不同水位下钢板桩围堰工作性状有限元分析

目前,双排钢板桩型式的围堰结构由于其整体性强,施工手段方便成熟,监测手段也较多,因此,在国内外港口工程中被广泛地采用。迄今为止,国内外围绕双排钢板桩围堰体系研究许多,取得了许多研究成果和经验[1-6]。我国《干船坞规范》推荐了两种方法,其一是把内、外钢板桩简化成嵌固于基础表面的悬臂梁,然后基于土压力理论和顶端拉杆变形协调条件,计算拉杆力、最大弯矩和应力;其二是视内、外排钢板桩为各自独立的,按照单排钢板桩计算。前者假定与实际情况存在较大差异,不能计算板桩变形,后者则没有考虑双排板桩的相互影响和相互制约。两种方法均不能很好地解决实际问题,两者所基于的假定和简化都使得计算结果与实际有较大差异[7-9]。在国外,使用双排钢板桩较多的是日本。设计双排板桩简化方法通常是采用简支梁法计算钢板桩的最大受力弯矩和应力,将其端点设在拉杆点和钢板桩嵌固点。该方法计算简单,但不能分析钢板桩变形与应力分布。为此,本文基于弹塑性有限单元法和非连续接触算法,针对不同水位下双排钢板桩围堰体系的受力变形特性进行了较为深入和全面的分析和探讨。

1 数值计算模型

图1 数值计算模型

Fig. 1 Computational model for numerical analysis

表1 有限元计算参数

Tab. 1 Parameters used in FEM analysis

类型

初始模量Ei

/ MPa

有效黏聚力c′

/kPa

有效摩擦角φ′

/(°)

回填石渣60 - 32

中粗砂38 - 32

基岩2 × 104 15 26

算例中采用简化后的二维弹塑性平面应变数值计算模型,如图1 所示。钢板桩弹性模量与泊松比分别为Es = 2 × 105 MPa,νs = 0. 2;水面上、下土石容重分别为18 kN/m3、11 kN/m3;拉杆采用SPRING弹簧单元,刚度系数k = 8. 83 × 105 kN/m。钢板桩与土石物在刚度与强度上存在的较大差异,在外力作用下,其间界面有可能会产生相对滑动或脱离。为此,在有限元数值分析中,在钢板桩和土石物之间设置接触面单元,并采用Coulomb 摩擦接触模型[10,11 ]描述界面的接触特性,假定接触面间的相互切向运动初始为0,当界面上切向力达到临界摩擦力时开始发生相对切向运动。临界摩擦力由Coulomb 摩擦定律确定,τcr = μp,式中μ 为界面的摩擦系数,p 为法向接触应力。计算中假定钢板桩与砂石之间的摩擦系数μ = 0. 2。数值计算模型中钢板桩采用平面应变4 结点CPE4R 减缩积分单元,围堰土石体系及基岩采用平面应变4 结点CPE4R 减缩积分单元和3 结点CPE3 单元,模型单元总数6 889个,结点总数为5 384 个。设计极端高水位5. 0m,极端低水位- 0.85 m,围堰有限元计算其他主要计算参数如表1 所列。

数值计算模型

数值计算模型

数值计算模型

数值计算模型

图1 数值计算模型

表1 有限元计算参数

 

Tab. 1 Parameters used in FEM analysis

类型

初始模量Ei

/ MPa

有效黏聚力c′

/kPa

有效摩擦角φ′

/(°)

回填石渣60 - 32

中粗砂38 - 32

基岩2 × 104 15 26

2 计算结果与分析

图2 为不同水位条件下围堰土石体系位移矢量分布情况。其中,在极端高水位下,围堰土石体系水平位移在拉杆内侧端部附近存在显著的负向极大值区域,幅值水平为- 4. 32 cm;在极端低水位下,围堰体系水平位移在内侧拉杆附近同样存在显著的负向极大值区域,幅值水平为- 2. 34 cm。略为不同的是,极端低水位时拉杆外侧端部附近存在一个正向极值区域,幅值水平为1. 6 cm。这是因为水位的变化引起外侧钢板桩所承受静水压力分布和幅值的变化。相应地,外侧钢板桩所承受的土压力类型以及自身变形亦发生变化。在高水位时外侧钢板桩承受被动土压力,而在低水位时由于静水压力的降低,外侧钢板桩承受主动土压力。这种差异通过拉杆、钢板桩以及土石体系的协调受力变形变化具体体现。

在不同水位条件下围堰体系广义塑性应变分布情况如图3 所示。不难看出,在极端高、低水位情况下,围堰土石体系均在拉杆内侧端部附近区域存在明显的塑性区。与极端高水位情况不同的是,在极端低水位下拉杆外侧端部附近区域也存在明显塑性区。这是由于水位较低时,外侧钢板桩承受主动土压力作用,如图3(b)所示,此时外侧钢板正向位移显著。因此,在拉杆外侧端部位置存在应力集中现象,高应力水平下围堰土石也就相应地发生较为显著的塑性变形。

在不同水位条件下围堰体系广义剪应力分布情况如图4 所示。由图可见,在极端高、低水位情况下,围堰土石体系广义剪应力分布呈现不同的分布变化特征,并且广义剪应力极值区域分布特征与图3(a)(b)相一致。与极端高水位情况不同的是,在极端低水位条件下拉杆外侧端部附近区域广义剪应力极值区范围更广些。这也是由于水位较低时,在拉杆外侧端部位置存在应力集中现象。我们知道,高应力水平下围堰土石物相应地可发生较为显著的塑性变形。这也是在相同水位条件下围堰土石体系广义剪应力极值区域分布位置与塑性区分布位置相一致的原因。

(a) 极端高水位条件下位移矢量图

(b) 极端低水位条件下位移矢量图

Fig. 2 Distribution of displacement vectors of cofferdam system under different water heights

 

(a) 极端高水位下塑性区分布

(b) 极端低水位下塑性区分布

Fig. 3 Distribution of generalized plastic strains of cofferdam system under different water heights

(a) 极端高水位下广义剪应力分布

(b) 极端低水位下广义剪应力分布

Fig. 4 Distribution of deviatoric stresses of cofferdam system under different water heights

Fig. 4 Distribution of deviatoric stresses of cofferdam system under different water heights

图5 为不同水位条件下双排钢板桩水平位移分布情况。其中,内、外侧钢板桩在不同水位条件下的水平位移分布呈现不同规律。对于内侧钢板桩,在极端高水位条件下其负向水平位移比在极端低水位的要大,对应最大幅值大小分别为- 4. 5 cm 和- 2. 5 cm。在不同水位条件下,内侧钢板桩所承受的板桩间土石物压力均为主动土压力,只是水位越高则压力越大,水平位移也就越大。而对外侧钢板桩而言,在极端高水位条件下呈现正向水平位移,在极端低水位条件下呈现负向水平位移,对应最大幅值大小分别为1. 6 cm 和- 2. 4 cm。这也与前述的围堰土石物水平位移等值分布情况一致。原因在于在不同水位条件下,外侧钢板桩所承受的板桩间土石物压力存在被动土压力和主动土压力之间的变化,水位越低,侧钢板桩所承受的板桩间土石物主动压力越大,正向水平位移也就越大。

图6 为不同水位下双排钢板桩广义剪应力水平分布对比情况。由图6(a)可见,内侧钢板桩在极端高、低水位下,其广义剪应力水平沿标高变化趋势相似,并且高水位情况对应的幅值略小于低水位情况下相同高度对应的幅值,整体最大幅值为8. 2 × 102kPa,远小于其常温屈服应力235 MPa。进一步地,广义剪应力水平分别在拉杆位置、外围回填石渣顶面和基岩顶面存在变化突点。这是由于对应位置存在外载分布和材料属性突变造成的局部应力集中现象。由图6(b)可见,外侧钢板桩在极端高、低水位下,其广义剪应力水平沿标高变化趋势相似,最大幅值为1. 5 × 102 kPa,亦满足自身强度要求。不同地,外侧钢板桩由于高、低水位的变化,其所承受的土压力类型有所不同。外侧钢板桩广义剪应力水平沿标高的分布特征与内侧钢板桩亦有所差异。在下部局部标高范围内,高水位情况对应的幅值明显大于低水位情况下相同高度对应的幅值。这也就是说,水位的变化主要引起下部围堰内土石体系土压力的明显变化。基于此种原因,外侧钢板桩广义剪应力在外围回填石渣顶面处无明显变化突变点。

