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钢板桩设计计算及施工方案


 

钢板桩设计计算及施工方案
本标段施工范围内共有75个承台,分8种类型:
A类承台:下部采用9根φ1.0 m钻孔灌注桩,承台尺寸为8.4×7m(横×顺, 厚2.4m。主要适用于30+30m跨径组合;
B类承台: 下部采用9根φ1.2m 钻孔灌注桩,承台尺寸为8.4×8.2m(横×顺, 厚2.6m。主要适用于40+40m跨径组合;
C类承台: 下部采用8根φ1.0 m钻孔灌注桩,承台尺寸为8.4×7m(横×顺, 厚2.4m。主要适用于25+25m跨径组合;
D类承台: 下部采用8根φ1.2 m钻孔灌注桩,承台尺寸为8.4×8.2m(横×顺, 厚2.6m。主要适用于30+40m跨径组合;
E类承台: 下部采用6根φ1.2 m钻孔灌注桩,承台尺寸为8.4×5.34m(横×顺, 厚2.5m。主要适用于25+30m跨径组合(斜交20°);
F类承台: 下部采用9根φ1.2 m钻孔灌注桩,承台尺寸为8.4×8.34m(横×顺, 厚2.6m。主要适用于33.5+33.5m跨径组合(斜交20°);
G类承台: 下部采用9根φ1.2 m钻孔灌注桩,承台尺寸为8.4×8.872m(横×顺, 厚3.0m。主要适用于40+40m跨径组合(斜交40°);
H类承台: 下部采用10根φ1.0m钻孔灌注桩,承台尺寸为27.0×4.5m(横×顺, 厚1.5m。主要适用于桥台基础;拟采用拉森Ⅳ型钢板桩实施围护,以确保基坑安全开挖、承台结构和墩身结构的顺利施工。 
二、地质情况
根据地质勘察报告显示:勘察深度范围内(河床底至钻孔桩底)可分为7个地质单元层,钢板桩深度主要在:⑴层为近代人工堆填土,⑵黄~灰黄色粘土和灰黄~灰色砂质粉土,(3)灰色粉质粘土
三、钢板桩施工方案
1、钢板桩的选用 
    根据工程所在地场地特点,结合钢板桩的特性、施工方法等方面进行考虑,选用拉森Ⅳ型钢板桩。拉森Ⅳ型WUR13型冷弯钢板桩桩宽度适中,抗弯性能好,依地质资料及作业条件决定选用钢板桩长度。 
    2、打桩设备 
    拟采用Z550型液压振动沉桩机,作为沉设钢板桩的主要动力。投入钢板桩打拔桩机1台用于施工。打拔桩机为挖掘机加液压高频振动锤改装而成,激振力220kN。 
四、钢板桩设计方案
现对承台钢板桩围堰设计进行计算如下:
    1、上海A8三标桩基658根,承台75个。承台宽8.4m,长5.34~8.872m(0#台除外,0# 台长×宽为4.5×27m。根据地质勘察报告显示:勘察深度范围内(河床底至钻孔桩底)可分为7个地质单元层。
为保证设计安全,取土的重度选为:18.8KN/m3,内摩擦角选为Φ=20.1°。
2、现场实际情况
   施工现场已经打设9米长拉森Ⅳ型钢板桩,并提供以下数据:打设钢板桩尺寸为沿道路方向承台尺寸两侧各加0.5m;钢板桩露出地面高度为0.5米。
3单支撑钢板桩计算
    支撑层数和间距的布置是钢板桩施工中的重要问题,根据现场的支撑材料和开挖深度,我们采取在钢板桩内侧加一层围囹并设置支撑,按单支撑进行钢板桩计算。围堰采用拉森Ⅳ型钢板桩,W=1346cm3,[f]=350Mpa。
4、土的重度为:18.8KN/ m3,内摩擦角Ф=20.1°
5、距板桩外1.5m均布荷载按20KN/ m2计。基坑开挖深度4m.
钢板桩平面布置、板桩类型选择,支撑布置形式,板桩入土深度、基底稳定性设计计算如下:
(1)作用于板桩上的土压力强度及压力分布图
ka=tgа(45°-φ/2)= tgа(45°-20.1/2)=0.49
Kp= tgа(45°+Ф/2)= tgа(45°+20.1/2)=2.05
板桩外侧均布荷载换算填土高度h1,
h1=q/r=20KN/ m2÷18.8KN/ m3
=1.06m
基坑底以上土压力强度Pa1
Pa1=r*(h1+4)Ka=18.8×(1.06+4) ×0.49
=46.6KN/m2
合力Ea距承台底的距离y为2.53m.
