深水基础的PLC桩围堰设计.pdf
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1、第6 期(总第2 9 0 期)2023年6 月D0I:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.030城市道桥与防洪URBANROADSBRIDGES&FLOODCONTROL桥梁结构深水基础的 PLC 桩围堰设计柴世宗1,蓝海涛2(1.武汉二航路桥特种工程有限责任公司,湖北武汉430 0 7 1;2.中铁大桥局集团第四工程有限责任公司,江苏南京2 10 0 0 0)摘要:围堰作为现代桥梁基坑施工中常见的临时围挡结构被广泛采用,对围堰进行设计研究是确保安全的必要程序。采用PLC桩围堰作为桥墩基础的挡水结构,既增强了锁口钢管桩的止水效果,又能节约钢材、降低施工成本。以海南某景观桥主
2、墩施工时采用的PLC桩围堰为例,对深基坑中的PLC桩围堰进行分析。结合有限元计算方法及理论公式对设计方案进行分析,确保深基坑在施工当中结构的安全性和稳定性。关键词:PLC桩;围堰;深基坑;有限元分析;桥梁中图分类号:U44文献标志码:B文章编号:10 0 9-7 7 16(2 0 2 3)0 6-0 110-0 5桥)跨径布置为(16.54m)钢筋混凝土现浇板+0 引言(74.46m+78.95m)V 墩刚构+2 8.1m排架钢构+随着我国基础建设的飞速发展,众多跨江、跨(7 8.9 5m+7 8 m)V 墩刚构+(30 m)简支钢箱梁+河、跨海大桥应运而生,桥梁建造也面领着重重困(516 m
3、)钢筋混凝土现浇板。上层桥为人行桥,下难。如深水基础施工、防腐养护等。目前解决深水基层桥行人兼非机动车通行。上部结构除中心平台采础施工难题的方法主要是双壁钢围堰、单臂钢围堰、用现浇预应力混凝土构造外,其余采用钢箱梁构造,钢吊箱围堰及钢管桩围堰等。双臂钢围堰拥有刚度引桥采用钢筋混凝土空心板。主桥(下层桥)全长大、止水效果好、工期短等诸多优点,但其用钢量大,444.5m,辅桥(上层桥)全长46 6.5m。该桥主墩最大制作工艺复杂,施工过程繁琐、下放、定位难度较大。水深10.1m;主墩基础采用9 根直径2.0 m钻孔桩;钢吊箱围堰加工难度大、用钢量大,施工难度高,承台为矩形结构,平面尺寸为10.9
4、m12.9m,顶高且主要用于解决深水高桩承台施工。钢管桩围堰在程-7.2 4m,厚3.5m。主桥立面布置见图1。国内大型桥梁承台施工中较早被采用,是因其具有7800在水深、近岸、埋深等特定条件下施工的特点。采用钢管桩围堰作为深水、大面积深基坑的支护结构是经济可靠的 2-7 ,但锁口质量不易保证,在深基坑中使用时止水性能差。PLC桩作为一种新的支护方式,具有施工简便、结构灵活、截面刚度大、施工速度快、止水性好、回收利用率高等特点。采用钢板与钢管组合的方式提高了止水性能,很好的解决了锁口钢管桩止水性能差的问题。1工程概况该人行景观桥采用双层桥面布置,其中主桥(下层桥)跨径布置采用(2 16 m+1
5、6.44m)钢筋混凝土现浇板+(7 7.56 m+71.525m)V 墩刚构+(2 23.975m)V墩刚构+(7 1.52 5m+76.06m)V墩刚构+(16.44m+2 16 m)钢筋混凝土现浇板,辅桥(上层收稿日期:2 0 2 3-0 1-11作者简介:柴世宗(19 9 2 一),男,硕士,工程师,从事桥梁设计工作。9550图1主桥立面布置图(单位:cm)2设计条件2.1地质条件桥位地貌类型为河流I级阶地,河床上部为冲积层,下部为花岗岩残积层。河床地形较平缓,河流两侧阶梯经人工填筑,有石砌护坡,现地势较高。主墩承台顶标高为-7.2 4m,底标高为-10.7 4m,墩位处泥面线高程约为-
6、6.6 1m。钻孔资料显示,地层从上到下依次为约0.8 4m厚的淤泥,约16.6 m厚的黏土,约8.8 2 m厚的砾砂,约9.6 m厚的强风化花岗岩。地勘土体参数见表1。2.2水文条件桥址处2 0 a一遇洪水位5.2 2 m,通过对近十年(2 0 11年2 0 2 1年)墩位处水位情况的调查分析,每110955076502023年第6 期柴世宗,等:深水基础的PLC桩围堰设计城市道桥与防洪表1地勘土体参数表压缩模地基承载力编号地层量/MPa1素填土2淤泥3粉砂4砾砂5黏土51中砂6砾砂7黏性土5.34强风化8花岗岩中风化9花岗岩年八月至次年四月水位基本维持在+2.5m至3.5m。最大流速为2.
