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京珠高速铁路珠海特大桥桥墩承台拉森钢板桩支护围堰施工

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文章附图

京珠高速铁路珠海特大桥桥墩承台拉森钢板桩支护围堰施工


内容摘要:通过对京珠高速铁路珠海特大桥D5主墩承台基坑开挖支护方案进行设计及检算,制定了针对本基坑采用拉森桩支护的方案,通过检算,得出了可靠的数据指导施工。可为类似工程提供经验数据,用以指导施工。

  关 键 词:承台拉森桩支护   钢板桩支护  钢板桩围堰  钢板桩施工

  1.工程概述

  京珠高速铁路珠海特大桥D5主墩,位于新津扬路边,承台基底深10m,边缘距既有新津扬路仅12.0m。新津扬路是天津主要交通干路之一,交通繁忙,日通行车辆上万辆,D5墩承台基坑开挖施工对既有道路行车存在较大的干扰,基坑开挖支护方案直接影响着施工及对既有道路的行车安全。在施工中我们通过精心设计及检算,制定了合理可行的基坑支护方案。

  2.钢板桩围堰结构设计

  京珠高速铁路珠海特大桥D5主墩分为三级承台。第一级承台高3米,第二级高3米,第三级高1米,墩位处的地质以次为:素填土,粘土。现以D5墩为例,对基坑支护方案进行检算。

  基坑支护采用采用拉森Ⅳ型钢板桩,平面尺寸为28.8m×16.8m,长为18米的钢板桩,板桩入土深度约8.0m。钢板桩围堰设三道内支撑,计算时均采用第一道内支撑结构形式。具体结构形式见图1。

  

  图1 D5墩承台基坑防护拉森钢板桩围堰布置示意图

  3.基本数据

  3.1检算依据

  3.1.1《建筑施工计算手册》

  3.1.2《桥涵》

  3.1.3《桥涵设计通用规范》

  3.1.4《桥涵钢结构及木结构设计规范》

  3.1.5《土质学与土力学》

  3.1.6《基础工程》

  3.2材料性质

  

  

  3.4荷载计算

  3.4.1土层容重、内摩擦角平均值计算

  3.4.1.1平均容重:

  

  3.4.1.2平均内摩擦角:

  

  4.钢板桩入土深度检算:

  钢板桩入土深度的检算采用等值梁法,即将土压力为零的深度处近似视为钢板桩地下部分的反弯点,该点以上部分钢板桩内力与以该点作为固定支撑,各支撑点简化多跨连续梁的内力是等值的。

  4.1土压力零点位置y值计算:设距基底y处钢板桩前的被动土压力等于钢板桩后的主动土压力,即:

  4.1.1主动土压力系数

  

  4.1.2被动土压力系数

  

  4.1.3被动土压力修正系数取1.7,主动土压力不作修正。

  4.1.4零点位置y为:(基坑开挖深9m)

  

  

  4.2钢板桩入土深度的确定,采用等值梁法进行计算,即t0=x+y,其中x为被动土压力与主动土压力之和对桩底端力矩相等求得。

     

  R4=194.4kN

  第一道钢板桩围堰内支撑横梁受力为:R1=4.5kN/m

  第二道钢板桩围堰内支撑横梁受力为:R2=51.8 kN/m

  第三道钢板桩围堰内支撑横梁受力为:R3=163.9kN/m

  钢板桩最大弯矩为:54.6kN.m

  

  

  t0=x+y=1.05+3.6=4.65m,则t=1.2×t0=5.58m

  在实际施工中,钢板桩入土深度为8.1m>5.58m米,入土深度满足要求。

  5.钢板桩围堰基坑开挖,安装支撑时各工况受力计算

  5.1当钢板桩围堰基坑开挖至第二道内支撑下0.5米时(满足第二道内支撑安装),此时第一道内支撑受力处于最不利状态。受力结构图如下。

  计算反弯点:

  得:

  

  第一道内支撑横梁受力为:R1=15.3kN/m

  钢板桩最大弯矩为:19.6kN.m

  5.2当围堰基坑开挖至第三道内支撑下0.5米时(满足第三道内支撑安装),此时第二道内支撑受力处于最不利状态。受力结构图如下。

  计算反弯点:

  得:

  

  

  第一道钢板桩围堰内支撑横梁受力为:R1=-12.5kN/m

  第二道钢板桩围堰内支撑横梁受力为:R2=117.5 kN/m

  钢板桩最大弯矩为:52.8kN.m

  5.3当钢板桩围堰基坑开挖至基坑底满足铺设垫层时,为钢板桩围堰第三道内支撑受力最不利状态,其计算模型为钢板桩入土深度计算。

  5.4钢板桩受弯及各支撑受力最大时的状态

  5.4.1钢板桩最大弯矩为:54.6kN.m(基坑开挖至垫层底)。

  5.4.2第一道钢板桩围堰内支撑反力最大为:15.3kN/m(基坑开挖至第二道内支撑下0.5米,满足第二道内支撑安装时)。

  5.4.3第二道钢板桩围堰内支撑反力最大为:117.5 kN/m(基坑开挖至第三道内支撑下0.5米,满足第三道内支撑安装时)。

  5.4.4第三道钢板桩围堰内支撑反力最大为:163.9kN/m(基坑开挖至垫层底)。

  6.钢板桩强度受力检算

  根据受力图得钢板桩在当基坑开挖完成后,最大弯矩为:Mmax=54.6kN.m

  由

  

