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雙排鋼板樁在運(yùn)河節(jié)制閘導(dǎo)流明渠設(shè)計中的應(yīng)用
雙排鋼板樁在運(yùn)河節(jié)制閘導(dǎo)流明渠設(shè)計中的應(yīng)用 摘要:結(jié)合工程實際,本文首次將雙排拉森鋼板樁作為邊坡支護(hù)兼作臨時擋土墻結(jié)構(gòu),其施工簡便、快捷,能有效防止流砂、流土,抗?jié)B性能優(yōu)異,不失為一種經(jīng)濟(jì)合理的邊坡支護(hù)措施,在透水地基的邊坡防護(hù)中具有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞:拉森鋼板樁;錨定;入土深度;重力式擋土墻
1、工程概況
東莞市樟村水質(zhì)凈化廠位于運(yùn)河樟村段,設(shè)計日處理能力近期為360萬噸,遠(yuǎn)期為460萬噸,現(xiàn)為亞洲最大的污水處理廠,工程總投資約4.3億元,工程已于2002年全面開工建設(shè),近期已竣工投入使用。作為凈化廠配套工程的運(yùn)河節(jié)制閘,位于廠區(qū)上游,擔(dān)負(fù)著攔污、引污的任務(wù),節(jié)制閘能否按時竣工投入使用,是凈化廠能否按時投產(chǎn)的關(guān)鍵。
節(jié)制閘設(shè)于運(yùn)河樟村段,歷史上實測最大洪峰流量400m3/s,估算施工期(10月-4月)最大流量100 m3/s�？紤]到本工程工期緊,場地狹窄,需全斷面截斷運(yùn)河進(jìn)行施工,設(shè)計時初擬在節(jié)制閘左岸或右岸布置導(dǎo)流明渠進(jìn)行施工期導(dǎo)流,實際布置時發(fā)現(xiàn)右岸已有進(jìn)出水涵、提升泵房、施工道路等設(shè)施,在該處布置導(dǎo)流明渠難度很高,且施工干擾也很大,不利于趕工期搶進(jìn)度,故最終將導(dǎo)流明渠布置于節(jié)制閘左岸灘地,即東江大堤一側(cè)。樞紐布置見圖1。
考慮到導(dǎo)流明渠設(shè)計流量較大,導(dǎo)流時間也較長(實際使用將近半年),設(shè)計時明渠右側(cè)采用連續(xù)灌注樁(兼作水閘左岸墻),左側(cè)采用漿砌石擋土墻,砼護(hù)底、護(hù)面,設(shè)計渠長215米,渠凈寬20米,渠底縱坡1/1000。斷面形式如圖2。
由于多種原因,工程推遲到2002年12月才動工,此時東江、運(yùn)河水位均較高,在明渠擋土墻基底試開挖時發(fā)現(xiàn)在高程0.00米處有砂夾層,地下水位很高,其地質(zhì)條件與節(jié)制閘早期布孔存在較大差異,開挖過程基坑有流砂、滑坡現(xiàn)象發(fā)生,已危及東江大堤安全,工程被迫中止。
由于導(dǎo)流明渠是節(jié)制閘工程的瓶頸,為盡早開始節(jié)制閘,主體工程的全面開工建設(shè),經(jīng)充分比較分析,嘗試采用雙排鋼板樁代替原設(shè)計的漿砌石擋土墻,修改后斷面形式如圖3、圖4。
2、工程地質(zhì)
為摸清擬打鋼板樁位置的基巖出露情況,以便合理選擇樁型、樁長,避免浪費(fèi),沿樁軸線補(bǔ)充地質(zhì)鉆探(均為觀察孔),結(jié)果表明,基巖面起伏極大,強(qiáng)風(fēng)化砂巖巖面高程-3.02~-8.05m,其中75%巖面高程-3.0~-4.0m,巖面以上主要為中細(xì)砂層及耕作土層,地質(zhì)條件良好。
3、鋼板樁支護(hù)設(shè)計
3.1 鋼板樁簡介
鋼板樁是一種較老的基坑支護(hù)方式,采用錘擊或振動方法打入帶鎖口的樁體,使之在基坑四周閉合,并保證水平、垂直和抗?jié)B;樁體可作成懸臂式、坑內(nèi)支撐、上部拉錨等支護(hù)方式,作為在土方開挖和基礎(chǔ)施工時抵抗樁背的土、水壓力,使之達(dá)到基坑內(nèi)外穩(wěn)定;樁的型式有U型、Z型及直腹型等,常用的是U型咬口式(本工程即采用該樁型)。
