水中墩围堰计算和施工方案.docx
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水中墩围堰计算和施工方案
水中墩围堰施工方案
一、工程概述
京沪高速铁路xx桥段跨xx河为(48+80+80+48)米预应力混凝土连续箱梁。
其中x#、y#主墩位于xx河中。
主墩承台平面尺寸为10.4×18.2米,高度为4米,其上为6.6×12米,厚度1.5米的加台。
主墩桩基为15根Φ1.5米钻孔桩。
承台、墩身具体布置如下:
x#、y#墩具体参数如下:
墩号
承台尺寸
承台底标高(m)
承台顶标高(m)
河床标高(m)
长(m)
宽(m)
高(m)
x#
18.2
10.4
4
-11.457
-7.457
-4.5
y#
18.2
10.4
4
-11.337
-7.337
-5.2
二、钢板桩围堰布置
x#、y#主墩拟采用钢板桩围堰进行承台、墩身的施工。
钢板桩采用拉森Ⅵ型,其长度为21米。
在考虑承台埋深、河床标高等因素基础上,本方案以x#墩为例,对钢板桩围堰的施工进行详细叙述。
钢板桩的具体布置如下图:
三、钢板桩围堰施工方案
(一)、插打钢板桩前的准备工作
1、每个墩的钻孔桩完成后,移走钻机,清理钻孔平台,钻孔平台留作水下浇注封底砼的工作平台使用;
2、对河床进行清理:
在桩基施工完成后,对围堰范围内河床进行清理,避免在钢板桩插打位置遇到障碍物;
3、钢板桩变形检查:
因钢板桩在装卸、运输过程会出现撞伤、弯扭及锁口变形等现象,因此,钢板桩在插打前有必要对其进行变形检查。
对变形严重的钢板桩进行校正并做销口通过检查。
锁口检查方法:
用一块长约2米的同类型、同规格的钢板桩作标准,采用卷扬机拉动标准钢板桩平车,从桩头至桩尾作锁口通过检查,对于检查通过的投入使用,不合格的再进行校正或淘汰不用。
钢板桩的其它检查:
剔除钢板桩前期使用后表面因焊接钢板、钢筋留下的残渣瘤;
4、振动锤检查:
振动锤是打拔钢板桩的关键设备,在打拔前一定要进行专门检查,确保线路畅通,功能正常,振动锤的端电压要达到380-420V,而夹板牙齿不能有太多磨损;
5、涂刷黄油混合物油膏:
为了减少插打时锁口间的摩擦和减少钢板桩围堰的渗漏,在钢板桩锁口内涂抹黄油混合物油膏(重量配合比为沥青:
黄油:
滑石粉:
锯末=4:
6:
10:
1)。
(二)、钢板桩围堰的插打
钢板桩插打利用50t吊车作为起吊设备,配合DZ90型振动锤的施工方法逐片插打。
1、安装钢板桩插打导向:
钢板桩插打之前,在钻孔桩外侧的钢护筒上焊接牛腿,安装第一道支撑圈梁,作为钢板桩插打时的导向架,以控制钢板桩的平面尺寸和垂直度;
2、为了确保每一片钢板桩插打准确,第一片钢板桩是插打的关键,第一片钢板桩位置选择在上游或下游中心位置,插打前在导向架上设置限位装装制,大小比钢板桩每边放大1cm,插打时,钢板桩桩背紧靠导向架,边插边将吊钩缓慢下放,这时在相互垂直的两个方向用锤球进行观测,以确保钢板桩插正、插直;
3、通过检测,确定第一片钢板桩插打合格后,然后以第一根钢板桩为基准,再向两边对称插打每一根钢板桩到设计位置。
整个施工过程中,要用锤球始终控制每片桩的垂直度,及时调整;
4、每一片钢板桩先利用自重下插,当自重不能下插时,才进行加压。
