水中鋼板樁圍堰施工方案.doc

鋼板樁施工方案一、計算依據(jù)由于鋼板柱圍堰的入土深度較大，土體對入土部分的圍堰起到了嵌固作用，此時圍堰上端收到內(nèi)撐的支撐作用，下端受到土體的嵌固支承作用。但是，由于內(nèi)撐對鋼板樁圍堰是彈性支撐，并不是完全剛性，因此，在計算中，先假設(shè)內(nèi)撐對鋼板樁為剛性支撐，計算出鋼板樁作用于圈梁的反力，將該反力作用在內(nèi)撐上計算出鋼板樁與內(nèi)撐連接處的最大位移，最后對鋼板樁施加強制支座位移，得出鋼板樁的內(nèi)力和應力。等值梁法計算鋼板樁圍堰，為簡化計算，常用土壓力等于零點的位置來代替正負彎矩轉(zhuǎn)折點的位置。計算土壓力強度時，應考慮板樁墻與土的摩擦作用，將板樁墻前和墻后的被動土壓力分別乘以修正系數(shù)（為安全起見，對主動土壓力則不予折減），鋼板樁被動土壓力修正系數(shù)如表2.1本文計算作出如下假設(shè)：1.假設(shè)計算時取1m寬單位寬度鋼板樁。2.因土處于飽和水狀態(tài)，為簡化計算且偏安全考慮，不考慮土的粘聚力（c=0）。3.彎矩為零的位置約束設(shè)置為鉸接，故等值梁相當于一個簡支梁，方便計算。4.假設(shè)鋼板樁在封底砼面以下0.5m處固結(jié)，在MIDAS中限制全部約束。5.本工程土壓力計算采用不考慮水滲流效應的水土分算法，即鋼板樁承受孔隙水壓力、有效主動土壓力及有效被動土壓力。二、參數(shù)設(shè)定：圍堰參數(shù)：第一道支撐9.9m設(shè)計施工水位標高9.1m河床頂標高5.2m承臺頂標高4.7m承臺底標高1.9m承臺尺寸10.8m*6.7m承臺邊距中心線1.225m施工作業(yè)面1m鋼板樁圍堰尺寸26.m*8.5m地質(zhì)參數(shù)：粘土：容重1.85g/cm3內(nèi)摩察角15.5粘聚力19.4kpa主、被動土壓力：Ka=tg2（45-/2）Kp=tg2（45+/2）表2.1 橋墩主、被動土壓力系數(shù)及被動土壓力修正系數(shù)土層名稱KaKp被動土修正系數(shù)k粘土0.580.7621.731.3151.42鋼板樁參數(shù)：表2.2 鋼板樁截面參數(shù)特性值表鋼板樁型號單根鋼板樁每延米鋼板樁寬側(cè)厚壁厚面積慣性矩截面矩BHtAIXZXmmmmmmcm2/mcm4/mcm3/mSkSP-SX2760021018225.5567002700鋼板樁材質(zhì)采用SYW295.鋼板樁示意圖三、計算結(jié)果施工過程：(1)拆除四周鉆孔平臺，在靠近承臺側(cè)定位樁上焊接牛腿，安裝第一道內(nèi)支撐作為鋼板樁插打?qū)驀鷻_；(2)插打鋼板樁至合攏；(3)圍堰內(nèi)抽水至+4.7m，在+5.2m處安裝第二道內(nèi)支撐；(4)圍堰內(nèi)注水至圍堰外水位一致；(5)水下吸泥并澆筑封底砼；(6)待砼達到設(shè)計強度后，鑿樁頭，施工承臺；(7)拆除承臺模板，在承臺與鋼板樁空隙間回填2.4m高砂、土混合物，頂部澆筑0.4m高砼冠梁；(8)待0.4m高砼冠梁達到強度后，拆除第二道內(nèi)支撐(9)圍堰內(nèi)繼續(xù)注水至圍堰外水位，拆除第一道內(nèi)支撐。(10)拔除鋼板樁。工況分析：工況一 第一道內(nèi)支撐安裝后，圍堰內(nèi)清淤至4.7m，如圖；工況二 第二道內(nèi)支撐安裝后，圍堰內(nèi)加水至圍堰外水位，水下吸泥、清淤至-0.6m，如圖；工況三 封底砼達到強度后，圍堰內(nèi)抽光水，如圖；工況四 承臺、墩身施工后向鋼板樁與承臺間回填砂土并在頂部澆注40cm厚C25砼冠梁，拆除第二道內(nèi)支撐，如圖。