第十一期施工技术管理培训：钢板桩围堰施工设计(主讲：黄锋).ppt

钢板桩围堰施工设计 施工设计事业部 钢板桩围堰的定义 钢板桩围堰是最常用的一种板桩围堰 钢板桩是带有锁口的一种型钢 其截面有直板形 槽形及Z形等 有各种大小尺寸及联锁形式 常见的有拉尔森式 拉克万纳式等 优点及适用范围 其优点为 强度高 容易打入坚硬土层 可在深水中施工 必要时加斜支撑成为一个围笼 防水性能好 能按需要组成各种外形的围堰 并可多次重复使用 因此 它的用途广泛 适用范围 深水或深基坑 流速较大的砂类土 黏性土 碎石土及风化岩等坚硬河床 拉森钢板桩型号 钢板桩材质 围堰构造 板桩墙 圈梁 围囹 内支撑 封底混凝土 围堰构造 内支撑为型钢桁架形式 破坏原因 1 在结构的设计和安装过程中 缺乏对细节的关注2 对水位和环境的可能变化缺少考虑3 对开挖过程中遇到的新情况 没有及时校核4 超挖5 支撑设计不当或者支撑力不足 数量和强度 6 在设计中没有考虑作用在支撑构件上的荷载7 结构构件上的意外损坏没有及时修复8 板桩入土深度不足 不能预防管涌或隆起 没有考虑管涌或隆起对土压力的影响9 交底不够充分很多情况下 工程事故可能是以上多种因素共同作用的结果 设计要求 1 围堰必须能够承受作用在其上的各种荷载 2 控制渗入围堰内的水量 用泵抽干 3 在每个施工阶段必须保证施工面稳定 不发生不可控制的隆起 流沙或者管涌 4 围堰墙体和支撑变形不能影响围堰附近的永久结构或者其他既有结构 5 必须保证斜坡或潜在滑动面导致土体失衡时能够维持围堰整体稳定 6 围堰大小必须合适 能够满足其内部结构的施工要求 7 临时围堰必须要能够最大限度的回收和重复利用建筑材料 计算荷载 水压力 主动土压力 被动土压力 水土分算是计算全部的静水压力 并用浮重度计算土压力 水土合算是采用天然重度或饱和重度计算土压力 不再计算静水压力 从数值看前者大于后者 水土分算适用于渗透性较好的碎石土和砂土 计算荷载 计算荷载 计算荷载 计算荷载 修正系数 计算土压力强度时 应考虑板桩墙与土的摩擦作用 将板桩墙前与墙后的被动土压力分别乘以修正系数 为安全起见 对主动土压力则不予折减 板桩挡土墙分类 悬臂 单锚支撑 多锚支撑 板桩挡土墙分类 钢板桩的横断面最小入土深度支撑间距及尺寸 计算分类 计算的主要内容 悬臂无支撑单锚支撑多锚支撑 浅埋深埋 板桩挡土墙分类 常见3类边界条件 1 自由端 如 桩顶端 MA 0 QA 0 2 铰支端 活动或固定 xB 0 yB 0 B 0 3 固定端 如 深埋桩底端 MA 0 xA 0 如 浅埋桩底端或其它 计算假定 等值梁法计算钢板桩围堰 为简化计算 常用土压力等于零点的位置来代替正负弯矩转折点的位置 并设为铰接点 计算时取1m宽单位宽度钢板桩 在土处于饱和水状态下 为简化计算且偏安全考虑 不考虑土的粘聚力 c 0 假设钢板桩在封底混凝土面以下0 5m处固结 悬臂式板桩 悬臂式挡土结构 对于土的性质 荷载大小等非常敏感 它完全依靠足够的入土深度来保持其稳定性 故其悬臂高度一般不大于4 悬臂桩看似一端固定的悬臂梁 实际上二者有根本的不同之处 首先是悬臂桩难以确定固定端位置 因为桩在两侧土压力作用下 每个截面都会发生水平方向的位移和转角变形 其次 嵌入坑底以下部分的作用力很复杂 难于确定 因而期望以悬臂梁为基本构件体系 考虑桩墙和土体的变形一致来进行解题将是非常复杂的 悬臂式板桩 H t a b c d e f g h t2 t1 Ea Ep H1 Ew Ew1 Ew2 i 1 试算确定埋入深度t1 对各力对e点取力矩 满足防倾覆的安全系数不小于2 即 2 确定实际所需的深度t 在t1的基础上增加15 确保板桩的稳定 悬臂式板桩 H t a b c d e f g h t2 t1 Ea Ep H1 Ew Ew1 Ew2 i 3 计算剪力为0点g g点以上部分板桩内外压力相等 主动土压 水压 被动土压 水压计算出t24 计算最大弯矩 等于板桩内外压力对g点弯矩之差 5 选择板桩截面 根据求得的最大弯矩和板桩材料的容许应力 选择板桩的截面 型号 悬臂式板桩 挡土墙高度3 6m 超挖0 4m 超载10KPa 悬臂式板桩 通过试算确定桩趾的深度 本例的长度是7 022m 对该点取矩 悬臂式板桩 悬臂式板桩 地面下5 570m处的剪力为0 