5、钢板桩插打至设计标高后,立即与导向架进行焊接,以抵抗水流冲击;
6、插打过程中,须遵守“插桩正直,分散即纠,调整合拢”的施工要点。
(三)、围堰内抽水、吸泥、安装内支撑及水下封底
1、钢板桩插打完毕后,抽水至-4.0m标高处,安装第二道支撑;
2、继续抽水、吸泥至-8.0m标高,安装第三道支撑;
3、第三道支撑安装完成后,向围堰内加水至围堰外水位,水下吸泥、清淤至-13.957m标高。
4、水下浇注封底砼;
水下吸泥、清淤到设计标高后,即可进行水下封底砼施工,封底砼标号为C25,封底厚度为2.5m。
(1)、封底砼导管的选择及布置
导管采用Φ325mm钢管,每根长约17米。
导管在使用前须进行水密试验,导管安装时,每个接头须预紧检查,下放固定时,导管下口悬空15-20cm。
导管的布置、固定利用原先的钻孔平台,每根导管的作业半径按5m考虑,则每个墩需布置5套导管。
(2)、封底砼的浇注
封底砼须一次性浇注完成。
砼采用拌合站集中拌制,由砼罐车运至现场并通过汽车泵泵送。
首批砼灌注时,先用一10m3的集料斗储料,待储料斗满后,拔球浇注首批砼,首批砼浇注后,导管埋深应不小于0.6-0.8m。
砼浇注前,在每个导管处布置一小型门架,在门架上挂上倒链。
砼浇注过程中,导管应随砼面的上升而提升,导管的提升由倒链控制。
封底砼的浇注顺序:
先低处,后高处(先将低处砼灌高,避免高处灌注的砼往低处流,使导管底口脱空而进水或导管埋深过浅)。
砼的浇注应先四周后中间,并确保砼的表面大致水平。
在砼的浇注过程中,由技术人员负责测量砼的浇注高度和砼扩展情况,正确指挥施工人员调整导管的埋深,并及时与实验室联系控制砼的坍落度。
砼浇注将近结束时,重点对导管与导管的中心处、护筒四周及钢板桩壁等部位进行高程的测量,确保砼面的标高达到设计要求。
由于浇注水下封底时,砼表面无法达到比较平整的要求,所以在砼浇注时,将砼顶面标高控制在设计标高下20cm左右,待砼达到强度,围堰内抽水后,再补浇20cm砼垫层。
5、待水下封底砼达到设计强度后,抽除围堰内的水,浇注砼垫层,并在围堰四周作积水坑。
在钢围堰抽水过程中,设置专人观察钢围堰变形情况。
(四)、承台、墩柱施工
1、抽出围堰内的水后,切割护筒、凿除桩头、绑扎钢筋、安装承台模板、浇注4米高承台砼;
2、4米高承台施工完成后,在承台与钢板桩间填注砂、土混合物并夯实,并在其顶部浇注30cmC30砼,然后拆除第三道支撑,进行1.5米高加台及墩柱的施工。
(五)、围堰的拆除
1、围堰拆除时,向围堰内注水至-4.0m标高处,拆除第二道支撑;
2、继续向围堰内注水至围堰外水位标高,依次拔除钢板桩;
3、钢板桩全部拔除后,拆除第一道支撑;
3、钢板桩拔除方法:
先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min~2min,使钢板桩周围的土松动,产生“液化” ,减少土对桩的摩阻力,然后慢慢的往上振拔,拔桩时注意桩机的负荷情况,发现上拔困难或拔不上来时,停止拔桩,可先行往下施打少许,再往上拨,如此反复可将桩拔出来。
四、钢板桩围堰施工中的防漏水措施
钢板桩锁口之间连接是否紧密是钢板桩围堰施工中的难点,是关系到围堰是否能成功抽水进行下道工序的关键因素。
为此,须从钢板桩施工前、插打时、抽水后等每道工序加以控制.
