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鎖口鋼管樁圍堰的應(yīng)用

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一、鎖口鋼管樁圍堰的選用
    斜拉橋主塔墩承臺(tái) 40m X 20m,厚 5.5m。承臺(tái)處水深 3~6m,流速1.l~1.3m/s,承臺(tái)底在水下約10m,在覆蓋層內(nèi)埋深約7m。鉆孔樁施工和地質(zhì)鉆探揭示在承臺(tái)埋深的地層中有一條木質(zhì)沉船,船內(nèi)有片石,約占承臺(tái)面積1/3。方形承臺(tái)內(nèi)有本身的鋼筋和型鋼勁性骨架,有主塔兩塔肢(各為 7m X 10m)的勁性骨架和鋼筋錨固在承臺(tái)內(nèi),加上降溫水管和架立撐,其密集程度令圍堰水平支撐難以通過。該橋的邊墩 25m x 17m,厚3.5m。承臺(tái)處水深6~7m,承臺(tái)底在水下約10m,在覆蓋層內(nèi)埋深3~4m。由于承臺(tái)在山腳下,山下巖石掉落在此處,故土層中孤石密集。這兩承臺(tái)施工圍堰必須能通過地層內(nèi)的障礙物,且承臺(tái)內(nèi)不能有支撐,在灌筑塔身和墩身前,圍堰頂?shù)闹文懿鸪?
    水庫中在舊鐵路橋旁新建一鋼衍梁橋。其中主橋兩端的橋墩坐落在舊橋臺(tái)片石構(gòu)縫的錐體護(hù)坡上。由于老橋臺(tái)后為高填土,臺(tái)前堆砌防傾片石,水庫蓄水后將其淹沒。錐體護(hù)坡下為填筑的亞粘土厚約3m,填土下為礫石土,承臺(tái)底在礫石土內(nèi),為了清除片石,圍堰內(nèi)必須排水干挖。且鋼支撐不能埋入承臺(tái)內(nèi)。
    以上承臺(tái)的圍堰施工工期緊迫,且無大型起吊設(shè)備。根據(jù)上述條件,對(duì)常用的圍堰進(jìn)行了比選。
    鋼板樁圍堰。鋼板樁插打和吊裝不需大型起吊和下沉設(shè)備。但由于其截面特性,限制了應(yīng)用[1]。上述圍堰內(nèi)支撐間距密集到1.5~2.0m。由于其截面是敞口,在孤石和片石地層中插打,下端極易出卷邊或被撕步到,造成圍堰不能止水,延誤工期,影響承臺(tái)質(zhì)量。
    雙壁銅圍堰,它自70年代九江長(zhǎng)江大橋首次采用在鉆孔樁基礎(chǔ)施工后,由于其整體性。剛度和強(qiáng)度大、圍堰內(nèi)無支撐、止水效果、抽水水頭、抗水流沖擊力和波浪襲擊都較其他圍堰優(yōu)越。所以廣泛應(yīng)用于深水鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工中。但它體積龐大,需大型起吊設(shè)備。在覆蓋層下沉亦需較多設(shè)備,且下沉速度比樁要慢,若遇土層中障礙物,必須水中在刃腳下清除,勢(shì)必影響工期。雙壁銅殼在墩身出水后,承臺(tái)頂以上部分可切割回收或倒用,以下部分不能取出[1]。
    鉆孔樁圍堰。它是在深水基礎(chǔ)施工中鋼板樁和鉆孔樁并舉的圍堰[2]。它在復(fù)雜地層中做圍堰穿透能力強(qiáng),圍堰內(nèi)無支撐、止水效果好。但須先做鋼板樁圍堰,在板樁圍堰內(nèi)填土筑島,在島上板樁內(nèi)緣做深基坑護(hù)壁鉆孔樁,樁頂設(shè)圈梁,再開挖基坑等;工序多,設(shè)備多,時(shí)間長(zhǎng),造價(jià)高,不適用上述承臺(tái)圍堰。
    方形板樁圍堰,我處曾將雙壁銅圍堰豎向分條,做成方形板樁,以適應(yīng)某些無大型起吊運(yùn)輸設(shè)備和河床覆蓋層內(nèi)下沉雙壁銅圍堰困難的地方。這種板樁剛度大,圍堰內(nèi)支撐少,借助錘擊,下沉速度快。它組成的圍堰介于鋼板樁和雙壁銅圍堰之間。我們?cè)眠@種板樁在有片石和孤石地層內(nèi)錘擊下沉做圍堰,下沉十分困難,拔出來檢查;刃腳凸凹不平,下端貼焊在骨架上的鋼板脫皮、撕裂和卷曲,骨架有的扭曲變形。這種殼體極樁在土層要占用一定的空間,將障礙物、孤石、片石劈裂、擠開是困難的,故也不適用。