图7 为不同水位条件下双排钢板桩—拉杆体系位移矢量分布对比情况。由图7 可见,钢板桩的位移矢量分布特征与图2 所示相同水位条件下的位移矢量图分布相一致。特别地,结合极端高水位时外侧钢板桩桩体发生的局部正向水平位移现象与外侧桩间土石物存在的正向水平位移分布区域,从变形角度说明了水位变化引起的桩间土石物土压力类型变化及对双排钢板桩间围堰土石物内力变形特性的影响。图8 为不同水位下的围堰拉杆截面正应力变化情况。由图8 可见,随着围堰外水位标高增加,拉杆截面正应力逐渐减小,幅值变化范围为148 ~ 115 kPa。此外,不难看出,随着围堰外水位标高的增加,拉杆截面正应力减小的变化率逐渐衰减。如前所述,围堰外水位越低,围堰外侧钢板桩承受的主动土压力越大,外侧钢板桩的正向侧向变形亦越明显,拉杆和钢板桩强度特性发挥得越充分。这样,拉杆截面正应力随水位变化率呈现逐渐衰减变化特征。

 (a)内侧钢板桩水平位移

 

 

 

(b) 外侧钢板桩水平位移

Fig. 5 Distribution of horizontal displacements of double-row steel sheet piles under different water heights

(a)内侧钢板桩广义剪应力

(b) 外侧钢板桩广义剪应力

 Fig. 6 Distribution of Mises stresses of steel sheet piles under different water heights

(a) 极端高水位条件下

(b) 极端低水位条件下

Fig. 7 Distribution of displacement vectors of

double-row steel sheet piles and tensional

rod at different water heights

 

 

Fig. 8Normalstresses in cross section of

tensional rod of cofferdam system

at different water heights

 

3 结语

通过有限元数值分析,针对不同水位下钢板桩围堰在加载过程中呈现的受力变形特征进行了分析

与讨论,得到如下结论:

(1) 水位的变化引起外侧钢板桩所承受静水压力分布和幅值的变化。相应地,外侧钢板桩所承受的土压力类型以及自身变形特性亦发生变化。在高水位时外侧钢板桩承受被动土压力,而在低水位时由于静水压力的降低,外侧钢板桩承受主动土压力。在极端高、低水位情况下,围堰土石体系均在拉杆内侧端部附近区域存在明显的塑性区。与极端高水位情况不同的是,在极端低水位下拉杆外侧端部附近区域也存在明显塑性区。

(2) 水位变化对于外侧钢板桩受力变形特性的影响较内侧钢板桩的更为明显。内侧钢板桩广义剪应力水平分别在拉杆位置、外围回填石渣顶面标高和基岩顶面标高处存在变化突点。这是由于对应位置存在外载分布和材料属性突变造成的局部应力集中现象。而外侧钢板桩广义剪应力水平在外围回填石渣顶面处无明显变化突变点,这归因于外侧钢板桩由于高、低水位的变化,其所承受的土压力类型有所不同。

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理正软件的使用方法

17.1数据录入
以工程为主线,按照新建工程的一般流程介绍数据录入的操作及注意事项,需要注意的是操作流程并非固定不变,可以根据需要按自己习惯的方式适当变更录入数据的顺序,具体操作将结合各种具体表格进行详细介绍。
17.1.1流程图
17.1.2流程说明
数据录入流程以一个特定工程为例进行说明:
1.新建一个工程,工程信息表不是必须录入的表格,分段表仅在公路和铁路标准下为必填。
2.勘探点表录入完毕才可以录入各勘探孔的数据表,这些数据表可分为四类:基本数据、原位测试、室内试验和载荷试验。
3.在剖面表中录入当前工程中所有的剖线数据。
4.数据录入完成后需对已录入数据进行合法性检查,即数检,该功能同时还可完成一些计算。数据录入主要在项目窗口中完成。
17.2操作步骤
17.2.1新建工程
在“工程管理”下选择“新建工程”,弹出对话框如图所示,输入相关参数后点击“确定”键即可。

注意:
1. 工程编号、工程名称必须输入(工程名称输入完整全称,以便后面出柱状图);
2. 铁路和公路标准要求输入起始里程、终止里程和里程冠号;
3. 生成无底图的平面图时,“水平是否为Y轴”项前选择“√”时,在CAD屏幕上显示的X和Y坐标值与录入值相反;对于应用已有底图出图的,则该选择不起作用。
17.2.2钻孔数据
17.2.2.1勘探点表
浏览当前工程中所有勘探点数据;添加、修改和删除勘探点数据。
双击项目窗口下的“勘探点表”或执行右键菜单的“打开”,弹出对话框如图所示,输入相关参数即可。
在打开的勘探点表中可直接进行数据的录入、修改和删除操作。
注意:
1.    勘探点表只用输入如图所示数项,勘探点类型一定输入正确类型,以便出平面图所需;
2.    可使用EXCEL,输入如图对应数据,复制后在如图表格中使用Ctrl+B的命令(或者点鼠标右键选择“粘贴追加”命令。
17.2.2.2基本数据


野外勘探的描述记录。
在打开的勘探点表下,选中一个勘探点,点击下方的“基本数据”,弹出对话框如图所示。该数据表包括“土层”、“分层记录”、“钻孔孔径”、“可塑性”、“水位”、“钻孔孔径”、“风化线”、“岩芯采取率RQD”、“湿度”和“自定义表一”等数据表。
注意:
1.“水位”数据表可录入地下水位值,同一钻孔可按实际情况录入多个地下水位值;
2.一般工程只需要输入地层、水位(“地层”数据表中根据需要输入相关数据,通常需要如图数项,若有岩层还需要“风化程度”、“岩石倾向”和“岩石倾角”;“水位”数据表中输入水位深度、测水日期即可);
4. 用鼠标点取该表格右上角的“切换到”的下拉框,如图3.3-9所示,可以切换到同一钻孔的其它几个录入界面(原位测试、室内试验、载荷试验)。
17.2.2.3原位测试

录入原位测试数据。
在打开的勘探点表下,选中一个勘探点,点击下方的“原位测试”,弹出对话框如图所示。该数据表包括“动探”、“标贯”、“静探”、“波速”、“透水率”、“裂缝密度”、“渗透系数”、“十字板剪切”和“旁压”等数据表。选择相应的试验数据表后填入相关试验数据即可。

注意:
1. 动探数据表中“修正后击数”和标贯数据表中“修正后的标贯击数”数据项,软件可自动计算添加,使用时只需输入修正前的击数,并输入杆长,点击工具条中“数检”选择“动探、标贯击数修正”即可完成该数据项的添加;
2.动探击数0表示动探段的开始。
17.2.2.4室内试验


录入取样的土工试验结果数据。
在打开的勘探点表下,选中一个勘探点,点击下方的“室内试验”,弹出对话框如图3.3-11所示。该数据表包括“常规试验”、“湿陷性(黄土)”、“水质分析”、“颗分试验”、“膨胀土”、“固结试验”、“直剪试验”和“三轴试验”等数据表。根据所做的室内试验选择相应的试验数据表后填入相关项目即可。

注意:
1.    通常所需如图所示数项,取样类型:0表示原状土样,1表示扰动土样,2表示岩样,3表示水样。
17.2.3剖面数据表
浏览当前工程中现存的所有剖线数据;添加、修改和删除剖线数据。
双击项目窗口下的“剖面表”或执行右键菜单的“打开”,弹出对话框如图所示,
输入相关参数后即新增了一个剖线,在打开的剖面表中可直接进行剖线的修改和删除操作
注意:
1. 剖线编号、勘探孔号必须输入;
2. 输入勘探孔号时,各勘探点之间用英文的“,”(逗号)隔开;
3. 剖线孔间距指当前剖线中,相邻两孔之间的间距,各间距用英文的“,”(逗号)隔开。在生成剖(断)面图时,如果输入了剖线孔间距,将按照该值生成剖(断)面图,否则将按照里程或钻孔的X、Y坐标来计算孔间距;
4. 录入剖线方位角时,可以输入多个方位角,中间用英文的“,”(逗号)隔开;如果不输入,在生成剖(断)面图时,程序将按照钻孔的X、Y坐标与指北针夹角自动计算剖面线的方位角。
17.2.4标准地层表

输入如图所示数据
注意:
1. 不需要单独输入“颜色、密实度、湿度、可塑性”之类数据,因为这些数据会出现在描述里,所以不需要重复单独输入,除非特别要求;
2. 此标准地层表与勘探点表、剖面表同在工程项目表中,并非配置项目表中的“系统标准地层表” ;
3. 数据输入后点击菜单栏上“辅助-刷新标准土层到工程土层”。
17.3数检