工況一、第一道支撐安裝后，圍堰內(nèi)清淤至4.7m（1）計算反彎點位置。假設(shè)計算其離基坑底面的距離y，在y處鋼板樁主動土壓力強度等于被動土壓力強度，即：主動土壓力：被動土壓力：水壓力：所以，梁的計算長度取值為9.9-4.7+2.91=8.11m作用在鋼板柱處的主動土壓力和靜水壓力：圖3.1 鋼板樁受力圖圖3.2 鋼板樁彎矩圖圖3.3 鋼板樁反力圖由上圖可知，鋼板柱最大的彎矩為223.8kN.m，作用于第一道內(nèi)支撐的反力為68.6kN。工況二、第二道支撐安裝后，圍堰內(nèi)加水至圍堰外水位，水下吸泥、清淤至-0.6m（1）計算反彎點位置。假設(shè)計算其離基坑底面的距離y，在y處鋼板樁主動土壓力強度等于被動土壓力強度，即：主動土壓力：被動土壓力：水壓力： 所以，梁的計算長度取值為9.9-(-0.6)+1.607=12.107m作用在鋼板柱處的主動土壓力和靜水壓力： 圖3.4 鋼板樁受力圖圖3.5 鋼板樁彎矩圖圖3.6 鋼板樁反力圖由上圖可知，鋼板柱最大的彎矩為91.9kN.m，作用于第一道內(nèi)支撐的反力為-14.1kN,作用于第二道內(nèi)支撐的反力為65.9kN。工況3：封底砼達到強度后，圍堰內(nèi)抽光水本工況計算封底砼面取設(shè)計封底砼面以下0.5m處，即1.4m，則計算長度為9.9-1.4=8.5m 圖3.7 鋼板樁受力圖圖3.8 鋼板樁彎矩圖圖3.9 鋼板樁反力圖由上圖可知，鋼板柱最大的彎矩為92.2kN.m，作用于第一道內(nèi)支撐的反力為9.6kN,作用于第二道內(nèi)支撐的反力為165.0kN。工況4：承臺、墩身施工后向鋼板樁與承臺間回填砂土并在頂部澆注40cm厚C25砼冠梁，拆除第二道內(nèi)支撐。本工況下假設(shè)等值梁下嵌固點位于砼冠梁1/2厚度處，即4.5m，則計算長度為9.9-4.5=5.4m。 圖3.10 鋼板樁受力圖圖3.11 鋼板樁彎矩圖圖3.12 鋼板樁反力圖由上圖可知，鋼板柱最大的彎矩為75.6kN.m，作用于第一道內(nèi)支撐的反力為16.1kN。根據(jù)上述工況計算，鋼板樁內(nèi)力及內(nèi)支撐支撐反力計算結(jié)果匯總?cè)缦卤恚?.1鋼板樁內(nèi)力及內(nèi)支撐支撐反力表計算工況鋼板樁應力(MPa)鋼板樁最大彎矩 (kN.M)第一道內(nèi)支撐反力(kN)第二道內(nèi)支撐反力(kN)工況一82.9223.868.6-工況二34.091.9-14.165.9工況三34.192.29.6165.0工況四28.075.616.1-由上表可知，鋼板樁應力滿足規(guī)范要求。四、內(nèi)支撐初步計算由表3.1可知，第一道內(nèi)支撐最大支撐反力為68.6kN，第二道內(nèi)支撐最大支撐反力為165.0kN。由于第一道內(nèi)支撐最大反力較小，只驗算第二道內(nèi)支撐。內(nèi)支撐圍檁采用HN600*200*11/17工字鋼，支撐桿采用P402*9鋼管。利用Midas/Civil2010建立有限元模型，如圖，在鋼管與圈梁相交處下方焊接牛腿設(shè)置豎向約束。圖4.1 第二道內(nèi)支撐空間有限元模型圖4.2 第二道內(nèi)支撐各桿件位移圖圖4.3 圈梁組合應力圖圖4.4 鋼管軸力圖圖4.5 鋼管組合應力圖1.強度驗算由以上計算結(jié)果可知，第二道內(nèi)撐最大位移為12mm，圈梁最大組合應力為185.5MPa215MPa，鋼管最大組合應力為102.4MPa215MPa，發(fā)生在中間斜撐鋼管處，如圖。2.穩(wěn)定性驗算由以上計算結(jié)果可知，4029mm鋼管最大軸力1137kN。 