    1956-1957年在前蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下,由大橋局主持,大橋一處負(fù)責(zé)做過裝配式鋼筋混凝土鎖口管柱試驗(yàn)。并將這一成果應(yīng)用在丹江水庫大壩的防滲墻基礎(chǔ)中,達(dá)到了防滲要求。當(dāng)時(shí)還想將這一新技術(shù)推廣應(yīng)用到水利工程中的大壩防滲墻、碼頭岸墻、碼頭基礎(chǔ)和橋梁基礎(chǔ)。由于混凝土抗拉性能差,鋼筋混凝土鎖口管柱制造工藝要求高,加上當(dāng)時(shí)國(guó)家鋼材缺乏的制約,這一技術(shù)未繼續(xù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。
    日本把鎖口鋼管樁(日本叫鋼管板樁)的新技術(shù)廣泛應(yīng)用在岸墻、護(hù)岸、防波堤、圍堰、擋土墻基礎(chǔ)等工程中,于1981年編制了《鋼管板樁井筒基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工》。 
    對(duì)鋼管樁能否穿過水下地層中的障礙物、孤石和片石,我處在多座橋的施工棧橋搭設(shè)中,插打鋼管樁較多,對(duì)其設(shè)計(jì)和施工具有一定的經(jīng)驗(yàn)。
    鑒于前面所述,我們選用了鎖口鋼管樁做這幾個(gè)承臺(tái)的施工圍堰。
    二、鎖口鋼管樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工
    1.設(shè)計(jì)
    圍堰設(shè)計(jì)實(shí)際上是:①計(jì)算圍堰內(nèi)挖土和抽水時(shí)鋼管植和支撐中的應(yīng)力是否安全;②確定圍堰內(nèi)封底混凝土的強(qiáng)度和厚度必確定鎖口的形式,使其能注漿止水。確保鎖口在復(fù)雜受力狀態(tài)下不被破壞;④圍堰在水流、風(fēng)力、波浪作用下抗傾覆性檢算。
    (1)圍堰設(shè)計(jì)程序
    a.設(shè)計(jì)資料收集。如氣象、水文、地質(zhì)等資料,還有加工制造、運(yùn)輸、吊裝、樁錘等有關(guān)數(shù)據(jù)。
    b.資料中的圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算。如風(fēng)力、水流、波浪、土壓力系數(shù)。
    c.確定施工順序。如對(duì)圍堰支撐的要求,是水中去土,還是干挖。這一程序是關(guān)系圍堰側(cè)壓力計(jì)算,很重要。兩種施工順序見圖1。
    d.繪出圍堰總圖。擬定鋼管樁直徑,鎖口形式,支撐間距及平面布置,繪于總圖中。
    e.圍堰側(cè)壓力計(jì)算。進(jìn)一步求出每米寬圍堰的彎短和支撐反力。
    f.按以鎖口中心寬度換算成每根管樁的彎矩和支撐反力,檢算樁的應(yīng)力,設(shè)計(jì)或檢算支撐。
    g.按錘擊沉樁的錘擊力及允許的施工誤差設(shè)計(jì)鎖口。
    h.計(jì)算作用在圍堰的風(fēng)力、水流力、波浪力,檢算圍堰的抗傾覆的穩(wěn)定性。
    (2)兩種施工順序的圍堰布置方式見(圖2圖3)
    (3)設(shè)計(jì)要點(diǎn)簡(jiǎn)介
