钢管桩与拉森钢板桩结合在水中墩承台施工中应用.docx

1、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

2、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.

3、558，承台平面尺寸为18.614.6m。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6301024000mm、拉森钢板桩采用5751012000 mm（竖向2根焊接接长到24000mm），围堰平面尺寸为21.617.6m（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4

4、m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1=14，1=18.0kN/m3；主动土压力系数Ka1=tg2(45-1/2)=0.61。3.1.2粉细砂厚度20m，内摩擦角2=32，2=19.5kN/m3；主动土压力系数Ka2=tg2(45-2/2)=0.307。3.2 结构参数钢管桩：630 mm10 mm24000mm；按16Mn钢，抗弯容许应力w=250Mpa；弹性模量E=210Gpa。拉森钢板桩：Q345钢，575mm10mm24000mm，截面模量W=1346cm3/m，抗弯容许应力w=250Mpa；弹性模量E=210Gpa。内支撑：Q235钢，容许压

5、应力=160Mpa；抗弯容许应力w=170Mpa；容许抗剪应力=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

6、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

7、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=

8、 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100cm57.5cm=1.74根所以， W拉森板=13461.74=773.6W=W管桩+W拉森板=2264+773.6=3037.6cm3w=151.24 Mpaw=250 MPa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

9、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=0.1130.7=13kN/m;计算跨径为;受力模型为一端固结、一端铰接的板。Mmax=w=322.3 Mpaw=250 MPa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=w=80.58 Mpaw=250 Mpa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（

10、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

11、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630内支撑截面S1=(0.3152-0.3052)=0.0195m2内支撑根数根（计算模型中已含大于1.5的安全系数）

12、3.6.2结论最不利荷载处采用2根630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3.7.1630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630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

13、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

14、），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630mm，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，630mm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

15、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63010的Q235A钢管，后两道内支撑用63012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

16、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5.1 630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25251cm，厚度=10mm。5.2 575拉森桩与630管桩连接焊575拉森桩与630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15151cm钢板进行加强焊。5.3 H40型钢与630管桩的焊接5.3.1 H40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=1

17、0mm；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630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

18、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块板块的位置，以便随时检查校正。打桩时，开始打设第一、二块钢板的打入位置和方向要确保精度，每打入1m测量一次。6.4.2 钢管桩围堰合拢：为了便于钢管桩围堰合拢，在合拢之前（约12根管桩左右）控制每一根管桩互相穿插的自由长度，直至最后合拢。6.5 支撑、开挖吸泥、封底钢管桩插打完毕后，即可开挖，安装内支撑由上至下，边开挖边堵漏边支护。垂直挖掘机挖除回填土层后，部分土方需要采取吸泥方式吸至设计要求后，浇筑水下封底混凝土2m，待达到强度后，进行排水便开始承台施工。钢管桩围堰的拆除：等墩身施工完成后，预埋0#块施工钢管桩后，回填土方，拆除内支撑，然后进行管桩的拔除。