鋼板樁最初主要應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的深基坑支護(hù),由于其施工方便快捷、擋土止水效果良好,近期我院已將其應(yīng)用到多宗水利工程的邊坡支護(hù)設(shè)計中,取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。但由于鋼板樁一次性投資大,打拔費(fèi)用高,施工時有躁音、振動等問題,在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)、城區(qū)應(yīng)用受到很大限制。
日本拉森U型鋼板樁資料
種 類
尺 寸
截面積
重 量
二次力矩
截面模量
W
(mm)
h
(mm)
t
(mm)
每片
(cm2)
每片
(N/m)
每米
(N/m2)
每片
(cm4)
每米
(cm4/m)
每片
(cm3)
每米
(cm3/m)
YSP-I
400
75
8.0
46.49
365
912
429
3820
66.4
509
YSP U-5
400
80
7.6
45.21
355
888
454
4220
64.7
527
FSP I A
400
85
8.0
45.21
355
888
598
4500
88.0
529
YSP-Ⅱ
400
100
10.5
61.18
480
1200
986
8690
121
869
FSP-Ⅱ
400
100
10.5
61.18
480
1200
1240
8740
152
874
YSP U-9
400
110
9.3
55.01
432
1080
1070
9680
120
880
FSP ⅡA
400
120
9.2
55.01
432
1080
1460
10600
160
880
YSP-Ⅲ
400
125
13.0
76.42
600
1500
1920
16400
196
1310
FSP-Ⅲ
400
125
13.0
76.42
600
1500
2220
&nbs 雙排鋼板樁在運(yùn)河節(jié)制閘導(dǎo)流明渠設(shè)計中的應(yīng)用p; 16800
223
1340
YSP U-15
400
150
12.2
74.40
584
1460
2700
22800
238
1520
FSP-ⅢA
400
150
13.1
74.40
584
1460
2790
22800
250
1520
YSP-Ⅳ
400
155
15.5
96.99
761
1900
3690
31900
311
2060
FSP-Ⅳ
400
170
15.5
96.99
761
1900
4670
38600
362
2270
YSP U-23
400
175
14.7
94.21
740
1850
4380
39400
330
2250
FSP-Ⅳ A
400
185
16.1
94.21
740
1850
5300
41600
400
2250
YSP-V
420
175
22.0
134.0
1050
2500
5950
55200
433
3150
FSP-VL
500
200
24.3
133.8
1050
2100
7960
63000
520
3150
FSP-VIL
500
225
27.6
153.0
1200
2400
11400
86000
680
3820
3.2 樁類型選擇
參照振動法施打鋼板樁經(jīng)驗,樁尖能入巖深度僅為10~20cm,按巖面高程-3.0~-4.0m計算,樁身入土深度在2~3m間。經(jīng)估算,懸臂樁入土深度需達(dá)6m方能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求,故懸臂樁不適合該處地質(zhì)條件,設(shè)計時選擇上部有錨固的錨定式板樁。
從邊坡開挖情況、地質(zhì)鉆探結(jié)果分析,堤坡填土較為疏松,若采用常規(guī)樁頂設(shè)置鋼錨桿,一方面錨固效果很難保證,另一方面其打孔、灌漿錨固時間長,無法滿足當(dāng)時趕工期需要,況且其造價也不低。經(jīng)查閱資料,結(jié)合本工程實際情況,確定采用雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)形式作為邊坡支護(hù),其中外排鋼板樁為擋土、防滲、抗沖,內(nèi)排鋼板樁為錨固、防滲,兩者在樁頂采用拉結(jié)結(jié)構(gòu)連成一個整體,形成一個重力式擋土墻。
