双排钢板桩在运河节制闸导流明渠设计中的应用

1、双排钢板桩在运河节制闸导流明渠设计中的应用 摘要:结合工程实际,本文首次将双排拉森钢板桩作为边坡支护兼作临时挡土墙结构,其施工简便、快捷,能有效防止流砂、流土,抗渗性能优异,不失为一种经济合理的边坡支护措施,在透水地基的边坡防护中具有一定的参考价值。 关键词:拉森钢板桩;锚定;入土深度;重力式挡土墙 1、工程概况 东莞市樟村水质净化厂位于运河樟村段,设计日处理能力近期为360万吨,远期为460万吨,现为亚洲最大的污水处理厂,工程总投资约4.3亿元,工程已于2002年全面开工建设,近期已竣工投入使用。作为净化厂配套工程的运河节制闸,位于厂区上游,担负着拦污、引污的任务,节制闸能否按时竣工投入使用

2、,是净化厂能否按时投产的关键。 节制闸设于运河樟村段,历史上实测最大洪峰流量400m3/s,估算施工期(10月-4月)最大流量100 m3/s。考虑到本工程工期紧,场地狭窄,需全断面截断运河进行施工,设计时初拟在节制闸左岸或右岸布置导流明渠进行施工期导流,实际布置时发现右岸已有进出水涵、提升泵房、施工道路等设施,在该处布置导流明渠难度很高,且施工干扰也很大,不利于赶工期抢进度,故最终将导流明渠布置于节制闸左岸滩地,即东江大堤一侧。枢纽布置见图1。 考虑到导流明渠设计流量较大,导流时间也较长(实际使用将近半年),设计时明渠右侧采用连续灌注桩(兼作水闸左岸墙),左侧采用浆砌石挡土墙,砼护底、护面,

3、设计渠长215米,渠净宽20米,渠底纵坡1/1000。断面形式如图2。 由于多种原因,工程推迟到2002年12月才动工,此时东江、运河水位均较高,在明渠挡土墙基底试开挖时发现在高程0.00米处有砂夹层,地下水位很高,其地质条件与节制闸早期布孔存在较大差异,开挖过程基坑有流砂、滑坡现象发生,已危及东江大堤安全,工程被迫中止。 由于导流明渠是节制闸工程的瓶颈,为尽早开始节制闸,主体工程的全面开工建设,经充分比较分析,尝试采用双排钢板桩代替原设计的浆砌石挡土墙,修改后断面形式如图3、图4。 2、工程地质 为摸清拟打钢板桩位置的基岩出露情况,以便合理选择桩型、桩长,避免浪费,沿桩轴线补充地质钻探(均为

4、观察孔),结果表明,基岩面起伏极大,强风化砂岩岩面高程-3.02-8.05m,其中75%岩面高程-3.0-4.0m,岩面以上主要为中细砂层及耕作土层,地质条件良好。 3、钢板桩支护设计 3.1 钢板桩简介 钢板桩是一种较老的基坑支护方式,采用锤击或振动方法打入带锁口的桩体,使之在基坑四周闭合,并保证水平、垂直和抗渗;桩体可作成悬臂式、坑内支撑、上部拉锚等支护方式,作为在土方开挖和基础施工时抵抗桩背的土、水压力,使之达到基坑内外稳定;桩的型式有U型、Z型及直腹型等,常用的是U型咬口式(本工程即采用该桩型)。 钢板桩最初主要应用于工业与民用建筑的深基坑支护,由于其施工方便快捷、挡土止水效果良好,近

5、期我院已将其应用到多宗水利工程的边坡支护设计中,取得较好的经济效益。但由于钢板桩一次性投资大,打拔费用高,施工时有躁音、振动等问题,在经济欠发达地区、城区应用受到很大限制。 日本拉森U型钢板桩资料 种 类 尺 寸 截面积 重 量 二次力矩 截面模量 W (mm) h (mm) t (mm) 每片 (cm2) 每片 (N/m) 每米 (N/m2) 每片 (cm4) 每米 (cm4/m) 每片 (cm3) 每米 (cm3/m) YSP-I 400 75 8.0 46.49 365 912 429 3820 66.4 509 YSP U-5 400 80 7.6 45.21 355 888 454