 (2)确定内支撑层数及间距
按等弯距布置确定各层支撑的间距,根据拉森Ⅳ型钢板桩能承受的最大弯距确定板桩顶悬臂端的最大允许跨度h:
h=  = 
=313cm
=3.13m
h1=1.11h=1.11×3.13=3.47m
h2=0.88 h =0.88×3.13=2.75m
根据具体情况,确定采用【桥涵(施工手册】图5-44的形式布置。
支撑间距:S1=0.475×4+0.16×(0.34×4+0.12)=2.13m
S2=0.525×4-0.16×(0.34×4+0.12)=1.87m
  (3)WUR13型冷弯钢板桩厚度以0.36m计,围囹以10m长计,   
围囹受力计算如下:
围囹采用2I40a工字钢,翼板间每隔1m采用钢板满焊连接,形成半封闭箱型结构。钢材屈服强度值fy=235N/mm2,钢材抗压强度设计值f=215N/mm2。2I40a工字钢惯性矩/静力矩(Ix /Sx)=68.2cm,截面模数=2180cm3
a. 支承力:
18.8×0.49×2.13×(2.13+1.87)/2=78.49kN/m
 P2=78.49×10/7=112.13kN
b.弯距
Mmax=112.13×2.252/8=49.67kN·m
σmax=49.67×106/(2180×103
=17.68N/mm2<fy=235N/mm2,满足要求。
c.剪力
τ=RSx/(Ix×t)
=R/( t×Ix/Sx)
=94.18×103/(5×10-3×68.2×10-2)
=32.88MPa<[τ]=120MPa,满足要求。
(4)横桥向支撑杆,采用φ300×10的钢管,支撑在顺桥向支撑上,型钢与钢管之间满焊连接。
钢管外径D=300mm,管壁厚度d=10.0mm,钢材屈服强度值fy=235N/mm2,钢材抗压强度设计值f=215N/mm2
①钢管截面积
A=1/4π(D2-d2)=π/4×(302-282)=91.06cm2
②钢管的回转半径
截面惯性矩I=π×(D4-d4)/64=π×( 304-284)/64=9584.1cm4
截面回转半径i=(I/A)1/2=(9584.1/91.06)1/2=105.25cm
③钢管的长细比
λ=l/i=2150/105.25=20.4<[λ]=150,满足要求。
④钢管的稳定性
σ=P/A=262600/9106=28.8N/mm2<fy=215N/mm2,满足要求。
(6)钢板桩入土深度X:
采用盾恩近似法计算钢板桩入土深度。
如右图所示,Kn=r(Kp-Ka)=18.8×(2.05-0.49)=29.328 KN/m3
e1=MQ=rKaH=18.8×0.49×5.06=46.613 KN/m2
DB'板桩上的荷载GDB'N'一半传至D点,另一半传至土压力MR'B',故有rKaH(L+x)/2=r(Kp-Ka)x2/2
即r(Kp-Ka)x2- rKaHx- rKaHL=0
由上面计算知,支撑距基坑底的1.87m,即L=1.87m,代入上式,得,x=2.69m     
钢板桩入土深度9-4.5m=4.4m>2.69m,满足要求。
 (7) 基坑底部的隆起验算
考虑地基土质均匀,依据地质勘察资料,其土体力学指标如下: 
r=18.8 KN/m3,c=21.1Kpa,q=20 KN/m2
由抗隆起安全系数K=2πC/(q+rh)≥1.2
则:
h ≤(2πC -1.2q)/1.2r
≤(2*3.14*21.1-1.2*20)/1.2*18.8
 ≤ 4.8m
即钢板桩周围土体不超过4.8m时,地基土稳定,不会发生隆起。实际施工中,尽量减小坑沿活载,同时适当降低板桩侧土体高度(坑外堆土最大允许高度3m),以避免基坑底部的隆起。
(8)基坑底管涌验算(按水中墩验算)
根据不发生管涌条件:
K=(h'+2t)r'/ h'rw≥1.5
r'=rs-rw=18.8-10.0=8.8 KN/m3, t=4.5m   h'=4.0m    rw=10.0 KN/m3
则K=(4+2×4.5) ×8.8/4×10
=2.86>1.5
即当钢板桩入土深度4.5m时, 满足条件,不会发生管涌。
(9)坑底渗水量计算:
Q=K×A×ι= K×A× h'/( h'+2t)
根据设计地质资料,土的综合渗透系数取0.08m/d
则Q=(0.08×9.4×10×4)/(4+2×4.5)