此高度以上的主动土压力分布图的面积等于被动土压力分布图的面积 对该点取矩 悬臂式板桩 最大弯矩M 141 1KNm对以上弯矩乘以1 2的分项系数后得到极限设计值 所需截面模量W 1 2 141 1 1000 270 627cm3 m 单锚浅埋 假定上端为简支 下端自由支撑 相当于活动铰 单锚浅埋相当于单跨简支梁 作用在桩后为主动土压力 作用在桩前为被动土压力 单锚浅埋 H t a b c d e Ea Ep Ha Ra Hp ep ea 单锚浅埋 板桩墙挡土高度7 0m 地下水位如图 地面超载 10kpa 单锚浅埋 主动力矩 被动力矩的深度为9 447m 单锚浅埋 拉杆力 329 93 250 00 79 93KN m地面以下5 195处剪力为0 对该点取矩M 184 3KNm所需截面模量W 1 2 184 3 1000 270 819cm3 m 单锚深埋 图中ab梁一端固定一端简支 弯矩图的正负弯矩在c点转折 若将ab梁在c点切断 并于c点加一自由支承形成ac梁 则ac梁上的弯矩将保持不变 即称ac梁为ab梁上ac段上的等值梁 等值梁原理 a b a b c a c 单锚深埋 t B P0 H Ra A C D t0 y x t t0 土压力分布图 弯矩图 等值梁 为简化计算 常用土压力等于零点的位置来代替正负弯矩转折点的位置 并设为铰接点 单锚深埋 1 绘制土压力图 计算土压力强度时 应考虑板桩墙与土的摩擦作用 将板桩墙前与墙后的被动土压力分别乘以修正系数 为安全起见 对主动土压力则不予折减 2 计算土压力为0的点离挖土面的距离y B P0 H Ra A C D t0 y x t t0 土压力分布图 t 单锚深埋 3 按简支梁计算等值梁最大弯矩和反力Ra P0 4 计算板桩墙的最小入土深度t0 B P0 H Ra A C D t0 y x t t0 土压力分布图 t 5 实际埋深取 多锚 D P0 H Ra A P E t0 y x t t0 t Rb B Rc C D P0 H Ra A P y Rb B Rc C P0 P E x x Kp Ka 单锚深埋 板桩墙挡土高度7 0m 地下水位如图 地面超载 10kpa 单锚深埋 假定弯矩图上反弯点的位置在主动土压力和被动土压力相等处 即y y处 该点Pa Pb 单锚深埋 y y处深度为7 d 单锚深埋 对该点取矩 单锚深埋 计算得桩长10 953m 对该点取矩 单锚深埋 为了修正由简化方法造成的偏差 反弯点以下的深度增加20 因此 所需桩长 7 0 724 1 2 10 953 7 724 11 599m地面以下4 779处剪力为0 对该点取矩M 135 2KNm所需截面模量W 1 2 135 2 1000 270 601cm3 m 基床系数法 在计算桩的水平抗力的时候 一般采用线弹性地基反力法 基床系数法 即假设桩侧土为Winkler离散线性弹簧 不考虑桩土之间的黏着力和摩阻力 假定土的抗拉强度为零 既弹簧只受压而不受拉 可以得出任一深度桩侧土反力与该点的水平位移成正比 即 p k z y b0 基床系数法 k z 的确定方法有四种 其中最著名的和应用最广的就是m法 即 k z m z就是说 k z 随深度线性增加 m为土的水平抗力系数的比例系数 基床系数法 1 确定m值2 确定支撑刚度3 确定桩长 内支撑计算 围堰结构设计中 支撑布置是最关键的 支撑的竖向布置决定了板桩的弯矩 水平布置决定了结构内部施工的难易度 为了确保主体结构的完整性 支撑布置必须与永久结构施工联系起来 尽可能减小对主体结构的干扰 总体原则是尽可能简化 内支撑计算 内支撑计算 抗隆起计算 管涌验算 不产生管涌的安全条件为 K 抗基坑底管涌安全系数 水容重 土的浮容重 水力梯 最大渗流力 水位至坑底的距离 钢板桩入土深度 封底混凝土 抗浮系数 G 封底混凝土自重 T 封底混凝土与护筒粘结力 P 封底混凝土底面浮力 封底混凝土强度验算 封底混凝土 封底混凝土抗弯一般根据护筒间距按四铰点简支板计算封底厚度宜比计算值增加0 30m封底混凝土容许弯曲应力一般按主拉应力的0 8倍选取封底混凝土强度等级不应低于C25 计算实例 施工顺序 1 插打钢板桩 降水 开挖至第一道支撑下部 2 安装顶层支撑 开挖 降水至第二道支撑下部 3 安装底部支撑 开挖至设计高程 