7、0 m/s。3围堰结构设计主墩承台规模大、埋深深,施工时支护结构需承受16.7 4m的水压力以及6.6 3m的土压力。工期紧、施工荷载大是该支护结构设计的两大难题。考虑到钢套箱围堰加工复杂、施工周期长、可重复使用率低、下放及定位难度较大等。如果采用钢管桩,会因锁口与钢管桩刚度及变形不协调导致在施打过程中遇强风化花岗岩层会不同程度出现锁口撕裂的现象。从而影响围堰的止水效果。若采用钢管桩与钢板桩组合的形式将很好的解决这一问题。4围堰计算4.1围堰布置为满足承台施工要求,将围堰尺寸设计为长15.6m、宽13.7 m、高3.5m的矩形截面。PLC桩围堰采用63014钢管、IV型拉森钢板桩、双拼工50
8、C型钢围及60916钢管内支撑PLC桩构造见图2。围堰平立面布置见图3、图4。钢管桩采用5层内支撑,顶、中底层内支撑高程分别为3.0 m、0.0 m、-6m、-8.5m。封底混凝土厚度2.5m,基坑底部开挖至-13.2 4m,承台分两次施工,第一层高度为1.5m,第二层高度为2.0 m。焊缝满焊锁口(余同)焊缝满焊1575+图2 PLC桩构造(单位:mm)101300F传力件-2中/c/kPa特征值(kN m)417.52.69505.01207.01604.961206.01407.01701603505 000拉森NW钢板桩1300702()101516.34.919.5520318.32
9、3.611.919.51020.0318.927.915.5232663014mm钢管6609X钢管20002.4b60916钢管23282028.111:传力件-1HOHOHOHOHOHOHOHOOHGL钢护HOLOOHOHOOLOLOLOLOO12001200图3围堰平面布置图(单位:mm)2150C工字钢围檬2150C工字钢围榜b60916钢管PLC工法钢板牛腿650X350X122150C工字钢围檀2150C工字钢钢板牛腿650X350X122150C工字钢围檬钢板牛腿650X350X122150C工字钢围樓泥面标高-6.6 1m150C工字钢围檬淤泥2150C工字钢围穗099T数土0
10、90788砾砂强风化花岗岩槽外侧灌砂图4围堰立面布置图(单位:mm)4.2计算工况及荷载取值钢围堰结构应对其安装、使用、拆除等过程存在以下施工工况:工况1:旋挖引孔,引孔后护筒内回填粘土,施打钢板桩与钢管桩至合拢后气举反循环清孔、吸泥,槽内侧灌C30细石混凝土;工况2:抽水至第一道支撑以下1m;工况3:安装第一道内支撑与围;工况4:开挖至坑底,浇筑C30水下封底混凝土2.5 m;工况5:抽水至第二道支撑以下1m;工况6:安装第二道内支撑与围;工况7:抽水至第三道支撑以下1m;工况8:安装第三道内支撑与围;工况9:抽水至第四道支撑以下1m;工况10:安装第四道内支撑与围;工况11:抽水至第五道内
11、支撑以下1m;工况12:安装第五道内支撑与围;桩顶标高:4.0 m二设计水位:3.5m二第一层支撑标高:3.0 m2150C工字钢围楼$60916钢管2150C工字钢围榜0008$60916钢管2150C工字钢围榜0009$609X16钢管290$60916钢管2150C工字钢围楼电填砂)可底混第三层支撑标高:-3.0 m槽内侧灌C30细石混凝土飞槽内侧灌C30细石混凝土蔓二层支撑标高:0.0 mIVW拉森钢板桩第三层支撑标高:3.0 m$63014钢管第四层支撑标高:-6.0 m承台顶标高:-7.2 4m第五层撑标高:8.5m委台底标高:-10.7 4m槽外侧灌砂桂底标高:-2 0.0 m城
12、市道桥与防洪工况13:抽水至封底混凝土顶面(承台底面);工况14:浇筑承台混凝土1.5m高至标高-9.2 4m,回填砂至已浇筑承台顶以下0.2 m;工况15:拆除第五道内支撑与围;工况16:浇筑承台混凝土2 m高至标高-7.2 4m;工况17:围堰内灌砂至标高-7.11m;工况18:拆除第四道内支撑与围;工况19:浇筑墩身混凝土3.5m至标高-3.7 4m;工况2 0:围堰内灌水至标高-4.7 4m;工况2 1:拆除第三道内支撑与围;工况2 2:浇筑墩身混凝土3.0 m至标高-0.7 4m;工况2 3:围堰内灌水至标高-1.7 4m;工况2 4:拆除第二道与第一道的长内支撑;工况2 5:浇筑墩