对当前工程录入的数据进行合法性检查;在数据检查的过程中完成一些计算性功能。数检不合法的数据分为两类:警告和错误。对于警告性的不合法可以不修改,对于错误性的不合法建议修改,否则在后续的图表生成中可能会出现不合理或错误的情况。不合法的数检数据在信息窗口中显示。
在“辅助”下选择“检查数据合法性”,弹出对话框如图所示,选择参与计算的项目和参与数检的项目表后点击“确定”键即可。

17.4 成果图
17.4.1平面图
平面图是处理整个工程各钻孔在平面图中所显示的位置。平面图的生成在AutoCAD中进行,可以直接从数据库中读取钻孔数据和剖线数据后生成,也可以直接在图形中布置平面图,然后将钻孔和剖线数据入库,直接存入当前工程的相应数据表中,所以对应有两个流程。
流程一
流程二

流程说明


流程一:生成平面图前首先准备好勘探点表和剖面表的数据,之后到AutoCAD界面下选择“生成平面图”命令即可生成平面图;如果想把平面图布置到一个已有的底图上则需先打开已有底图,然后执行“底图初始化”命令来设定初始化图形参数和坐标的转换等,最后生成平面图。
流程二:首先打开已经存在的底图,同样进行底图初始化,之后在底图上布置勘探点和剖线等,完成平面图的布置后执行“平面图数据入库”命令,钻孔和剖线的数据直接存入到数据表中(用于勘探前提取数据)
17.4.2流程一的操作步骤
生成平面图
1、将当前工程的勘探点数据、剖线数据和其它平面图特殊符号数据在AutoCAD中生成平面图。理正数检,切换到AutoCAD下,在“工程地质勘察CAD”浮动工具条中点击“平面”,下拉框中列出平面图相关所有命令,
2、    选择“底图初始化” 命令后弹出对话框,,交互相关参数后点击“确定”按钮,再选择“生成平面图(无网格)”即可
注意:
比例:不论图纸大小都按1:1000的生成(所谓图纸比例的问题只关乎比例因子。例如要求出1:500的图,比例因子选择0.5,若1:2000,则比例因子为2,类推)
比例因子:图块在图中的放大系数,比例因子的值越大图块显示越大。(1:1000的图纸选择比例因子为1)
实体是否具有遮盖效果:生成平面图中的所有实体是否具有遮盖效果。
剖线文字随剖线旋转:剖线编号文字始终保持与剖线垂直。
17.4.3流程二的操作步骤
1、在理正软件中,新建一空白工程,数检、底图初始化新增勘探点(钻孔)
2、在平面图中单个布置新的勘探点。 在“平面”下选择“新增勘探点(钻孔)”,弹出对话框如图

在左图对话框中给出勘探点的位置。系统提供三种选取勘探点位置的方法,这里我们只说明常用的一种方法:点“选取”按钮,用鼠标在屏幕上点取勘探点的坐标即可布置钻孔。坐标给定后,弹出对话框如右图所示。在右图对话框中给出勘探点信息,包括钻孔类型、勘探点(钻孔)的编号、勘探深度、孔口高程、水位高程、钻孔里程、偏移量、比例因子、旋转角度和是否旋转图例。注意孔号为必输项。
新增剖线

在平面图上点取已布置好的勘探点,连接为剖线。
1. 在“平面”下选择“新增剖线”;
2. 在AutoCAD命令行将提示“选择钻孔”,在图上选择当前剖线的钻孔(钻孔数大于2);
3. 在AutoCAD的命令行将提示“输入剖线编号”,输入剖线编号后剖线自动布置。

3、平面图数据入库
A). 在“平面”下选择“平面图数据入库”;
B). 在AutoCAD的命令行将提示“剖线入库(P)/钻孔入库(Z)/特殊符号入库(F)/全部入库(A)/<工程入库>(G) /设置(S)<A>”,在命令行提示后输入需要入库的数据选项即可。在提示行中:
“P”表示剖线入库,将当前平面图中剖线数据保存到当前工程中;
“Z”表示钻孔入库,将当前平面图中钻孔数据保存到当前工程中;
“F”表示特殊符号入库,将当前平面图中特殊符号数据保存到当前工程中;
“A”表示将当前平面图中新生成的所有数据或修改过的所有数据保存到当前工程中,包括剖线数据、钻孔数据和特殊符号数据;
“G”表示工程入库,将当前平面图中的所有数据保存到当前工程中(不管数据是否修改),如果要将平面图中的数据保存到一个新的工程中,可以用“工程入库”来实现;
“S”表示设置入库数据的小数点位数;在命令行提示后输入S后,会提示“设置入库坐标的小数位数(2):”可根据自己需要进行设置。
17.4.4剖面图
17.4.4.1流程图
生成剖面图前首先要准备好数据,几乎用到项目窗口下所有数据表的数据以及生成的平面图的数据。数据准备好之后生成剖面图的流程常用有两种,可以对剖线自动分层后生成剖面图;可以对剖线手动分层入库后生成剖面图。本次介绍常用流程即:自动分层-生成剖面图
17.4.4.2自动分层
根据土层数据表中的数据,对剖线进行自动分层。系统提供两种分层方法。
在“工程地质勘察CAD”浮动工具条中点击“剖面”,下拉框中列出剖面图相关所有命令,见下右图所示。
在“剖面”下选择“自动分层”,弹出对话框如下右图所示,选择剖线名称、设置好参数后点击“确定”即可。
再选择自动分层

17.4.4.3“剖(断)面”页
该对话框共有五页:剖(断)面、绘图设置(一)、绘图设置(二)、原位曲线、其它。分别介绍如下。

 

 

     

剖线名称

列出了当前工程中所有的剖线。带“*”号的剖线已具备分层信息。

孔口、孔底和层底标注

设置显示孔口、孔底和层底的标注,程序根据用户的需要提示了不同的选项。其中层底标注画在钻孔两侧的位置可在“绘图设置(一)”页中交互。

水位标注

设置在有地下水的地方是标注水位深度、水位高程还是自定义图块或者不标,初见水位或稳定水位都可标注。水位符号用图块表示,用户可根据需要修改该图块,选择“其它”页的图块设置可以修改相应的图块;另外当用户选择自定义图块时,可以在弹出的对话框中直接进行选择和编辑,并可以指定插入点位置。

水位符号画在钻孔两侧的位置可在“绘图设置(一)”中交互。稳定水位的日期等标注的颜色和字高可以在“文字”页中设置。

风化表示

设置在有风化的岩石标注样式,可选择“羊、W、r、自定义图块和不标”。自定义图块的修改方法同水位标注。

取样表示

设置在剖断面图中有取样的地方取样表示的方式。选“不标”时剖面图上将不显示取样,选“厚度”时,取样符号为取样真实长度,选“符号”时用图块表示。

取样标注

有四个选项:编号、深度、不标或自定义图块,“编号”表示在剖断面图中显示取样的编号;“深度”表示在剖断面图中显示取样的深度;“不标”在剖断面图上将不显示取样标注;自定义图块指按照用户选择的图块进行标注,用户可以对自定义图块进行选择和修改,同水位标注。

设置用三分法、四分法还是五分法表示。

层号样式

设置三种表示方法。其中“自定义”样式,用户可根据需要选择和编辑图块。

孔标注位置

为钻孔编号、标高或深度的标注位置,程序设置了“上部、下部和上下都标”三种选择。

距标注栏

设置了钻孔信息标注位置距下方标注栏的距离。

     

全部选中

快速选择所有剖线,可一次生成所有剖面或断面成果图。

出图方式

可选择生成剖面图、横断面图或纵断面图。铁路、公路标准下有以上三个选择,其它标准只生成剖面图。

生成图框

设置生成的剖面图是否生成图框。

设置图框

设置图框。

设置图框位置

设置图框的位置,选择“√”后,通过“设置”按钮弹出的对话框进行参数设置。

自定义比例尺

选择“√”时,用户自己定义剖(断)面图的水平和垂直比例尺。

生成方式

自动生成、指定插入点和指定参考点三个选项。其中:

自动生成指系统自动给出生成图的起始位置点,一个文件中只能放一个剖断面图;

指定插入点需要每次给定生成剖断面图的起始位置,一个文件中可以同时在不同的位置生成多个剖断面图;

指定参考点是在钻孔位置及高程相差较大时,通过给定剖断面图的参考点及该参考点的高程值,可以调整剖面图的位置,一个文件中可以在不同位置生成多个剖断面图。

分页出图

工民建、公路、铁路或水利标准下可以选择分页出成果图。

分页可生成原位曲线

当选择分页出图时,用户可以选择是否随图附上原位曲线。

出图颜色

有色图、彩色图和黑白图三个选项。其中:

有色图将根据“其它”页线型设定的颜色生成剖断面图;

彩色图可生成各种岩土在系统默认状态下的彩色图(有色图的填充),岩土的颜色在“岩性对照表”中设置,如果生成的彩色剖断面图中不需要底色,可在岩性对照表中将底色设置为0;

黑白图将生成单色的剖(断)面图。

填充方式

设置生成剖(断)面图时的填充方式,包括全部填充、钻孔左侧填充、钻孔右侧填充、钻孔两侧填充、钻孔中间填充、不填。如果选择非全部填充,需要交互“填充带宽”,带宽以毫米为单位。

岩层底面按产状绘制

填充方式为左侧、右侧或两侧填充时可选。选中则在绘制岩层交界面时按照实际相交的产状绘制;不选该项则岩层交界面为一平面。

填充比例

设置生成剖(断)面图中填充图例的疏密程度,默认值为1。实际生成剖(断)面图中的图例填充比例为此处的填充比例与岩性配置表中图例默认比例相乘。

填充带宽

当选择左侧、右侧等部分填充时,设置填充的宽度。

层线为曲线

设置层线是否用曲线的方式生成剖(断)面图。

插入点间距

如果以曲线生成,需要交互决定曲线光滑程度的数据即插入点间距,以毫米计算。间距越小,曲线越平滑。

层线从钻孔两侧连

可以选择空心钻孔在连接层线时,生成的层线从钻孔两边连,还是从钻孔中心连;选“√”时,表示层线从钻孔两侧连。

绘制小柱状图

选“√”时,表示在绘制有该孔参与的剖面图时,该钻孔不参与土层连线,但在该钻孔位置处用“引出线”绘制该钻孔的剖面土层信息。

定制标注栏

“所有选项”中列出了标注栏中所有可以标注的项目,可通过“添加”设置部分选项参与标注;各项目的先后顺序可以通过“上移”和“下移”自定义排列

2.“绘图设置(一)”页:

 

 

标注距钻孔距离

设置标注符号到钻孔的距离,距离以毫米为单位。其中距离为正表示在钻孔的右侧标注,距离为负表示在钻孔的左侧标注,用户可自己交互距离值。

出图设置

设置在剖断面图中显示和参与的项目。下方的“全部选中”前选择“√”时,将选中所有显示项目。

岩层产状表示

有三个选项,可以设置图上标注岩层倾角时用真倾角、绘图倾角还是视倾角,

土层编号编注

设置土层编号是每个钻孔都标,还是几个钻孔标一次。

标注栏表头

哪侧打“√”表示标注栏表头在哪侧生成,可以设置只在左侧生成表头、也可设置只在右侧生成,还可设置左右两侧都生成或都不生成;表头宽度也可设置,单位以毫米计。

两侧延伸

设置生成的剖面图最左边和最右边的地层线和地面线的延伸宽度值,可以根据需要自定义设置该宽度值。如果选择“自定义”延伸宽度后发现剖(断)面图两侧有的地方没有填充,请检查延伸的宽度是否太短。

 

可以设置在左侧、右侧或左右两侧生成或都不生成;标尺刻度可通过“自定义标尺刻度”选择,单位以米计。

高程系

此参数的作用是设定出图时标注的高程系名称。包括:1985国家高程基准高程基准、废黄河高程系、黄海高程系、假设高程系统、老黄海高程系、罗零高程系、青岛高程系、吴淞高程系和新黄海高程系。

钻孔宽度

设置剖断面图中显示的钻孔的宽度。

探井宽度

设置剖断面图中显示的探井宽度。

地面线来源

可以设置生成地面线采用的两种形式:用数据绘制和在图上选择

3.“绘图设置(二)”页

 

 

断链长度固定

不选择“√”时,按实际断链长度绘制,选择“√”时按交互的固定值绘制。

静力触探孔标志符号

设置生成剖面图时触探孔下部的标注形式,有“▽”和“◆”两种符号选择。

剖线编号样式

设置了两种表示方法。

承载力样式

设置生成的剖(断)面图中承载力标注的样式,有六种选择。

透镜体文字位置

设置当左右尖灭同时存在时,文字在哪侧输出。

输出基础轮廓线

设置是否在剖(断)面图中显示基础轮廓线。

保留遮盖效果

设置生成的剖(断)面是否有遮盖效果。

最下地层线连接

最底层层线连接包括用阶梯状连接和直接连接两种选择。

有色图填充图例颜色

生成有色剖面图例填充颜色有三种方式:黑白色、取岩性配置表中的背景色或前景色。

黑白色:填充黑白色图例;

岩性配置表中的背景色 ;按岩性配置表中的背景色设置填充图例颜色,图例背景色为透明色;

岩性配置表中背景色:按岩性配置表中的前景色设置填充图例颜色,图例背景色为透明色;

其后两种可以生成无背景的彩色图。

岩土名称样式

包括标岩土名称和标风化程度+岩土名称两种选择。

定名方式

包括程序默认和自定义两种选择。

图名

当选择自定义定名方式时,用户可自己交互图名值。

4.“原位曲线”页

 

 

 

设置在剖面图中是出动探曲线还是动探数据或是不输出,共有六个选项。“动探曲线(原始击数)”和“动探曲线(修正击数)”以直方图表示,画曲线时,曲线的标尺单位可以用户自定义,也可以自适应;也可以选择标注“动探数据(原始击数)”或“动探数据(修正击数)”或“动探数据(自定义图块)”;

“显示动探符号”设置在剖面图中是否显示动探符号,该符号以图块的形式存在,可以通过“其它”页的图块设置进行选择和编辑。

 

设置是否在剖面图中画静探曲线。如果画静探曲线,曲线的侧端阻比和端阻比的标尺单位可以自定义设置。用户可以选择是否按层输出静探的统计值。

 

同动探的六个选项,还包括“直方图(原始击数)”和“直方图(修正击数)”两个选项。当选择标注标贯数据时,用户可以手动选择数字的标注样式和是否标“贯入厚度”数据等参数。

CQL

有不输出、钻孔左侧输出或右侧输出三个选项,其大小可以通过标尺设置。

RQD

有不输出、钻孔左侧输出或右侧输出三个选项,其大小可以通过标尺设置。

 

有横波直方图、横波连线图、纵波直方图、纵波连线图和不输出五个选项,其大小可以通过标尺来设置。

透水率

可以在剖面图的钻孔左侧输出,右侧输出或者不输出。

渗透系数

可以在剖面图的钻孔左侧输出、右侧输出或者不输出。包括水平渗透系数kh、竖向渗透系数kv和渗透系数k。

渗透等值线

在剖面图中可以分别显示由透水率、渗透系数k、水平渗透系数kh、竖向渗透系数kv形成的渗透等值线,也可以选择不输出渗透等值线。

十字板

在剖面图中输出十字板曲线,曲线的标尺单位可以用户自定义,也可以自适应。用户可以选择是否绘制重塑土抗剪强度曲线。

5.“其它”页。

 

 

字体设置

可以设置在剖面图中标题、孔口标注等项的颜色、字高和字体样式,可以选择形文件或普通的字体;在对话框左下角有个“统一设置字体”的命令,如果勾选这个按钮,当修改某一项的字体类型时,其它项全都作同样的改变,注意只对字体类型起作用。

线型设置

设置在剖面图中亚层线、水位线等项目的线型、颜色和宽度。

小数点设置

设置动探击数、标贯击数、里程和透水率的小数点位数,以及取舍方法。

图块设置

包括标贯图块、动探图块、水位符号图块和取样符号图块;各单元格处于编辑状态时,右侧会自动浮现按钮。可以通过按钮选择或编辑对应的图块文件

可根据工程需要设置相关参数,这里给出建议字体设置相关参数

17.4.5柱状图
柱状图处理工程中各钻孔的综合信息,生成标准柱状图,以便设计人员进行设计。可生成六种柱状图:钻孔柱状图、动探柱状图、静探柱状图、地质柱状图、综合柱状图和输变电柱状图。这里只对地质柱状图做简要介绍。
根据勘探点数据、土层数据、原位数据、室内试验数据以及土工试验数据用不同的模板样式生成满足各种条件的地质柱状图
在“柱状”下选择“生成地质柱状图”,弹出对话框如图所示
选择所需表项、图框
图框模板在安装目录\Templet\柱状图模板目录下,可以定制,模板中红颜色的关键字允许移动位置,但不得删除,模板中白颜色的关键字允许移动位置和删除,程序不对删除后的关键字作替换。各关键字的说明见下面两表:

图框变量

数据来源

说 明

[GCBH]

工程数据表

工程编号

[GCDD]