    a.鋼管樁的截面選擇。它是圍堰受力主要部件。初擬鋼管截面尺寸必須符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ17-88)的規(guī)定:鋼管(直)徑(壁)厚比的要求。 fy為鋼材屈服強(qiáng)度。A3鋼D/t≤100。在保證鋼管總體穩(wěn)定性前提下,因要穿過密集孤面、片石堆積和木質(zhì)沉船,為防止在柴油錘的強(qiáng)擊、偏打、樁帽接觸不良及樁墊材料惡化等造成樁端部出現(xiàn)"燈?quot;式壓曲或局部壓曲,故在管樁下端要貼焊定鋼板補(bǔ)強(qiáng),補(bǔ)強(qiáng)板的厚度與原管壁疊合后的徑厚比D/t≤0.8 X 50= 40。D/t<50是研究數(shù)據(jù),0.8是兩層疊合板的折減系數(shù)。
    b.鋼管樁的支點(diǎn)處理。鋼管樁與圍堰支撐的水平圈梁接觸處防止鋼管壓曲辦法是:①鋼管內(nèi)加鋼環(huán);②填早強(qiáng)砂漿或有圓弧面的木墊塊,使集中力變均布荷載。然后按有關(guān)公式檢算鋼環(huán)或管壁強(qiáng)度。鋼管與封底混凝土接觸處要作兩點(diǎn)處理:①接觸處彎矩峰值很高,要按照連續(xù)梁在支座處削減負(fù)彎矩峰值辦法進(jìn)行。即Me=M-Rl/8,式中,M,R,L分別是封底混凝土處彎矩、支反力、厚度;②按均布荷載q=R/l檢算管壁強(qiáng)度,若不夠:a.如管樁不拔除,則在管樁吸泥,灌注混凝土;b.如管樁要拔除倒用,則如圖4所示,做成雙壁圓筒。
    C.封底混凝土的厚度。低強(qiáng)度混凝土,在抗靜水壓力和承托承臺(tái)新鮮混凝土重力時(shí)要增加厚度,則相應(yīng)增加基底開挖量,增加鋼管樁長(zhǎng)度;若提高混凝土標(biāo)號(hào),厚度減薄,開挖量減少,樁規(guī)少。所以應(yīng)盡量提高混凝土的標(biāo)號(hào),減薄混凝土厚度。注意厚度是削減彎矩值參數(shù)之一,要兼顧這個(gè)因素。
    d.圍堰支撐主要功能是支撐圍堰外側(cè)壓力的。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加兩個(gè)功能:①在圍堰內(nèi)封底混凝土之前,作用圍堰上的風(fēng)力、水流力、波浪力應(yīng)通過支撐傳給鉆孔灌注樁的鋼爐筒上;②大體積承臺(tái)的圍堰,支撐應(yīng)兼做腳手架,承受豎向荷載。 
    e.鎖口的設(shè)計(jì)。鎖口能否止水是圍堰成敗的關(guān)鍵之一。為保證鎖口能止水:①要保證鎖口有足夠強(qiáng)度不開裂。對(duì)鎖口強(qiáng)度檢算主要是受力分析難。筆者認(rèn)可這樣假定的:a.兩根樁在同一平面內(nèi)對(duì)稱傾斜1/100,造成鎖口一端受拉,一端受壓; b.在平面外,兩根樁相反方向各傾斜1/100,鎖口受彎、扭、剪;C.一根下沉帶動(dòng)相鄰樁下沉,鎖口受剪;d.管樁錘擊下沉?xí)r旋轉(zhuǎn)使鎖口受扭,旋轉(zhuǎn)力按錘擊力的10%。以上各計(jì)算力的大小時(shí)均以錘擊力為基數(shù)。 
    ②要使鎖口有空腔可灌漿堵漏。按圖5所示"L-T"形鎖口較好。
    f.圍堰在封底混凝土后抗傾覆力計(jì)算時(shí)要考慮鎖口內(nèi)漿體粘著力,封底混凝土與圍堰外側(cè)壓力對(duì)樁端的嵌固力。
    2.鎖口鋼管樁圍堰的施工
    (1)在鉆孔灌注樁施工平臺(tái)周邊安裝導(dǎo)向架。設(shè)上、下兩層,力爭(zhēng)高精度控制樁的傾斜。
    (2)在導(dǎo)向架上按理論尺寸放線定出各樁的位置,在導(dǎo)向架內(nèi)插入樁,用震動(dòng)打樁機(jī)下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。若高位止樁,查閱地質(zhì)資料,如遇到沉船、孤石、片石等地段,用吊機(jī)將柴油錘套在樁頂,將樁錘擊到位。