13、身混凝土4.5m至标高3.7 6 m;工况2 6:拆除第二道短内支撑与围;工况2 7:围堰内灌水至标高2.0 m;工况2 8:拆除第一道短内支撑与围;工况2 9:拔除钢管桩与钢板。按施工工况得出的控制PLC桩设计的不利工况为:工况1:抽水至第一道支撑以下1m;工况2:抽水至第二道支撑以下1m;工况3:抽水至第三道支撑以下1m;工况4:抽水至第四道支撑以下1m;工况5:抽水至第五道支撑以下1m;工况6:抽水至封底混凝土顶面;工况7:拆除第五道支撑与围;工况8:灌砂至标高-7.11m,拆除第四道支撑与围;工况9:灌水至标高-4.7 4m,拆除第三道支撑与围;工况10:灌水至标高-1.7 4m,拆除
14、第二道与第一道长内支撑;工况11:拆除第二道短内支撑与围;工况12:灌水至标高2 m,拆除第一道短内支撑与围。根据上述施工步骤和对应的水文、地质条件,确定围堰计算工况及计算荷载,见表1。4.3计算结果4.3.1PLC桩稳定性验算采用启明星进行整体稳定性与抗倾覆验算,见图5。土层参数见表2。PLC工法桩入土深度的计算控制工况出现在计柴世宗,等:深水基础的PLC桩围堰设计m合算(kN m3)2淤泥10.65黏土1.376粉砂8.818强风化岩7算工况6,整体稳定性系数为2.45 1.35。基坑抗倾覆系数为2.52 1.2 5,基坑抗隆起系数计算结果为2.682.2,墙底抗隆起系数为2 1.7 6
15、1.8。均满足规范要求8 。4.3.2围堰抗浮围堰抗浮按水位+3.5m计算,所受向上的浮力为2 3538.1kN,围堰抗浮荷载主要来自于封底混凝土自重力,不计PLC工法桩与封底混凝土之间的黏结力,封底混凝土与钢护筒之间的黏结力为2 119 5kN。则围堰抗浮安全系数K=1.251.15,满足规范要求8。4.3.3围堰结构受力采用有限元计算软件MIDAS建立PLC桩围堰模型 9,其中钢管桩、拉森钢板桩及钢管内支撑均采用梁单元进行模拟,围堰内侧土体对钢管桩的作用采用m值法换算成弹性约束加在相应位置 10 ,有限元模型见图6 所示、某工况围堰静水压力见图7、围堰外土压力见图8。围堰计算荷载及工况见表
16、3。图6 模型图1122023年第6 期2569268图5启明星计算模型表2 土层参数表厚度/分算重度/编号岩土分类/M/C/kPa()(MPam2)合16.3合18.2分20合23026.313.53280.6380413.18142023年第6 期柴世宗,等:深水基础的PLC桩围堰设计城市道桥与防洪根据上述工况及施工荷载对围堰受力进行分析,最不利工况为第8 工况,有限元计算结果应力云图见图9 图11。HC图9 工况8 灌砂至标高-7.11m,拆除第四道支撑与围时钢板桩应力云图(单位:MPa)H图7 某工况围堰静水压力图图10 工况8 灌砂至标高-7.11m,拆除第四道支撑与围时钢管桩应力云
17、图(单位:MPa)H图8 围堰外土压力图表3围堰计算工况及荷载外侧水水头外侧土内侧土工况工况描述抽水至第一道支撑以下1 m2抽水至第二道支撑以下1 m抽水至第三道支撑以下31 m抽水至第四道支撑以下41 m抽水至第五道支撑以下51 m6抽水至封底混凝土顶面7拆除第五道支撑与围+3.514.24-6.61灌砂至标高-7.11m,拆8除第四道支撑与围+3.511.74-6.61灌水至标高-4.7 4m,拆9除第三道支撑与围灌水至标高-1.7 4m,拆10除第二道与第一道长内支撑11拆除第二道短内支撑与围灌水至标高2 m,拆除第12一道短内支撑与围图11工况8 灌砂至标高-7.11m,拆除第四道支撑