1、钢板桩在运到现场后,派专人仔细清理索口间杂物、观察索口是否变形,对于索口变形的钢板桩,应调正后使用;
2、在钢板桩锁口内涂抹黄油混合物油膏(重量配合比为沥青:
黄油:
滑石粉:
锯末=4:
6:
10:
1)以防止钢板桩的漏水;
3、钢板桩在插打时应保证其垂直,防止相互倾斜的钢板桩之间索口无法密贴;
4、钢板桩围堰在抽水后若存在较小的漏水现象,在抽水时,可以看到哪条缝出现漏水,利用漏水处水压差降产生吸力的原理,在漏水处钢板桩上迅速溜下一袋干细砂或锯木屑、粉煤灰(煤碴)等填充物,在吸力的作用下,填充物会被吸入接缝的漏水处,将漏水通道堵塞,有效的减少漏水量。
若抽水后漏水现象较为严重,则将旧棉被或土工布裁剪成3-5cm的长条状,派潜水员将漏水处用棉条从水面堵塞至河床面;
5、在水下浇注封底砼时,将砼顶面标高降低0.2m,待围堰内水抽干后,在承台范围内在补浇0.2m垫层,而在钢板桩内侧做积水坑,防止钢板桩间轻微的渗水对承台施工的影响。
五、钢板桩围堰施工中的安全措施
为确保施工中的安全,在进行钢板桩围堰施工时,必须将安全工作放在首位,预防为主,在施工过程中应注意如下几点:
1、对操作人员进行安全思想教育,提高操作人员安全意识,实行培训持证上岗制度,不经培训或无证者,不得进行上岗操作;
2、建立好钢板桩安全管理制度,完善好安全管理体制,编制好钢板桩安全施工应急方案;
3、用吊车进行水平和垂直起吊时,对吊车起吊能力和吊起后是否稳定进行实测,保证在起吊时安全可靠,防止发生意外安全事故;
4、在钢板桩插打过程中,要设专人指挥,避免人多时乱指挥,出现意外安全事故;
5、在钢板桩围堰开始抽水时,要派人定时进行观检,时刻注意并记录钢围堰变化情况;
6、钢板桩围堰内支撑一定要按设计进行施工,施工焊缝一定要牢固,断面尺寸和数量要符合设计要求;
7、对所有滑轮和钢丝绳每天进行检查,特别是要注意滑轮的轴和钢丝绳摩损情况,危及安全的要及时维修、更换;
8、六级以上大风应停止打桩、吊装等施工作业并做好防风措施;
9、水上施工作业人员须严格遵守水上施工安全防护相关规定,所有进入作业区人员均须戴好安全帽,穿好救生衣,必要时拴挂好安全带;
10、由围堰外至围堰内须设置临时出入通道,并焊好栏杆、踏步板;
11、夜间施工时必须保持良好的照明;
12、每个墩旁应备用救生船一艘。
五、主要设备投入
序号
设备名称
规格型号
数量
备注
1
钢板桩
拉森Ⅵ(L=21m)
2套
2
打桩桩锤
DZ90型
2台
3
汽车吊
50t
1台
4
潜水设备
1套
5
空气吸泥机
2套
6
空压机
22m3/min
1台
7
射水装置
2套
8
汽车吊
25t
1台
9
运输汽车
2台
10
钢结构加工
车间、设备
1套
11
砼封底设备
1套
六、劳动力计划
项目施工采用集中管理,流水作业。
现场设一个工点来配备劳动力,现场设管理人员2名,技术人员2名,负责包括施工管理、技术等方面的工作。
其余工种人员数量配备按能满足两个墩同时施工考虑,主要有装吊工15人、铆焊工15人、砼工10人及普工20人等。
七、施工周期安排(以一个墩施工周期为例)
序号
工作内容
时间(天)
1
河床清理、导向安装
3
2
钢板桩插打及固定
7
3
内支撑安装(两道)
6
4
吸泥封底(砼达到强度)
12
5
抽水凿桩头
5
6
承台施工(两次)
12
7
墩身施工、墩旁托架预埋
15
8
围堰内支撑拆除
4
9
钢板桩拔除
3
11
合计
67
附钢板桩围堰的技术书
xx河水中墩钢板桩围堰计算书
一、工程概括
京沪高速铁路xx西桥段跨xx河为(48+80+80+48)米一联四跨连续梁形式。
x#、y#主墩位于zz河中。
主墩承台平面尺寸为10.4×18.2米,高度为4米,其上为6.6×12米,厚度1.5米的加台。
主墩桩基为15根Φ1.5米钻孔桩。
x#、y#主墩承台结构尺寸如下:
编号
平面尺寸(m)
高度(m)
承台底标高(m)
承台顶标高(m)
z#
10.4×18.2
4
-11.457
-7.457
y#
10.4×18.2
4
-11.337
-7.337
二、围堰的布置及计算假设
1、围堰的布置
在比较2个墩的承台底标高及河床标高后,拟以x#墩为例,进行钢板桩围堰的设计、计算。
钢板桩的具体布置如下图:
2、计算假设
本计算中土层参数根据设计图提供的土层资料,按经验取值如下:
编号
土层名称
土层顶标高
土层底标高
容重(kN/m3)
内摩擦角(o)
粘聚力(kPa)
(1)
黏土
-4.5
-6.8
19.5
20
10.5
(2)2
粉砂
-6.8
-16.0
20
24.5
10
围堰设计时计算水位按+2.0m考虑。
三、钢板桩围堰设计
1、土压力计算
本工程土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法,即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。
以水位标高+2.0以基准,计算各高度点的水压力、有效土压力。
(1)、主、被动土压力系数
黏土:
Ka=tg2(45-