工程地点

[GCJSDW]

建设单位

[GCKCDW]

勘察单位

[GCKCJD]

勘察阶段

[GCMC]

工程名称

[GCSGDW]

施工单位

[GCSJDW]

设计单位

[KKGC]

勘探点数据表

孔口标高(m)

[KKRQ]

勘探开始日期

[KWLC]

里程(m)

[ZKBH]

勘探点(钻孔)编号

[ZKLX]

勘探点类型

[ZKPIL]

偏移量(m)

[ZKRQ]

勘探终止日期

[ZKSD]

勘探深度(m)

[ZKTJSD]

探井深度(m)

[ZKX]

勘探点坐标(m)X

[ZKY]

勘探点坐标(m)Y

[ZKHSBG]

地(水)面标高(m)

[ZKZJ]

钻孔直径(m)

图框变量

颜 色

说  明

[SP]

红  色

图框开始点

[EP]

图框终止点

[SPBG]

岩土物理力学统计表开始点

[EPBG]

岩土物理力学统计表终止点

[SPPM]

钻孔平面图开始点

[SPTL]

图例开始点

[SPDM]

地貌和地质概况开始点

[SPPJ]

地质特征和评价开始点

[SPJY]

结论和建议开始点

[EPJY]

结论和建议终止点

[SJDW]

白  色

设计单位

[XTMC]

详图名称

[SJ]

设计人

[FH]

复核人

[SH]

审核人

[MT]

描图人

[JD]

校对人

[TH]

图号

[RQ]

日期

 

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柴油打桩机的使用

交底内容: 轨涎铺设,应符合原厂说明书规定。轨枕间隔不应大于0.5m两轨接头必须落在轨枕上,两端轨面应装设活动拉杆,轨距偏差不大于 10mm,轨道坡度不大于1%两轨高差不大于5mm(轨距4m时)。履带式三点打桩机,在地耐力达不到标定的压应力时,应在履带下铺设28~30mm厚的 钢板,钢板相互间距不得在于30mm。桩机的组装、拆卸应严格按原厂说明书规定程序执行。用伸缩式履带的打桩机,应在导杆托架的下方垫上千斤顶制动住行走 及回转机构,导杆两侧和前端必须系缆风绳。竖立桩要导杆前,应对各连接件进行检查,轨道式的要卡紧轨钳,履带三支点式的,应在导杆托架的下方垫上千斤顶制 动住行走及回转机构,导杆两侧和前端必须系缆风绳。安装导杆时,前端应垫高,下支点不少于三点,导杆不得在水平以下位置扳起或放倒。起动后,空载运转卷扬 机,确认各部情况正常,然后锁牢导杆下部的制动保险锁及防偏制动销(进入作业状态后均应拔出),水平小车开至最里端位置。当导杆扳起,放松缆风绳应与扳起 的高度同步,当导杆接近垂直位置时,应减慢竖立速度。履带式三支点打桩机,当扳到75~83度时,应停止卷杨,装上后支撑,用后支撑,用后支撑液压缸将导 杆扳至90度。筒式桩锤的冷却水,应采用清洁的软水。检查缓冲垫,如砧座和橡胶垫的接触面小于原面积三点,或下汽缸法兰与砧座间隙小于7mm时,均应更换 橡胶垫。检查起落架工作情况并中以润滑,起动钩与上活塞接触线应在5~10mm之间。提直桩锤脱出砧座后长度 不得超过200mm否则应调整桩帽的绳扣。 检查导板麻损间隙,如超过7~10mm时,应更换。检查各螺栓应紧固,特别是导板的固定螺栓,不得在松动及缺件的情况下作业。上活塞采用振油法润滑的,当 活塞跳起时,观察油孔应有油溢出。采用自动油泵润滑的当手扳油泵时观察油管应有油流动。导杆的导向导管,应涂润滑油脂。清扫孔的丝堵,必须用石墨粉润滑。 用桩机吊桩时,正前方吊桩距离不得大于4m履带式三支点桩机不得偏心吊桩,用双向导杆施工时须待导杆回转并锁住后方可起吊。作业时,桩机回转应缓缦,行走 中不得同时进行回转及吊桩等其它动作。在软土层起动桩锤时,应先关闭油门冷打,待每击贯入度小于100mm时,再开启油门起动桩锤不得在桩沉或贯入度较大 时给油起动。

 

交底内 容: 上活塞最大起跳高度一般不得超过2.5m(各种桩锤的目视高度可参照参照各个制造厂的降落距离表),达到规定高度时应减小油门,控制落距。当上活塞 下落面汽缸未燃爆时,由于汽缸内压缩空所的作用,上活塞有10~20s的上下起伏,此时起落架不得落下,撞击碰块。在锤击达程中,起落架可缓慢下降,但不 得低于上汽缸中以上2m。作业中,下汽缸每15min必须注次润滑油,如遇较难打的桩,每打一根桩至少注油一次。作业中,水套的水山于冷却蒸发而低于下汽 缸汲排汽口时,应及时补充。严禁在无水情况下作业。种各柴油锤,在作业中,当其最后10击贯入度值小于5mm时,应停止作业。桩帽中的填料,不得偏斜,以 保证锤击中心。挺杆后仰18.5。时,严禁提升桩锤。打斜桩时应将桩吊入门架固定稳当,再后仰挺杆履带式三点支撑桩机打斜桩时,必须用后支撑杆。履带工三 点支撑桩机行走时,必须有戊人指挥,在坡道上行走时,应将桩机重心移在坡道的上方,坡度不得大于5度。作业时桩咽转制动应缓慢,轨道式桩机不得向同方向连 续回转两周。电梯严禁超载,应经常检查防堕落卡板的可靠性,当提升钢丝绳 松弛时,卡板应伸出挂在滑道的横肋板上。作业后应将桩锤放在已打入地下的桩头或 地面垫板上,关闭油门,盖住汽缸口和进排汽孔,将操纵杆置于停机位置,倘住安全限位装置。长期停用的桩锤应从桩机上卸下,放掉燃油及润滑油和冷却水,将燃 烧室及上、下活塞接触面清洗干净,做好防腐措施。轨道桩机应停放在轨道中部,卡紧轨钳。放倒挺杆时,应先检查卷筒制动可靠,并在挺杆两侧拴好拉绳 ,利用 动力缓慢放倒,拉绳应保持张紧,挺杆不应有摆动。操作者必须经过培训、考核合格后持证上岗,并认真遵守安全操作规 程。

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钢板桩式接岸结构锈损与加固研究

朱崇诚 1,王崇宇 2
(1.交通部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室,天津 300456;2.湖南省交通规划勘察设计院,长沙 410008)

高桩码头通常由高桩承台和接岸结构两大部分组成,而码头结构安全的 “生命线 ”是接岸处的整体稳定性,它又决定着高桩承台的宽度[1]。接岸结构主要是衔接码头与陆域、减小码头结构的宽度并起到挡土作用。与其他部分相比,其构造相对较复杂,破坏后维修加固比较困难、费用也高。我国正在服役的大量高桩码头中,以重力式挡土墙接岸和钢板桩接岸居多。随着码头使用年限的增长和码头装卸负荷的增加,接岸结构出现变形、破损的情况越来越多,逐渐成为高桩码头结构安全的关注重点。
重力式挡土墙接岸结构不良变化以变形过大为主。在较大的堆货荷载作用下,挡土墙下岸坡土体发生明显的向海侧位移,挡土墙倾斜,靠近挡土墙的基桩在岸坡土体前移推动和上部结构的限位作用下,发生桩顶断裂、桩帽与横梁间相对错位、横梁搁置长度不足等破坏现象。这类破坏现象在天津港多个老码头中出现,尤其是位于突堤和顺岸连接部位的码头转角处,这种现象更多。重力式挡土墙接岸结构的破坏特点与加固方法已有一些研究成果[2-4]。
钢板桩式接岸中的钢板桩被打入深层土体,其挡土作用比重力式挡土墙接岸要好,其不良变化有斜顶桩桩顶开裂、钢板桩锈损等。对于前者,工程上创造了铰接桩帽方式,成功地解决了这一问题,而对后者的相关研究和工程实例还不多。本文结合高桩码头工程实例,对接岸结构钢板桩锈损及其加固方法进行研究。
1依托工程概况
依托工程为 1978年竣工的 3个高桩码头泊位[5]。泊位总长 530 m,装卸货种为件杂货,靠泊能力为 3个万 t级泊位,可同时停靠 2艘 150 m及 1艘 160 m长的船舶。码头结构型式为高桩梁板式,分为前后承台。前方承台宽 13.53 m,上部结构由横梁、门机梁、火车板和靠船构件等组成,梁均为预应力连续梁,板为预应力连续板,共有 86个排架,分为 10个结构段;后方承台宽 27.10 m,上部结构由预应力简支横梁和预应力空心简支大板等构件组成,共有 84个排架,分为 10个结构段。码头的接岸结构型式为 “钢板桩 +斜顶桩 +帽梁 ”型式,板桩墙和斜顶桩的连接型式为固接,板桩桩尖打至 -15.5 m,斜顶桩桩尖打至 -22.0 m,相邻斜顶桩间距为2.33 m。接岸结构钢板桩为鞍 IV型,其宽度 W=400 mm,高度 h=180 mm,腹板厚度 t1=15.5 mm,勒板厚度 t2=10.5 mm,断面积 A=99.14 cm2,重量 G= 777.3 N/m,惯性矩 I=4 025 cm4。鞍 IV型钢板桩断面图见图 1。