=2.31m3
根据其渗水量的大小,为到达较好的降水效果利于承台施工,在承台外侧与钢板桩之间可设置2个降水井。 
(10)围囹和支撑杆布置方式
钢板桩打入土体后,进行围堰内基坑开挖。当开挖至距钢板桩顶端2.63m处,进行围囹和支撑施工。围囹采用2I40a工字钢,支撑杆采用三道等间距横桥向直撑,支撑杆采用φ300mm×10mm的钢管。工字钢之间采用□500 mm×500mm×10mm钢板每隔1米进行两面满焊连接,工字钢间隙按照0.08米设置。各道支撑与围囹之间进行满焊连接,并保证焊接质量。若支撑杆未贴靠在与围囹上,需作加垫钢板处理,使围囹的力传到支撑上,以起到支撑的作用。支撑与围囹的材料、制作、焊接必须严格按要求施工。立模板时需要将模板割开以便穿过支撑杆,随后将支撑杆一起浇筑在混凝土中。
五、钢板桩施工工艺 
1、钢板桩施工的一般要求 
    钢板桩的设置位置要符合设计要求,便于施工,即在基础最突出的边缘外留有支模、拆模的余地。 
    基坑护壁钢板桩的平面布置形状应尽量平直整齐,避免不规则的转角,以便标准钢板桩的利用和支撑设置。各周边尺寸尽量符合板桩模数。 
    整个基础施工期间,在挖土、吊运、扎钢筋、浇筑混凝土等施工作业中,严禁碰撞支撑,禁止任意拆除支撑,禁止在支撑上任意切割、电焊,也不应在支撑上搁置重物。 
2、钢板桩施工的顺序 
    施工流程: 根据施工图及高程,放设沉桩定位线→实施表层回填矿渣土剥离→根据定位线控设沉桩导向槽→整修加固施工机械行走道路及施工平台→沉设钢板桩→将钢板桩送至指定标高→焊接围囹支撑→挖土→施工承台、墩身及顶帽→填土→拔除钢板桩。 
    3、钢板桩的检验、吊装、堆放 
    钢板桩的检验 
    钢板桩运到工地后,需进行整理。清除锁口内杂物(如电焊瘤渣、废填充物等),对缺陷部位加以整修。 
    锁口检查的方法:用一块长约2m的同类型、同规格的钢板桩作标准,将所有同型号的钢板桩做锁口通过检查。检查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。对于检查出的锁口扭曲及“死弯”进行校正。 
    为确保每片钢板桩的两侧锁口平行。同时,尽可能使钢板桩的宽度都在同一宽度规格内。需要进行宽度检查,方法是:对于每片钢板桩分为上中下三部分用钢尺测量其宽度,使每片桩的宽度在同一尺寸内,每片相邻数差值以小于1 为宜。对于肉眼看到的局部变形可进行加密测量。对于超出偏差的钢板桩应尽量不用。 
    钢板桩的其它检查,对于桩身残缺、残迹、不整洁、锈皮、卷曲等都要做全面检查,并采取相应措施,以确保正常使用。 
    锁口润滑及防渗措施,对于检查合格的钢板桩,为保证钢板桩在施工过程中能顺利插拔,并增加钢板桩在使用时防渗性能。每片钢板桩锁口都须均匀涂以混合油,其体积配合比为黄油:干膨润土:干锯沫=5:5:3。 
    钢板桩吊运 
    装卸钢板桩宜采用两点吊。吊运时,每次起吊的钢板桩根数不宜过多,并应注意保护锁口免受损伤。吊运方式有成捆起吊和单根起吊。成捆起吊通常采用钢索捆扎,而单根吊运常用专用的吊具。 
    钢板桩堆放 
    钢板桩堆放的地点,要选择在不会因压重而发生较大沉陷变形的平坦而坚固的场地上,并便于运往打桩施工现场。
堆放时应注意: 
     a. 堆放的顺序、位置、方向和平面布置等应考虑到以后的施工方便; 
     b. 钢板桩要按型号、规格、长度分别堆放,并在堆放处设置标牌说明; 
     c. 钢板桩应分层堆放,每层堆放数量一般不超过5根,各层间要垫枕木,垫木间距一般为3-4m,且上、下层垫木应在同一垂直线上,堆放的总高度不宜超过2m。 
4、定位
在钢板桩施工中,为保证沉桩轴线位置的正确和桩的竖直,控制桩的打入精度,防止板桩的屈曲变形和提高桩的贯入能力,一般都需要设置一定刚度的、坚固的导向架,亦称“施工围檩”。导向架采用单层双面形式,通常由导梁和围檩桩等组成,围檩桩的间距一般为2.5~3.5m,双面围檩之间的间距不宜过大,一般略比板桩墙厚度大8~15mm。 
    安装导向架时应注意以下几点: 
    a.采用经纬仪和水平仪控制和调整导梁的位置。 
    b.导梁的高度要适宜,要有利于控制钢板桩的施工高度和提高施工工效。 