)=0.49,
=0.7
Kp=tg2(45+
)=2.04,
=1.428
粉砂:
Ka=tg2(45-
)=0.414,
=0.643
Kp=tg2(45+
)=2.417,
=1.555
(2)、有效主动土压力的计算
a、h=6.5m时,Pa’=0
b、h=8.8m(上)时,
Pa’=
=0.49×9.5×2.3-2×10.5×0.7=-3.99KN/m2,取Pa’=0
h=8.8m(下)时,
Pa’=
=0.414×10×2.3-2×10×0.643=-3.338KN/m2,取Pa’=0
c、h=20.5m时,
Pa’=
=0.414×(9.5×2.3+10×11.7)-2×10×0.643=44.6KN/m2
(3)、孔隙水压力的计算
a、h=6.5m时,Pw=
=65KN/m2
b、h=8.8m时,Pw=88KN/m2
c、h=20.5m时,Pw=205KN/m2
(4)、土压力合力
a、h=6.5m时,Pa=
=65KN/m2
b、h=8.8m时,Pa=88KN/m2
c、h=20.5m时,Pa=44.6+205=249.6KN/m2
2、各施工工况及内力计算
本围堰施工时,按上层支撑已安装,并抽水(吸泥)至待安装支撑下100cm处,计算各支撑在各阶段可能出现的最大反力和钢板桩最大内力。
根据施工工序,分为四个工况;
工况一、围堰第一道支撑加好后,抽水到-4.0m标高时;
工况二、围堰第二道支撑加好后,抽水、吸泥到-8.0m标高时;
工况三、围堰第三道支撑加好后,向围堰内注水至围堰外标高,围堰内吸泥、清淤到-13.957m标高时;
工况四、围堰封底砼浇注并达到设计强度后,围堰内抽水完成后。
在计算时,各阶段钢板桩计算长度按等值梁法确定,从主动土压力与被动土压力相等的反弯矩截面(即净土压力为零或弯矩为零)截断形成等值梁计算支撑反力和钢板桩弯矩。
工况一:
围堰第一道支撑加好后,抽水到-4.0m标高时;
有效被动土压力:
h=6.5m时,
Pp’=
=2×10.5×1.428=30KN/m2
h=8.8m(上)时,
Pp’=
=2.04×2.3×9.5+30=74.6KN/m2
考虑板桩与土体的摩擦,被动土压力系数提高K=1.6,则:
h=6.5m时,Pp’=48KN/m2,Pw=5KN/m2
h=8.8m(上)时,Pp’=119.4KN/m2,Pw=28KN/m2
则,h=6.5m时,Pp=53KN/m2
h=8.8m(上)时,Pp=119.4+28=147.4KN/m2
土压力分布图如下:
截取等值梁计算支撑反力和钢板桩弯矩如下:
工况二:
围堰第二道支撑加好后,抽水、吸泥到-8.0m标高时;
有效被动土压力:
h=10m时,Pp’=2×10×1.555=31.1KN/m2
h=20.5m时,
Pp’=2.417×10.5×10+31.1=284.9KN/m2
考虑板桩与土体的摩擦,被动土压力系数提高K=1.62,则:
h=10m时,Pp’=50.4KN/m2,Pw=0KN/m2
h=20.5m时,Pp’=461.5KN/m2,Pw=105KN/m2
则,h=10m时,Pp=50.4KN/m2
h=20.5m时,Pp=461.5+105=566.5KN/m2
土压力分布图如下:
截取等值梁计算支撑反力和钢板桩弯矩如下:
工况三:
围堰第三道支撑加好后,向围堰内注水至围堰外标高,围堰内吸泥、清淤到-13.957m标高时;
有效被动土压力:
h=15.957m时,Pp’=2×10×1.555=31.1KN/m2
h=20.5m时,
Pp’=2.417×4.543×10+31.1=141KN/m2
考虑板桩与土体的摩擦,被动土压力系数提高K=1.62,则:
h=15.957m时,Pp=50.4KN/m2
h=20.5m时,Pp=228.42KN/m2
土压力分布图如下:
截取等值梁计算支撑反力和钢板桩弯矩如下:
工况四:
围堰封底砼浇注并达到设计强度后,围堰内抽水完成后。
土压力分布图如下:
各道支撑在四个工况下的最大反力作为圈梁的设计依据,则第一至第三道支撑的支撑反力依次为:
R1=78.9KN/mR2=305.4KN/mR3=486.7KN/m
钢板桩在各工况下所受的最大弯矩:
Mmax=210.7KN.m,钢板桩拟采用拉森Ⅵ型,其惯性矩为56700cm4/m,截面弹性模量为2700cm3/m,钢材材质为SY295。
σ=
=
=78.04Mpa<0.6×295=177Mpa,符合要求。
3、坑底土抗隆起验
围堰在水下清淤到-13.957m标高处,须验算坑底的承载力,如承载力不足,将导致坑底土的隆起,所以必须要求钢板桩有足够的入土深度。
本工程坑底抗隆起验算采用滑动圆滑分析法,以坑底O为圆心,以钢板桩入土深度OB为半径作圆交坑底水平线于E、F,再由E作垂直平方线交河床面于D。
则,抗滑力矩=C1H
+
=(10.5×2.3+10×7.157)×4.543+3.14×4.5432×10=1082.9
滑动力矩=
=
×(9.5×2.3+10×7.157)×4.5432
=964
K=
=1.12>1.1,可满足坑底抗隆起验算!