钢板桩工作环境和腐蚀介质调查
钢板桩工作环境调查内容包括潮汐、气温、湿度、降水、波浪、海流、工程地质等。腐蚀介质调查内容包括海水中氯离子含量、含盐量、pH值、电阻率、水污染情况和周边其他环境侵蚀介质等。

该海区海水 pH值为 7.60~7.95,Cl-浓度为 18 733 mg/L。含盐量为 3.31%,主要盐分为 NaCl、MgCl2、 CaSO4等,海水的腐蚀性高。海水的电导率为 4.03×10-2 s/cm。天津近海岸属于泥滩,海水浊度一般都在 40 NTU左右,但港区内的水域一定程度上受到煤炭、矿石粉、油等的污染,海水水质较混浊。根据《海水水质标准》(GB3097-1997),渤海近海岸海水属于四类水体,主要污染物为有机物、胶体物质、悬浮物质等。
3钢板桩锈损检测
经检测,码头接岸结构有 77根钢板桩发生锈蚀破损现象,接岸结构存在安全隐患。
3.1钢板桩锈损特点
(1)钢板桩局部破损形态包括外观红褐色锈迹、锈破成洞等。大部分局部锈蚀表现为锈破成洞,钢板桩锈洞大小不等,锈洞面积大多在 50 mm×50 mm~300 mm×500 mm。典型锈洞情况见图 2,图中单位为 cm。
    从锈洞形状可见,锈洞底边与钢板桩正面宽度几乎相等,锈洞口上边缘呈不规则曲线。钢板桩锁口所在的侧面厚度均相对较大,如图 2中 A处为 15 mm、E处为 14.5 mm,锈蚀主要发生在钢板桩的中间位置。由于长年的腐蚀,锈洞上部的钢板桩锈蚀严重,形成了一层层的黑褐色锈片,用铁锤击打钢板桩锈洞上部,容易扩大洞口面积,锈洞上部 100 mm高的钢板已经失效。

(2)钢板桩锈洞均出现在钢板桩凸向海侧表面(凸面),而陆侧表面(凹面)和锁口所在面(侧面)尚未发现锈洞现象。

(3)为了解钢板桩泥面以下锈蚀情况,现场对钢板桩前面进行了开挖,开挖深度为泥面以下 1.0 m。开挖后发现,钢板桩锈洞前的回填料或堆积物为砂子、碎石、煤渣等,而泥面以下钢板桩也存在一定的锈蚀情况,表层覆盖了一层锈蚀层,采用锤击敲掉表层锈蚀,露出了银白色的钢板,强度较高,从上至下钢板桩厚度逐渐增加,其中洞口处钢板桩有效厚度约为 6.0 mm,往下延伸可达 12 mm。

(4)在高度位置上,钢板桩锈蚀均位于潮差段。由于钢板桩上部为帽梁结构,下部插入地基中,露出部分高度在 0.5~1.5 m。该部分钢板桩在低水位时完全暴露在空气中,高水位时则完全浸泡在海水中。

(5)钢板桩上可见的排水孔还在排水,有的钢板桩锈洞就是由排水孔扩大而来的。落潮时,锈洞向外排水,墙后回填料部分露出。
(6)现场没有发现钢板桩锁口相对错动现象,说明破损钢板桩尚无明显不均匀沉降变形。
(7)现场没有发现钢板桩明显倾斜或局部鼓肚现象,说明泥面线附近的钢板桩尚无明显的水平受力变形特征。

3.2    钢板桩自腐蚀电位检测

为了解钢板桩的腐蚀状态,采用 Ag/AgCl参比电极和万用表检测了钢板桩不同位置的自腐蚀电位。钢板桩泥面线以上的自腐蚀电位分布在 -580~-622 mV,在泥面线以下自腐蚀电位约为 -550 mV,钢板桩的自腐蚀电位分布较均匀,处于未受保护的自然腐蚀状态。

3.3    钢板桩取样分析现场采用切割机进行了切割取样,对样品进行成分分析。原钢板桩和现钢板桩样品化学成分见表 1。
表 1钢板桩化学成分含量 Tab.1 Chemical compositions and relative contents of steel sheet pile(%)

注:“-” 表示未分析。

将锈蚀钢板桩与完好钢板桩化学成分进行比较可知,锈蚀钢板桩 C的成分含量为 0.43%,已远远超过未锈蚀条件下的含量 0.13%,S的成分 0.35%也是未锈蚀条件下的 10倍左右, Si和 P的含量变化不大, Mn的含量有所减少, Cu的含量仅为 0.023%。C和 S含量的增加会影响钢板桩的强度,可见钢板桩受到了严重腐蚀,并且自身的耐腐蚀性能和强度均有降低。
4    钢板桩锈蚀破损机理分析
4.1    电化学腐蚀
钢板桩的最大缺点是易锈蚀,锈蚀破损将缩短其使用年限。钢材的锈蚀主要源于其表面产生局部电位差形成的腐蚀电流,或是由于水和氧气引起的化学反应。影响钢板桩锈蚀的因素有:钢材的化学成份、与其接触的水体和土中的有害物质的含量、干湿交替、动力和生物的作用等。钢材的化学成份是内因,其余为外因。
钢板桩在海水中的电化学腐蚀过程可用如下化学式表示
阳极区(金属溶解)     2Fe→2Fe2++4e¬
阴极区(氧去极化)     O2+2H2O+4e-→4OH¬
电子从阳极区流向阴极区,在钢表面生成锈蚀产物
2Fe+2H2O+O2→2Fe2++4OH-→2Fe(OH)2 Fe(OH)2被溶解氧进一步氧化,变成氢氧化铁 4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)(红棕色)
3
2Fe(OH)3→Fe2O3 xH2O(铁锈) +
•(3-x)H2O
4.2    潮差区段的影响
该港区的年平均低潮位为 +1.34 m,钢板桩暴露部位在帽梁底和泥面之间,帽梁底标高为 +2.2 m,由于沉积物的影响,板桩墙前泥面标高多数部位略高于设计泥面标高 +0.2 m,所以钢板桩锈蚀部位高度位于潮差区,在年平均低潮位附近。
有关研究表明,钢结构物在海洋环境中的腐蚀状态因高程不同而异,其中浪溅区和紧接平均低潮位以下 2个区域都出现腐蚀峰值,尤以浪溅区的腐蚀最为严重。在这 2个区域中,钢材往往会出现穿孔现象。在潮差区段,钢结构始终处于干湿交替的周期间浸状态,钢结构表面每天至少有一段时间与海水接触,氧供应较充分,钢表面的温度同时受大气和海水温度的影响。因此钢结构腐蚀较严重,且腐蚀不均匀,局部腐蚀严重,尤其是在高潮位和低潮位附近,不仅腐蚀速度很快,而且点蚀和空蚀严重,是需要重点保护的部位。

4.3水流冲蚀的影响

由于风、潮汐、船舶运动等因素的影响,作用在钢板桩的水流流速很大,使其暴露部分长期承受墙前水流的冲击,海水液体在金属表面的流动,促进了腐蚀性成份的循环,加速了氧的扩散,同时也除去了附着在金属表面上的腐蚀生成物,加快了钢的腐蚀速度。另外墙前淤积物材质为砂子、碎石、煤渣等,有空气泡且高速流动的海水可引起冲击腐蚀,当气泡破裂时可引起空泡腐蚀,夹带泥沙的海水可引起磨蚀,导致钢板桩局部腐蚀严重。