3.3 結(jié)構(gòu)分析計算
按雙排拉森鋼板樁的受力特點,其結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)包括墻體穩(wěn)定分析計算、錨定樁結(jié)構(gòu)分析計算、樁頂拉結(jié)分析計算三大部分內(nèi)容。
3.3.1 墻體穩(wěn)定分析計算
計算簡圖如圖5。
按一般經(jīng)驗,墻后土料C=0,
Φ=30°(折算),γ=19KN/m3,
按破裂角θ=45°+Φ/2=60°
計算的有效擋土高度H=8.0m,
土壓力按朗肯公式計算,則
土壓力
初定雙排鋼板樁間距4.5m(必須保證內(nèi)排樁落在破裂面以外)
則土重G1=19×4.5×3.6=307.8KN
鋼板樁重G2=1.46×3.6×2=10.51KN(初選鋼板樁型號FSP-ⅢA,其重量1.46KN/m2)
基底摩擦系數(shù)f=tgΦ=0.577
ΣG=G1+G2=307.8+10.51=318.31KN
抗滑穩(wěn)定系數(shù)
滿足規(guī)范要求。
3.3.2 錨定樁結(jié)構(gòu)分析計算
計算簡圖如圖6。
按下端自由支承,上端有錨定拉桿的板樁進(jìn)行
計算(詳見《支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》,過程略)
求得板樁入土深度t=2.5m
錨定桿拉力T=28.65KN/m
板樁最大彎矩Mmax=50.33KN.m/m
板樁需要截面模量Wmax=Mmax/[σ]=347cm3/m
考慮到鋼板樁需打入強(qiáng)風(fēng)化砂巖,且其防護(hù)之東江大堤極為重要,故選用較大截面拉森鋼板樁,型號FSP-IIIA,其W=1520 cm3/m。
由于巖面較高,樁尖僅打至-4.00m高程,此時樁入土深度為2.4m,略為不足,為安全計,設(shè)計時將樁外2m范圍護(hù)底高程提高1m作為安全儲備。
3.3.3 樁頂拉結(jié)分析計算
設(shè)計時為便于調(diào)整雙排鋼板樁預(yù)緊度,采用型鋼將樁頂夾緊,再用螺栓拉結(jié)�？紤]到鋼板樁單樁寬度400mm,設(shè)計拉結(jié)螺栓間距取a=1.6m,
則螺栓拉力Tˊ=1.6×T=45.84KN
采用Φ32圓鋼加工,其允許拉力100.5KN,樁頂型鋼按均布荷載連續(xù)梁計算,其
Wmax=Mmax/[σ]=46.0cm3
選用兩條∠160×100×10,其W=2×62.13=124.26 cm3
3.4 結(jié)論
按雙排鋼板樁方案施工(振動法打樁),在半個月內(nèi)即完成打樁、樁頂拉結(jié)等所有工作,不但避免高邊坡開挖危及東江大堤安全,而且由于U型咬口式鋼板樁有自止水功能,基本杜絕了基坑滲水、流砂等問題,取得了極好的社會經(jīng)濟(jì)效益。工程現(xiàn)已竣工,明渠已填平恢復(fù)原狀。
但是,由于振動法施打鋼板樁過程其振動頻率極高,致使可液化土砂層瞬時液化,承載力下降,周邊地面出現(xiàn)輕微裂縫。故建議在打樁完成后 雙排鋼板樁在運(yùn)河節(jié)制閘導(dǎo)流明渠設(shè)計中的應(yīng)用,應(yīng)間隔1~2天,讓液化土砂層恢復(fù)原狀后才開始開挖基坑,以策安全。
以上僅為本人在工程實踐中的總結(jié),錯漏之處請各位同行批評指正。
參考文獻(xiàn):
1.陳仲頤,葉書麟 基礎(chǔ)工程學(xué),中國建筑工業(yè)出版社,1993;
2.尉希成 支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊,中國建筑工業(yè)出版社,1995;
3.余志成,施文華 深基坑支護(hù)設(shè)計與施工,中國建筑工業(yè)出版社,1999。
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