回轉(zhuǎn)半徑：=13.9cm長細比：由此查穩(wěn)定系數(shù)表得結(jié)論：第二道內(nèi)撐圈梁和鋼管的應力滿足要求，鋼管的穩(wěn)定性滿足要求。五、鋼板樁及內(nèi)撐第二步驗算將內(nèi)撐的最大位移（12mm）以支座強制位移的形式加到工況三的鋼板樁有限元模型中，計算結(jié)果如圖。節(jié)點位移0.012m圖5.1 鋼板樁彎矩圖圖5.2 鋼板樁作用于內(nèi)撐的反力由計算結(jié)果可知，鋼板樁的最大彎矩為150.9kN.m，鋼板樁的最大組合應力為，滿足要求。此時，鋼板樁作用在第二道內(nèi)撐的反力為133.5kN，由于以上已計算第二道內(nèi)撐在反力165kN作用下滿足強度要求，故內(nèi)撐不須要再計算。注：鋼板樁材質(zhì)為Q295，若考慮鋼板樁的鎖口部分應力折減，且鋼板樁安全系數(shù)取為1.2，則容許應力為295/1.2246MPa。六、圍堰整體抗浮驗算封底砼采用C25，施工厚度為2.5m，施工考慮砼底存在“夾泥”及頂面浮漿的因素，計算厚度取2.0m，圍堰尺寸：26m8.6m；水下C25混凝土設(shè)計值ftd=1.27MPa，考慮為施工階段混凝土的允許彎拉應力取1.5倍安全系數(shù)，則=0.85(MPa)，樁基鋼護筒外徑為1.8m，共12根；鋼與混凝土粘結(jié)力：一般取100-200kN/m2，這里取120 kN/m2；混凝土容重：23kN/m3；封底混凝土體積： 封底混凝土自重：護筒粘結(jié)力：鋼板樁與封底混凝土的粘結(jié)力：封底混凝土底面受水浮力：根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范中規(guī)定抗浮安全系數(shù)不小于1.05，此處抗浮系數(shù)結(jié)論：圍堰整體抗浮滿足要求。七、鋼板樁入土深度根據(jù)盾恩法求樁的入土深度由公式整理得，解得t=5.85故選取鋼板樁長度為20m，實際入土深度為8m。八、基坑底土抗隆起驗算在工況二下圍堰內(nèi)清淤至-0.6m時，須驗算坑底的承載力，如承載力不足，將導致坑底土的隆起。本工程基底抗隆起計算參照Prandtl（普朗德爾）和Terzaghi（太沙基）的地基承載力公式，并將樁墻底面的平面作為極限承載力的基準面，承載力安全系數(shù)的驗算公式如下： 式中Nq、Nc -按Prandtl公式時， ；c-土的粘聚力(kPa)； -土的內(nèi)摩擦角（）；-土的重度(kN/m3)； t-支護結(jié)構(gòu)入土深度(m);h-基坑開挖深度(m); q-地面荷載(kPa)。圖5.25 基底抗隆起計算模式簡圖對于工況二進行驗算，、c按鋼板樁入土深度范圍內(nèi)的加權(quán)平均值計算：則:=3.251.2。結(jié)論：基坑底土滿足抗隆起穩(wěn)定性要求。八、基坑底管涌驗算不產(chǎn)生管涌的安全條件為:,故不會發(fā)生基坑底管涌。式中：抗基坑底管涌安全系數(shù)；水容重，=10 KN/m3土的浮容重， 水力梯, 最大滲流力（動水壓力），水位至坑底的距離，鋼板樁的入土深度，九、封底砼厚度計算封底砼取x米厚，基坑內(nèi)抽水后水頭差為，由此引起水的滲流，其最短流程為緊靠板樁的，故在此流程中，水對土粒滲透的力，其方向應是垂直向上?，F(xiàn)近似地以此流程的滲流來檢算基坑底的涌砂問題，要求垂直向上的滲透力不超過封底砼的自重，故安全條件如下式：式中：安全系數(shù)，取1.05；水力梯, ；、分別為水與砼密度，其中，水位至坑底的距離，鋼板樁的入土深度，則：得：，取封底砼厚度25cm，滿足條件。十、