计算实例 工况一 开挖至顶部支撑下安装顶部支撑前 钢板桩围悬臂结构 计算土压力分布图 很明显 本例后续工况中 钢板桩所需的长度和抗弯强度要比本工况大很多 因此该工况不做计算 计算实例 工况二 开挖至底部支撑下假定安装底部支撑所需的开挖深度为6 1m 计算土压力分布图 计算实例 由于开挖深度较小 入土深度较大 认为桩端固定 假定弯矩图上的反弯点在主动土压力与被动土压力相等的位置 即y y处Pa Pp63 21 60 18y 4 9 391 35y 4 9y 0 935m 计算实例 Ea 210 14KNMa 520 6KNm 对y y 支撑力 520 6 6 035 86 26KN m通过对假定桩趾处取矩来确定桩长 根据力矩平衡 d 4 252m为了修正简化方法的误差 将反弯点以下的桩长增加20 所需桩长 6 1 0 935 1 2 4 252 0 935 11 015m地面下4 523 处剪力为0 对该点取矩M 175 3KNm m 计算实例 工况三 开挖至基坑底面开挖至坑底设计标高 考虑0 2m超挖 被动区的设计开挖深度为8 10m 计算实例 斜坡上的围堰 导向框安装 一般利用围堰顶层圈梁当作导向 导向的作用 一是界定围堰的尺寸大小 二是作为板桩插打时线型控制的参照 三是作为板桩插打时 施工人员的操作通道 四是围堰合拢后 继续作为顶层支撑参与受力 导向的型钢截面大小由顶层内支撑受力检算确定 但还要考虑现场插打时 在导向框上焊接限位板与板桩连接 导向框也承担部分振动荷载 型钢截面不宜偏小 容易造成变形 导向框安装 钢板桩打设 1 顺着事先固定好的导梁依次插打钢板桩 钢板桩顺着首桩的锁口插入 插桩入土一定深度 导梁限位 2 钢板桩插打时 可用全站仪跟踪测量 或用铅锤吊线的方法 或用水平靠尺的方法进行测量 随时检查钢板桩的偏位情况 当钢板桩发生偏斜时及时用倒链或小螺旋顶校正 以利于及时纠偏 当偏斜过大不能用拉挤的方法调整时 应拔起重新插打 3 当下插困难时 可在钢板桩锁口处摸少许黄油 以减少摩擦 陆地或筑岛插打时 也可用水槽蓄水 用水润滑 减少土壤摩擦力 钢板桩打设 钢板桩打设 钢板桩打设 钢板桩插打可以逐根 组 插打到底或者全围堰 矩形围堰可为一边 先插合拢后 再逐根 组 打入 矩形围堰一般先插上游边 在下游合拢 尽量短边合拢 若采用先插后打合拢 到剩下最后10 20片时 先插好轻打 若合拢有误 用倒链或滑车组对拉 或者配异型桩使之合拢 合拢后 再逐根打到设计深度 若采用逐根插打到底合拢 到剩下最后10 20片时 提前测量 在导梁上做出标识 把误差均摊到剩余每根桩 最后合拢口选择在角桩附近几根桩 充分利用角桩的两个方向的可调性 钢板桩打设 钢板桩打设 钢板桩放线施工 桩头就位必须正确 垂直 沉桩过程中 随时检测 发现问题 及时处理 沉桩容许偏差 平面位置纵向100mm 横向为 50mm 0mm 垂直度为5mm 沉桩施前必须平整清除地下 地面及高空障碍物 需保留的地下管线应挖露出来 加以保护 基坑开挖后钢板桩垂直平顺 无严重扭曲 倾斜和劈裂现象 锁口连接严密 基坑土方和结构施工期间 对基坑围岩和支护系统进行动态观测 发现问题 及时处理 打桩注意事项 导向桩打好之后 以槽钢焊接牢固 确保导向桩不晃动 以便打桩时提高精确度 线桩插打 钢板桩起吊后人力将桩插入锁口 动作缓慢 防止损坏锁口 插入后可稍松吊绳 使桩凭自重滑入 钢板桩振动插打到小于设计标高20 40cm时 小心施工 防止超深发生 钢板桩打设 内支撑安装 内支撑安装保证节点焊接质量 尤其是接头仰焊质量 内支撑型钢连接符合设计要求 抄垫可用小型钢或者木方抄垫 抽水堵漏 围堰第一次抽水时 要强抽水 即形成较大的内外压力差 使板桩锁口咬合紧密 抽水堵漏时 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 围堰封底 基坑开挖 基坑开挖的原则 先装支撑后开挖 严禁超挖 先装支撑后抽水 分层支撑分层抽水 内支撑安装的原则 保证节点焊接质量 保证抄垫密实 基坑取土根据取土方便性与现场土方机械配置 分范围分层次取土 钢板桩拔除 基坑回填土时 拔出钢板桩 修整后重复使用 拔除前要注意钢板桩的拔除顺序 时间及桩孔处理方法 拔桩时会产生一定振动 如拔桩再带土过多引起土体位移 地面沉降