    c.导梁不能随着钢板桩的打设而产生下沉和变形。 
d.导梁的位置应尽量垂直,并不能与钢板桩碰撞。
 5、钢板桩施工
(1)制作角桩和支撑组件,首先在岸上按设计要求加工、焊接角桩和支撑组件。 
(2)钢板桩的插打采用内导向框架法,即内支撑作内导向柜架逐片插打钢板桩直到合拢。施打钢板桩时,以内支撑作导向框,顺着导向框用45KW振动锤施打钢板桩(钢板桩在岸上予以整形符合要求)。
(3)开挖及支护
 a.首先用水泵排净围堰内的水,然后用挖掘机对基坑进行开挖,挖掘机施工够不到部位可以考虑用挖掘机进行基坑的开挖。施工到钢板桩顶以下2.63m位置处,进行围囹和支撑施工,然后继续开挖。围堰开挖时应分层分区连续施工,并对称开挖。 
    b.围囹及支撑制做安装:根据设计位置在钢板桩内壁上焊围囹托架,然后吊装工字钢围囹并焊接加固。钢管支撑与围囹之间的连接要进行满焊,并保证焊接质量。
c.开挖基坑内设置排水措施,基坑开挖时要做好排水,以便于开挖。机械支撑部位要铺垫钢板以扩散压力,保证施工平台受力均匀。 
    d. 基坑周边(约一倍桩长)范围内严禁堆载。 
    e. 开挖过程中注意支护体系的变形观察。 
    f. 基坑内作业时,要有专职安全员负责。 
    在基坑开挖过程中需要注意的问题: 
    首先是钢板桩未贴靠在围囹上的部分,需作加垫处理,使钢板桩的压力传到围囹及支撑上,支撑的材料、制作、焊接必须严格按要求施工。 
    其次是开挖和支撑的架设施工过程必须紧密配合,开挖过程要保证安全的前提下,迅速为支撑施工创造工作面,支撑结构必须能较快地产生整体刚度或预紧力,两者配合就能较好地利用软土施工中的时空效应,有效地控制围护体系在受力后的变形。施工中切不可超挖,及时做到施加支撑。开挖施工要求分层均匀高效,以使支护结构处于正常的受力状态。
开挖至设计标高,进行封底混凝土施工,封底混凝土采用C20混凝土。封底混凝土要在围堰范围内满铺以兼作围堰的支撑,为钢板桩的支撑提供安全保障;为便于拨除钢板桩和钢管支撑,可以在封底混凝土与钢板桩、钢管支撑之间铺设一层油毛毡,以减少混凝土与钢板桩间、钢管支撑的摩阻力。
(5)凿除桩头至设计位置,进行根据要求进行桩基检测,检测合格后方可进行下道工序。
(6)拔桩。
 承台及墩身施工完毕后进行钢板桩的拔除。
钢板桩拔桩前,先将围堰内的支撑拆除。先略锤击振动各拔高12m,然后挨次将所有钢板桩均拔高12m,使其松动后,再从两侧依次拔除,对桩尖打卷及锁口变形的桩,可加大拔桩设备的能力。
     拔桩时应注意事项: 
    a.振打与振拔:拔桩时,可先用振动锤将板桩锁口振活以减小土的粘附,然后边振边拔。对较难拔除的板桩可先用振动锤将桩振下100-300mm,再与振动锤交替振打、振拔。 
   b.对引拔阻力较大的钢板桩,采用间歇振动的方法,每次振动15min,振动锤连续不超过1.5h。 
六、安全措施
1、为提高深基坑围护的安全可靠性,对钢板桩的入土深度已经进行了理论数据的计算,也对钢板桩的围护强度及稳定性进行验证,确保了深基坑施工的可靠性。
2、沉设钢板桩的施工中,严格按照沉桩规范施工,基坑四角必需采用角桩,最大程度的提高小齿口钢板桩的防漏性能,保证下道工序顺利进行。 
3、围囹与支撑之间的连接要进行满焊,保证焊接质量。
4、吊装过程中要严格遵守操作规范,严禁违章作业。
5、施工过程中,钢板桩渗漏处要及时进行止漏处理保证施工时的安全。 
6、严格按照基坑施工规范实施每道工艺的施工,开挖坑土堆放至10m~15m(1倍桩长)以外,坑土堆放要平整最大程度的减小堆土对钢板桩的侧压力,增强围护的安全系数,即时对坑内积水进行抽排。在对基层实施挖土时,挖土机械严格按照规范操作,最大程度的减小挖土机械单位受力面积,杜绝冲击荷载,对钢板桩的破坏,确保基坑安全。 
7、作好基坑围护工作,设置护栏及醒目标志,设置防坠落警示牌。
8、雷雨、风力六级以上(含六级)天气不得进行作业。
9、建立严格的工序交接程序,制定科学、严谨、可行的施工计划,最大程度的调动施工群体的主观能动性,拟定合理的奖罚条律,坚持以人为本,安全第一的原则,加强协作意识,高度重视施工质量,如期完成施工任务。
 
 
 
 
 
 
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