    (3)鎖口內(nèi)射水沖洗灌注粘土水泥漿,為了阻止碎石和硬上進(jìn)入鎖口,在樁下插前于鎖口槽口下端先焊坡度1:6的擋板。
    (4)按設(shè)計(jì)要求安裝圍堰支撐。
    (5)圍堰內(nèi)開挖。泥土用抓斗沖抓或射水吸泥。沉船用沖擊鉆機(jī)和旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)破碎,船梆的大方木由潛水工人水下切割。孤石由潛水工水下作業(yè)消除。片石因堆砌整齊,且用砂漿鉤縫,故在于挖時(shí)用鋼纖鑿開或用撬棍撬松,人工清除。
    (6)在封底混凝土后灌筑承臺(tái)、塔肢或墩身。
    (7)鋼管樁的拔除。在用震動(dòng)打樁機(jī)震松鎖口的漿體后,用液壓千斤頂頂出。
    三、鎖口鋼管樁圍堰的特點(diǎn)及應(yīng)用前景
    1.特點(diǎn)
    通過施工,達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的,也加深了對(duì)這一決策的認(rèn)識(shí),歸納起來,我們認(rèn)為有如下特點(diǎn):
    (1)鎖口鋼管樁雖一次性投入大,但是設(shè)備式投入,可重復(fù)使用,還是經(jīng)濟(jì)的。
    (2)適應(yīng)于各種復(fù)雜地質(zhì)、地層,如水下地層有障礙物,密集孤石,片石堆積等。
    (3)施工速度快。制作、加工、運(yùn)輸、吊插、下沉等方便靈活,工藝簡(jiǎn)單,所需設(shè)備少。
    (4)可根據(jù)需要,組裝成各種形式的圍堰。
    (5)截面剛度大,使圍堰內(nèi)支撐減少,可適應(yīng)大體積承臺(tái)的施工。
    其缺點(diǎn)是我們現(xiàn)在使用鎖口簡(jiǎn)槽與荷頭截面積不等,造成鎖口鋼管樁不對(duì)稱,故易產(chǎn)生傾斜。
    2.應(yīng)用前景
    現(xiàn)在市場(chǎng)鋼材充足,為鎖口鋼管樁圍堰的應(yīng)用提供了廣闊的前景。我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)施工的圍堰只是荷葉才露出尖角,它可以應(yīng)用到:
    (1)深水基礎(chǔ)圍堰中。完善研究鎖口灌漿工藝,發(fā)揮鎖口灌漿后的組合效應(yīng),并增加一些輔助措施,如樁頂圈梁,是可以做到的。
    (2)做橋梁薄壁沉井式基礎(chǔ)。在圍堰增加一些鎖口鋼管樁隔墻即形式沉井,在覆蓋層深的地方,樁只需進(jìn)入持力層,在覆蓋層薄的地方,樁沉到基巖層,樁內(nèi)做鉆孔灌注樁,將基礎(chǔ)錨固在基巖內(nèi)可防沖刷、防滑移。施工速度比下沉沉井快,基礎(chǔ)形式還可靈活多變。
    (3)水利工程、碼頭工程、海港的岸墻、護(hù)岸、防波堤、碼頭等工程。只要在鎖口鋼管樁的鋼材里添加銅元素,增加抗浸蝕能力。 
    (4)工民建基礎(chǔ)的深基坑支護(hù)及圍堰。只要是作為設(shè)備式投入,充分發(fā)揮其抗水平力能力。
    在鋼材匾乏時(shí)間,做裝配式鋼筋混凝土鎖口管柱試驗(yàn)。在新世紀(jì)里,這一新技術(shù)將像鉆孔灌注樁那樣在建筑工程得到廣泛應(yīng)用。
 

發(fā)布:2007-07-27 11:18    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關(guān)閉]
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