頂撐受壓力為183.3t說明每跨環(huán)梁受均布荷載作用力：q=N/1=43.13t/m2按簡支梁驗算:Mmax=ql2/8=43.13/16/8=86.26t·m=86.26t·m/(2886×2cm3)=149.4Mpa=N/A=183.3t/(197.8×2cm2)=46.3Mpa總（2+32

23、）1/2=169.56Mpa封底砼結(jié)束后，抽堰內(nèi)外的水、土壓力差作用，驗算封底砼所受作用力情況。由于有封底砼，因此這時不考慮涌砂、管涌、基底隆起現(xiàn)象，只驗算整體抗浮穩(wěn)定和強(qiáng)度。整體抗浮驗算由于圍堰內(nèi)抽干水后，內(nèi)外水壓力差形成的力將對其產(chǎn)生向上浮力，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平衡。計算安全系數(shù)：K=PK總抗浮力/Pf浮力Pf上浮力=V混凝土+V空=18×20×1.5+7.0×18×20=3060tPK總抗浮力=G混凝土+P摩陰力+P錨力=2.5t/m3×18×20×1.5+·L·

24、fi·hi+C·D·L=1350+0.4×76×(4.3×10+35×4.2)+0.67×3.14×1.2×1.4×28=1350+5776+99=7225 摩阻力按4KN/m2計代入上式 K=PK/Pf=7225/3060=2.361.05 安全b、封底混凝土強(qiáng)度驗算封底混凝土在水壓作用下，可以視為簡支單向板計算，封底層頂因下底面水壓向上作用，產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力。取1.0m寬一條作為研究對象。根據(jù)液體壓強(qiáng)理論，一定深度壓強(qiáng)相同。F=q·l2/8/w=l2·w×

25、;(1.2-(-7.3)-c·d)/(1×d2/6/8)=182×(1t/m3×8.5-2.5×1.5)/(2.25/6/8)=513t/m2=5.31Mpa1.2Mpa考慮由于樁的間距比較小，將封底砼分切成若干片，按簡支的雙向板計算：lx/ly=1.0，0=1M=0.03680×qclx2=0.0368×0(w×8.5-c×1.5)×3.12×106=0.0368×0×4.75×3.12=1.6798t·m=M/W=1.6798t ·m/(1×1.52/6)=0.4479Mpa1.2Mpa滿足要求五、 圍堰施工的整體安排根據(jù)XXX特大橋合同文件中工期的要求，于2014年12月為合同工期，根據(jù)項目生產(chǎn)計劃安排，要求68號主墩于2013年12月份結(jié)束水下及主墩身施工，工期十分緊張，按圍堰