4、封底砼厚度计算
封底砼达到设计强度后,抽干围堰内的水。
此时封底砼受到由于内外水土压力差形成的向上的水的浮力P,封底砼必须在自重G、与钢护筒的粘聚力N1及与钢板桩的粘聚力N2作用下抵抗水的浮力P。
本工程拟定封底砼标号为C25,取其设计值ftd=1.23MPa,考虑施工阶段混凝土的允许弯拉应力取1.5倍安全系数,则[σ]=0.82MPa,钢护筒与封底混凝土间握裹力τ=0.12Mpa。
砼封底厚度为2.5m,考虑到封底砼顶面浮浆的存在,则封底砼在计算时取有效厚度为2.0m。
(1)、砼抗浮力计算
水的浮力P=
=1000×9.8×15.957×(13.2×20.4-15×3.14×0.752)=3796.7t
封底砼自重G=
=2.3×(13.2×20.4-15×3.14×0.752)×2.0=1116.8t
封底砼与钢护筒的粘聚力
N1=2×3.14×0.75×2.0×15×12=1695.6t
封底砼与钢板桩的粘聚力
N2=(13.2+20.4)×2×2×12=1612.8t
G+N1+N2=1116.8+1695.6+1612.8=4425.2t>P,满足要求!
(2)、封底混凝土拉应力计算
由于承台封底混凝土与钢护筒及钢板桩形成握裹支撑,其力的传递较为复杂,根据本承台桩基布置情况,将封底砼看成承受均布荷载的三边固定、一边简支的面板结构。
则,作用在砼梁上的荷载p=15.957×10-2.0×23=113.6KN/m2
Mx=0.06
=0.06×113.6×3.92=103.7KN.m
My=0.055
=0.055×113.6×3.92=95.03KN.m
<[σ]
5、内支撑的设计计算
本工程中支撑圈梁采用H588型钢,支撑钢管采用Φ530(壁厚10mm)和Φ630(壁厚12mm)。
H588型钢的截面特性如下:
A=18576mm2
I=113283.85cm4
W=3853.2cm3
Φ530(壁厚10mm),其截面特征如下:
A=16336.3mm2W=4.17×106mm3
I=5.52×108mm4;i=
=183.88mm
单位重量:
q=128.24kg/m
Φ630(壁厚12mm),其截面特征如下:
A=23298.1mm2W=7.064×106mm3
I=11.13×108mm4;i=
=218.5mm
单位重量:
q=182.9kg/m
第一道支撑经SAP2000计算结果如下:
(弯矩图)
(轴力图)
a、由计算可知,圈梁最不利荷载出现在长边圈梁上,
Mmax=153.51KN·M,Nmax=497.5KN
则,σ=
±
=
+
=26.8+37.9=64.7MPa≤
强度符合要求!
b、支撑钢管所受最大轴力N=591.5KN,计算长度L=4.2m,
由
=
=
=22.8;查表得:
=0.963
σ=
=
=37.6MPa≤
整体稳定性符合要求!
第二道、第三道支撑布置、材料规格均相同,取受力较大的第三道支撑验算。
第三道支撑经SAP2000计算结果如下:
(弯矩图)
(轴力图)
a、由计算可知,圈梁最不利荷载出现在长边圈梁上,
Mmax=994KN·M,Nmax=3069.1KN
则,σ=
±
=
+
=82.6+122.8=205.4MPa≤
强度符合要求!
b、支撑钢管所受最大轴力N=3775.3KN,计算长度L=4.2m,
由
=
=
=22.8;查表得:
=0.963
σ=
=
=195.1MPa≤
整体稳定性符合要求!
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