4.4海洋生物的影响

海蛎子、藤壶和海藻等海生物能在钢结构表面上附着寄生,有时虽能起到一定的保护作用,但在海生物附着层部分发生脱落时,金属表面上生物体所覆盖的部分由于氧的供给受到控制成为阳极,未被生物覆盖的部分成为阴极,形成浓差电池从而加速局部腐蚀。
综上所述,接岸结构钢板桩在泥面附近局部腐蚀的主要原因是电化学腐蚀,同时水流冲蚀、空泡腐蚀、砂石磨蚀等也是重要影响因素。

5钢板桩锈蚀程度评估
钢板桩使用期平均腐蚀速度可按下式计算
V0= Di-Df (1)ts式中: V0为钢结构腐蚀速度, mm/a;Di为钢结构原始厚度, mm,鞍 IV型钢板桩正面厚度 Di=15.5 mm;Df为检测时钢结构平均厚度, mm,被测钢板桩已产生锈洞,锈洞处 Df=0,锈洞下部位 Df=12 mm;ts为检测时钢结构已使用的时间, a,被测码头于 1978年建成,使用至 2006年发现锈洞, ts=28 a。计算得钢板桩锈洞处平均腐蚀速度 V0=0.55 mm/a。可见钢板桩锈洞处的年平均腐蚀速度是非常大的。钢结构使用年限可根据腐蚀情况检测结果按下式计算
te=ts+ Df V-Dt (2)
式中: te为钢结构使用年限, a;ts为检测时钢结构已使用的年限, a,ts=28 a;Df为检测时钢结构的平均厚度, mm,钢板桩锈洞处 Df=0 mm,锈洞下部位 Df=12 mm;Dt为按承载能力极限状态计算得出的钢结构厚度, mm; V为钢结构腐蚀速度, mm/a。由于钢板桩上已出现目视可见的锈洞,所以 te≤28 a,有锈洞的钢板桩存在很大安全隐患,不应继续使用。
钢板桩是接岸结构的最基本组成部分,其下部打入地基构成连续墙,起挡土作用并作为接岸结构的直立墙面,承担墙后土压力,防止变形过大,维持岸坡整体稳定。钢板桩在泥面附近出现局部锈蚀破损后,其与上部帽梁结构的整体性逐渐被破坏,板桩上部的水平支撑被破坏,帽梁的垂直支撑也被弱化,斜顶式板桩结构由下端嵌固的超静定结构逐渐转变为无锚板桩结构。在较大的上部荷载或墙后土压力作用下,板桩结构可能出现前倾、鼓肚、踢脚失稳、岸坡整体失去稳定性等破坏形态,使高桩码头 —岸坡体系产生各种破坏现象或留下巨大安全隐患。因此接岸结构钢板桩锈损可能带来严重的后果。根据现行行业规范[6]要求,对钢板桩式接岸结构按码头结构段划分为评估单元,根据钢板桩的现场检测数据, II~VII结构段对应位置的钢板桩泥面附近局部锈蚀严重,有 77根钢板桩发生上述锈洞形态的破损,腐蚀已严重影响承载能力,导致接岸结构的安全处于不确定状态,码头钢板桩耐久性评估等级为 D级,不满足设计使用年限要求,应视条件立即采取修复、补强措施。
6钢板桩锈蚀及破损情况的有限元分析
在现场检测结果的基础上,建立了钢板桩接岸结构与岸坡相互作用的有限元模型,分别进行了钢板桩完好情况、锈蚀情况和局部破损情况的计算,并分别对接岸结构及土体变形特征、钢板桩受力特征和斜顶桩 及帽梁应力进行了分析。钢板桩锈洞情况按现场实际检测数据的模拟见图 2。计算结果表明:钢板桩在完好情况下,接岸结构能够较好的实现其结构性能,能较好的阻挡土体变形和承担上部荷载,其强度也满足要求;钢板桩在锈蚀后残余 80%厚度(原厚度为 15 mm,80%残余厚度为 12 mm)的情况下,钢板桩接岸结构性能有所降低,在桩身泥面线以下位置的钢板桩将无法满足强度要求,该位置的最大拉应力值 367 MPa超过了钢板桩设计抗拉强度 215 MPa,土体变形明显增大,接岸结构处于较危险的状态;在局部破坏锈蚀成洞的现状下,钢板桩存在海侧凸面锈洞,其锈洞位置拉应力最大值为 233 MPa,超过了设计值,使得钢板桩整体作用性能降低,因此土体变形增大,并且对接岸结构本身的稳定也造成了影响,对帽梁后部的沉降影响较大,帽梁与斜顶桩连接可能出现破损,导致接岸结构中斜顶桩和钢板桩的共同作用无法实现。
7钢板桩锈损加固方法
在充分分析结构特点、预测加固效果和施工可行性的基础上,针对钢板桩锈蚀特征,提出了帽板加固法、局部外包法和地连墙替代法 3种加固方案,并分别建立数值模型进行了计算分析。综合计算分析结果表明:帽板加固法可以将泥面以下的钢板桩与斜顶桩和帽梁连接起来,重新实现接岸结构的功能,但是斜顶桩桩帽位置加固体的受力较大;地连墙替代加固方案,实际上形成剩余钢板桩与地连墙综合作用作为接岸结构,使接岸结构前方码头及岸坡的变形受到限制,接岸结构的力学性能也得到大大改善,但是其施工难度和工程量都较大;局部外包法是在钢板桩产生锈洞的位置采用钢筋混凝土外包,计算接岸结构变形特征,分析结果表明,其加固效果基本可以达到钢板桩完好情况的水平,钢板桩及结构的受力也均能满足要求。综合以上加固方案的特点及数值分析结果,推荐在钢板桩产生锈洞位置采用局部外包法对钢板桩进行加固,该方案施工难度相对较低,工程量较小,且加固后接岸结构的变形和受力均可以满足要求。
局部外包法加固方案要点包括:用钢筋混凝土板加固钢板桩锈蚀破损部分,类似夹板法接骨处理;在钢板桩破损上下焊接锚筋生根,使其与外包体形成整体作用,共同受力;在钢板桩原排水孔位置,依然预留排水孔;加固体底部,可按极端低水位 -1.29 m设计;如采用干法施工,需局部掀开码头后承台一跨面板,进行深层支护施工,清泥形成施工作业面,然后进行钢筋混凝土加固体施工。局部外包法方案如图 3所示,图中尺寸单位为 cm,高程单位为 m。

8结语
结合工程实例,利用现场检测、室内试验和有限元分析等技术手段对接岸结构钢板桩锈损破坏的环境条件、破损特点、形成机理、影响程度和加固方法进行研究,得出:

(1)钢板桩工作环境为海水,其 pH值为 7.60~7.95,Cl-浓度为 18 733 mg/L,含盐量为 3.31%,主要盐分为 NaCl、MgCl2、CaSO4,电导率为 4.03×10-2 s/cm,海水的腐蚀性高。

(2)接岸结构钢板桩在泥面附近局部腐蚀的主要原因是电化学腐蚀,同时水流冲蚀、空泡腐蚀、砂石磨蚀等也是重要影响因素。

(3)钢板桩锈损形态主要表现为局部锈破成洞,锈洞面积在 50 mm×50 mm~300 mm×500 mm,洞口上部 100 mm高的钢板已经失效,洞口下部有效厚度为 6.0 mm,往下延伸厚度可达 12 mm。没有发现钢板桩明显倾斜、局部鼓肚或锁口相对错动现象,泥面线附近的钢板桩没有明显的水平受力变形特征和不均匀沉降变形特征。

(4)钢板桩在局部锈蚀成洞的现状下,锈洞位置钢板桩拉应力最大值为 233 MPa,超过了设计值,可能导致接岸结构中斜顶桩和钢板桩的共同作用无法实现,钢板桩锈损造成接岸结构的安全隐患,应视条件立即采取修复补强措施。

(5)推荐采用局部外包法对接岸结构钢板桩锈损破坏进行加固。该方案是在钢板桩产生锈洞的位置采用钢筋混凝土外包,施工难度较低、工程量较小,加固后接岸结构的变形和受力均可满足要求。

参考文献:

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[6]JTJ302-2006,港口水工建筑物检测与评估技术规范[ S].