6、4220 64.7 527 FSP I A 400 85 8.0 45.21 355 888 598 4500 88.0 529 YSP- 400 100 10.5 61.18 480 1200 986 8690 121 869 FSP- 400 100 10.5 61.18 480 1200 1240 8740 152 874 YSP U-9 400 110 9.3 55.01 432 1080 1070 9680 120 880 FSP A 400 120 9.2 55.01 432 1080 1460 10600 160 880 YSP- 400 125 13.0 76.42 600 1

7、500 1920 16400 196 1310 FSP- 400 125 13.0 76.42 600 1500 2220  16800 223 1340 YSP U-15 400 150 12.2 74.40 584 1460 2700 22800 238 1520 FSP-A 400 150 13.1 74.40 584 1460 2790 22800 250 1520 YSP- 400 155 15.5 96.99 761 1900 3690 31900 311 2060 FSP- 400 170 15.5 96.99 761 1900 4670 38600 362 2270

8、YSP U-23 400 175 14.7 94.21 740 1850 4380 39400 330 2250 FSP- A 400 185 16.1 94.21 740 1850 5300 41600 400 2250 YSP-V 420 175 22.0 134.0 1050 2500 5950 55200 433 3150 FSP-VL 500 200 24.3 133.8 1050 2100 7960 63000 520 3150 FSP-VIL 500 225 27.6 153.0 1200 2400 11400 86000 680 3820 3.2 桩类型选择 参照振动法施打钢板

9、桩经验,桩尖能入岩深度仅为1020cm,按岩面高程-3.0-4.0m计算,桩身入土深度在23m间。经估算,悬臂桩入土深度需达6m方能满足结构稳定性要求,故悬臂桩不适合该处地质条件,设计时选择上部有锚固的锚定式板桩。 从边坡开挖情况、地质钻探结果分析,堤坡填土较为疏松,若采用常规桩顶设置钢锚杆,一方面锚固效果很难保证,另一方面其打孔、灌浆锚固时间长,无法满足当时赶工期需要,况且其造价也不低。经查阅资料,结合本工程实际情况,确定采用双排钢板桩结构形式作为边坡支护,其中外排钢板桩为挡土、防渗、抗冲,内排钢板桩为锚固、防渗,两者在桩顶采用拉结结构连成一个整体,形成一个重力式挡土墙。 3.3 结构分析计

10、算 按双排拉森钢板桩的受力特点,其结构设计应包括墙体稳定分析计算、锚定桩结构分析计算、桩顶拉结分析计算三大部分内容。 3.3.1 墙体稳定分析计算 计算简图如图5。 按一般经验,墙后土料C=0, =30(折算),=19KN/m3, 按破裂角=45+/2=60 计算的有效挡土高度H=8.0m, 土压力按朗肯公式计算,则 土压力 初定双排钢板桩间距4.5m(必须保证内排桩落在破裂面以外) 则土重G1=194.53.6=307.8KN 钢板桩重G2=1.463.62=10.51KN(初选钢板桩型号FSP-A,其重量1.46KN/m2) 基底摩擦系数f=tg=0.577 G=G1+G2=307.8+1

11、0.51=318.31KN 抗滑稳定系数 满足规范要求。 3.3.2 锚定桩结构分析计算 计算简图如图6。 按下端自由支承,上端有锚定拉杆的板桩进行 计算(详见支挡结构设计手册,过程略) 求得板桩入土深度t=2.5m 锚定杆拉力T=28.65KN/m 板桩最大弯矩Mmax=50.33KN.m/m 板桩需要截面模量Wmax=Mmax/=347cm3/m 考虑到钢板桩需打入强风化砂岩,且其防护之东江大堤极为重要,故选用较大截面拉森钢板桩,型号FSP-IIIA,其W=1520 cm3/m。 由于岩面较高,桩尖仅打至-4.00m高程,此时桩入土深度为2.4m,略为不足,为安全计,设计时将桩外2m范围护底高程提高1m作为安全储备。 3.3.3 桩顶拉结分析计算 设计时为便于调整双排钢板桩预紧度,采用型钢将桩顶夹紧,再用螺栓拉结。考虑到钢板桩单桩宽度400mm,设计拉结螺栓间距取a=1.6m, 则螺栓拉力T=1.6T=45.84KN 采用32圆钢加工,其允许拉力100.5KN,桩顶型钢按均布荷载连续梁计算,其 Wmax=Mmax/=46.0cm3 选用两条16010010,其W=262.13=124.26 cm3 3.4 结论