18、与围时变形图(单位:mm)(1)PLC(板桩)整体最大应力为10 5MPa,PLC位/m差m高程/m高程/m+3.51.5+3.54.5+3.57.5+3.510.5+3.513+3.514.24-6.61+3.58.24+3.55.24-6.61+3.55.24+3.51.5(管桩)整体最大应力值134MPa,钢围最大应力-6.61-6.61-6.61-13.24-6.61-13.24-6.61-13.24-6.61-13.24-13.24-13.24-13.24-6.61-13.24-13.24-6.61-13.24-6.61-13.24113值为2 11.6 MPa,钢支撑最大应力值为8
19、 7.6 MPa,均小于30 5MPa。变形最大值为11.2 mm42.5mm。围堰各构件组合应力最大值及最大变形均出现在第8工况,且均满足规范要求。(2)封底混凝土采用实体单元模拟,假设封底混凝土与钢护筒完全粘结,两者共节点,计算中约束混凝土四周法向位移,约束围堰底面节点的竖向位移。最不利工况下(工况8)的第一主应力最大值约为1.44MPa,C30混凝土抗拉强度2.0 1MPa。混凝土第一主应力未超出C30混凝土抗拉强度设计值。5旅施工关键技术及重难点5.1施工关键技术主墩PLC桩围堰采用先桩基后围堰的施工方法,施工工艺为:刻槽施工一PLC桩施打气举反循环法吹砂施工导管法浇筑封底混凝土一基坑
20、开挖。城市道桥与防洪柴世宗,等:深水基础的PLC桩围堰设计2023年第6 期5.2施工重难点PLC桩围堰在施工时涉及多道施工程序如:刻槽、PLC桩施打、吹砂封底等。施工难度较大。(1)墩身埋置深度大,水头差较大,PLC桩强度及刚度要求高,同时对止水性能要求较高。(2)围堰刻槽施工难度大,钻机刻槽施工时需严格控制引孔垂直度,对成孔的质量要求高,尽最大限度的保证桩底锁口咬合效果,保证整个围堰止水效果。(3)PLC桩对成桩线型要求高。(4)强风化花岗岩易遇水崩解软化,易冲刷。6结论海南某人行景观桥主墩承台施工时使用PLC桩围堰。(1)采用钢板与钢管组合的方式提高了止水性能,很好地解决了锁口钢管桩止水
21、性能差的问题。(2)经过计算各工况下围堰的抗浮、结构应力及变形均满足规范要求。PLC桩围堰结构合理,受力安全。(3)主墩基础施工效果理想,说明PLC桩围堰适用于深水基础施工。且具有施工简便、结构灵活、截面刚度大、施工速度快、止水性好、回收利用率高等特点。参考文献:1桂明.浅谈跨海大桥钢吊箱施工结构的计算 Z.2王寅峰,吴杰良.武汉青山长江公路大桥南主墩锁扣钢管桩围堰设计 J.桥梁建设,2 0 17(47):9 9-10 3.3周述芳,孙飞.复杂地质条件下锁口钢管桩深水围堰施工 .铁道建筑技术,2 0 12(10):6 6-6 9.4郭文杰,方召欣.锁口钢管桩围堰在复杂地质条件下桥梁深基坑支护的
22、应用 J.交通标准化,2 0 14,42(7):7 6-7 8.5杨克龙.锁口钢管桩围堰在桥梁基础施工中的工程实践 .安徽建筑,2 0 12(2):9 0-9 2.6靳会武,周春华.泰州大桥南塔承台深基坑支护技术 J.中外公路,2009,29(6):198-201.7朱晓明,李新形.糊口大桥东塔基础锁口钢管桩围堰施工方法介绍J.公路,2 0 0 2(7):7 1-7 2.8JGJ1202012,建筑基坑支护技术规程 S9孙鸿飞,张飞.大西客运专线晋陕黄河特大桥主墩深水基础锁口钢管桩围堰设计与检算 J.2011(S1):71-74.10赵学峰,吴振宏.泰州大桥南塔承台锁扣钢管桩围堰设计与施工 J
23、.现代交通技术,2 0 13(10):45-48.城市道桥与防洪杂志是您合作的伙伴,为您提供平台,携手共同发展!欢迎新老读者订阅期刊欢迎新老客户刊登广告投稿网站:http:/电话:0 2 1-550 0 8 8 50 联系邮箱:114 ZHANG Anyu,ZHOU Yuli,GUO Yawen(1 0 3 )to reach the purpose of seismic mitigation and absorption.This will result in a change in restraint system.This problem is particularly prominen
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