  可知,满足受力要求。

  7.钢板桩围堰各道内支撑受力检算

  钢板桩围堰内支撑为超静定结构,这时为简化计算,将各杆件进行简化,即边梁为连续梁,内部支撑杆件为抗拉压杆件,具体计算如下:

  7.1第一道钢板桩围堰内支撑受力检算:

  第一道钢板桩围堰内支撑反力最大为:15.3kN/m,按长短边梁分别计算受力图如下:

  7.1.1钢板桩围堰长边梁计算:

  

  钢板桩围堰直撑杆最大受力为:63.9kN。

  钢板桩围堰斜撑杆最大受力为:61.2kN86.5kN。

  长边梁所受到的最大弯矩为:26.2kN.m,最大剪力为39.6kN,拟采用双肢I32a工字钢卧放。

  则:,抗弯满足要求。

  ,抗剪满足要求。

  7.1.2建立短边梁受力图如下:

  

  

  斜撑杆最大受力为:60.9kN86.13kN。

  短边梁所受到的最大弯矩为:20.2KN.m,最大剪力为30.6KN,拟采用双肢I32a工字钢卧放,由长边梁受力计算可得,受力满足要求。

  7.1.3斜撑受力检算:因各斜撑材料一样,且受力形式一样,这里选取轴力最大的支撑进行检算。由长边梁与短边梁受力图可得,最大轴力为:,拟采用单片I32a工字钢卧放。

  

  7.1.4根据以上计算可知,第一道内支撑边梁采用双肢I32a工字钢,斜撑、中坚杆采用单片I32a卧放,是满足受力要求的。

  7.2第二道钢板桩围堰内支撑受力检算:

  当基坑开挖至第二道内支撑下0.5米,满足第二道内支撑安装时,边梁受边最大为:117.5 kN/m,分别建立长短边梁计算如下:

  7.2.1长边梁计算

  

  

  直撑杆最大受力为:532.9kN。

  长边梁所受到的最大弯矩为:198.6kN.m,最大剪力为284.6kN,拟采用双肢I40b工字钢卧放。

  则:,抗弯满足要求。

  ,抗剪满足要求。

  7.2.2短边梁计算:

  

  直撑杆最大受力为:537.1kN。

  短边梁所受到的最大弯矩为:201.4kN.m,最大剪力为285.4kN,拟采用双肢I40b工字钢卧放。

  则:,抗弯满足要求。

  ,抗剪满足要求。

  7.2.3直撑受力检算:因各直撑材料一样,且受力形式一样,这里选取轴力最大的支撑进行检算。由长边梁与短边梁受力图可得,最大轴力为:537.1kN,拟采用钢管桩φ426×8mm。则轴向抗压计算如下:

  

  7.2.4根据以上计算可知,第二道内支撑边梁采用双肢I40b工字钢,直撑杆均采用钢管桩φ426×8mm,是满足受力要求的。

  7.3第三道钢板桩围堰内支撑受力检算:

  当基坑开挖至垫层底,边梁受边最大为:163.9kN/m,分别建立长短边梁计算如下:

  7.3.1长边梁计算:

  

  直撑杆最大受力为:660.2kN。

  长边梁所受到的最大弯矩为:277.0kN.m,最大剪力为397.1kN,拟采用三片I40b工字钢卧放。

  则:,抗弯满足要求。

  ,抗剪满足要求。

  7.3.2短边梁计算

  

  

  钢板桩围堰直撑杆最大受力为:749.3kN。

  短边梁所受到的最大弯矩为:281.0kN.m,最大剪力为398.0kN,拟采用三片I40b工字钢卧放。

  则:,抗弯满足要求。

  ,抗剪满足要求。

  7.3.3直撑受力检算:因各直撑材料一样,且受力形式一样,这里选取轴力最大的支撑进行检算。由长边梁与短边梁受力图可得,最大轴力为:749.3kN,拟采用钢管桩φ426×8mm。则轴向抗压计算如下:

  

  7.3.4根据以上计算可知,第三道内支撑边梁采用三片I40b工字钢,直撑杆均采用钢管桩φ426×8mm,是满足受力要求的。

  8.结论

  由计算可知,建议采用18米长钢板桩和相应的内支撑结构,受力是满足要求的。如果将地面标高适当降低后,根据基坑开挖深度和地质情况,可以采用15米长钢板桩。第一道内支撑设计成此结构形式,主要是不影响墩身施工。如果基坑是渗水层,还需进行抗管涌检算;如基坑底为非渗水层,但该地层承压水较丰富,还需进行基坑抗隆起检算。计算过程中,土的各项指标均取常用值,需与该地层的实际勘察资料比较。


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