Corrosion and reinforcement study of link-banked structure of steel sheet pile
ZHU Chong-cheng1,WANG Chong-yu2
(1. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Harbor & Marine Structure
Safety,Ministry of Communications,Tianjin 300456,China;2. Hunan Provincial Communications Planning,Survey & Design Institute,Changsha 410008,China)
Abstract:Combined with practical work,the environmental condition,characteristic,formation mechanism and influence degree of steel sheet pile corrosion and the reinforcement method were studied by the technical means of field detection,chemical analysis and finite element analysis.The detected data shows that the main form of steel sheet pile corrosion is corrosion pit.Electrochemical corrosion is considered as the primary cause of localized corrosion near silt surface.The fluvial abrasion,cavitation corrosion and silt erosion are also the important factors.Deformation and force analysis results show that the corrosion of steel sheet pile has led the link-banked structure to the state of insecurity.The renovating and reinforcing method should be taken immediately.The scheme for local reinforcement with reinforced concrete was further proposed in this paper.The deformation and force of link-banked structure can meet the requirement after reinforcement.
Key words:link-banked structure;steel sheet pile;corrosion;detection;evaluation;reinforcement

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钢板桩施工工艺与工程实践探讨

汤彩金(增城市第四建筑工程公司)

关健词 :钢板桩;施工;安全措施;市政改造

1前言
钢板桩近年在我国各地的应用越来越多,需求量也越来越大,它具有高强、轻质、隔水性好、使用寿命长、安全性高、对空间要求低、环保效果显著等优点,还具有救灾抢险的功能,加上施工简单、工期短、建设费用低,因此钢板桩的用途相当广泛。在永久性构筑物方面,它可用于码头、挡土墙、防洪堤等;在临时性构筑物方面,它可用于防洪断流、建桥围堰、市政基础设施工程的挡水、挡土墙等;在抗洪抢险方面,它可用于防洪和防止塌方、塌陷、流砂等用途。
2工程概况
广州某市政改造工程位于市中心繁华地带,是该市的主干道路,人流和车流量大,商铺林立,工期紧,施工难度大。本工程原有方涵为块石墙身,顶面混凝土预制板,现新建单孔排水方涵,截面 BH=5.8m×3.2m,埋深 4m,全长约 1km。根据有关部门提供的资料和初步核实,本工程开挖范围内有多条供水管道和光电缆等设施经过,且存在软土处理复杂、施工场地狭窄等问题。

本工程地质条件较差,地下水位较高,根据地质勘察报告,场地地质土层自上而下依次为:回填土层,厚 0.5~lm;淤泥层,厚 3~14m;粘土层,厚 2~6m;残积土层,厚 0.5~4m,松散,遇水易软化。

3施工方案的选择
本工程基槽开挖深度约 4m,根据工程地质勘察资料,开挖范围内主要为人工填土和淤泥,由于开挖深度较大,加上周围建筑物多且密集,地下管线复杂等状况,不能采用放坡形式开挖,只能采用基坑支护,若处理不当则无法保证基坑两侧的稳
定,可能引起整体滑波、基底隆起等严重后果,因此必须采取可靠而有效的基坑支护处理。

现行的基坑支护方法很多,如排桩(钢板桩、钢管桩等)、土钉墙、地下连续墙等,但土钉墙和地下连续墙等属于一次性投人,不能周转回收,费用大,工期长,施工难度大,且这些永久性支护还可能给后续施工带来不便。通过对多种基坑支护方案的具体分析和比较,特别是考虑造价、工期、施工难度和安全性等因素,认为采用钢板桩支护具有操作简单、对周围影响小、安全性好、效率高、节约投资等明显优点,参与施工各方一致同意采用钢板桩加内支撑的支护方案,打设钢板桩后在桩顶以下设置 2道型钢支撑,以保证钢板桩不受到倾覆破坏。

4钢板桩施工工艺
4.1钢板桩的检验、吊装与堆放
(1)钢板桩的检验
由于本工程钢板桩主要用于基坑的临时支护,故不需进行材质检验而只对其做外观检验,以便对不符合形状要求的钢板桩进行矫正和筛选,以减少打桩过程中的麻烦。
外观检验包括表面缺陷、长度、宽度、厚度、平直度和锁口形状等内容,即: ①清除锁口内杂物,对缺陷部位进行修理; ②为确保每片钢板桩两侧的锁口平行,应进行宽度检查,使每片钢板桩的宽度都在同一宽度规格内,超出允许偏差的钢板桩应尽量不予采用; ③对于桩身残缺、脏污、铁锈、卷曲等都要进行全面检查,并采取相应措施,以确保正常使用; ④锁口润滑及防渗措施:对于检查合格的钢板桩,为保证它在施工过程中顺利插拔和提高使用时的防渗性能,每片钢板桩锁口都须均匀涂以混合油。
装卸钢板桩宜采用两点吊,吊运时每次起吊的钢板桩数不宜过多,并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,而单根吊运则常用专用的吊具。

(3)钢板桩的堆放
钢板桩的堆放地点要选择在不会因重压而发生较大沉陷变形的平坦坚固的场地上,并便于运往打桩施工现场。堆放时应注意: ①堆放的顺序、位置、方向和平面布置等应便于后续施工; ②按型号、规格、长度分别堆放,并在堆放处设置标牌说明; ③应分层堆放,每层堆放数量一般不超 5根,各层间每隔 3~4m垫以枕木,且上、下层垫木应在同一垂直线上,堆放总高度不宜超过 2m。

4.2钢板桩施工顺序

按施工图确定基线 →探明地下障碍物 →确定桩位 →平整施工机械行走道路 →将桩吊起放至桩位上并固定好 →吊起桩帽放至桩顶上 →桩垂直度校正 →将桩打入 1.5~2m,再次校正后打至设计标高 →焊接支撑 →挖土 →方涵施工 →填土 →拔除钢板桩。
钢板桩施工要正确选择打桩方法和打桩机械,以便使打入后的板桩墙有足够的刚度和良好的挡土作用,且板桩墙面平直,以满足基础施工的要求。

(1)钢板桩打入前应沿钢板桩分布方向挖一条宽 0.5m、深 1.0m的沟,以探明地下障碍物及管线位置,并缓冲钢板桩锤击时对地下管线的振动。
(2)由于本工程钢板桩长度在 10m以内,且精度要求不太高,故可采用单独打入法,即从一边开始逐块插打,每块钢板施打过程中不得停顿。桩机行走路线短,施工简便,打入速度快,但由于单块打入,易向一边倾斜,累计误差不易纠正,墙面平直度较难控制。主要控制措施如下: ①先由测量人员定出钢板桩的轴线,可每隔一定距离设置导向桩,导向桩直接使用钢板桩,然后挂绳线作为导线,打桩时利用导线控制钢板桩的轴线; ②准备桩帽及送桩:钢板桩在锤头的打击下,容易出现变形和开裂,因此在桩顶设 1个 300mm厚的铸钢桩帽,帽缘用钢板焊成,高 400mm,桩帽内与钢板桩空隙约 20mm,使桩帽易套在桩顶上,送桩时打桩机吊起钢板桩,人工扶正就位; ③单桩逐根连续施打,注意桩顶高程不宜相差过大; ④在打入过程中随时测量监控,控制每块桩倾斜度 <2%,须在纵横方向各设置 1台经纬仪进行监控,一旦发现偏差则进行纠正处理,若偏斜过大而无法拉直调正时应拔起重打。
(3)打桩机械和使用材料
采用 40t履带吊车,配合振动锤及 200kW专用(三相 220V)发电机施工。根据工程场地特点,结合钢板桩的特性和施工方法进行考虑,采用 U形波浪式钢板桩,单根钢板桩长 6m、宽 0.4m,主要技术参数为截面抵抗矩 W=2043cm3/m,g=77kg/m。

4.4钢板桩的内支撑
根据现场情况,决定保留原有方涵南面石墙作为挡土墙,每隔 5m设置上下两条 15cm宽的槽钢横向水平钢支撑。先定出钢支撑的位置,在原有方涵南面石墙边压一条钢板桩,在该处挖至预定深度,埋设上下各一条横向水平钢支撑。钢支撑与钢板桩之间连接处使用钢板加角钢焊接固定,如图 1所示,然后才开始进行分段开挖。
钢板桩内支撑平剖面设计示意图图 1钢板桩内支撑平剖面设计示意图
4.5挖土施工
①土方开挖应分段分区连续施工,并对称开挖; ②施工通道应铺钢板以扩散压力,减小侧压力; ③基坑周边范围内严禁堆载; ④地面及坑内设排水措施,基坑内两侧设排水明沟集中排水,保持基坑内无水,便于挖土; ⑤开挖过程中注意支护体系的变形观察; ⑥基坑内作业时,有专职安全员负责安全检查。

4.6钢板桩的拔出
完成方涵施工和基坑回填后,才可拔出钢板桩,事先仔细研究拔桩方案、顺序和时间,否则会因拔桩的振动影响以及拔桩带土过多而引起地面沉降和位移,给已施工的地下结构带来危害,并影响临近原有建(构)筑物或地下管线的安全。钢板桩拔出后仍采用履带吊车,配合振动锤及 200kW专用(三相 220V)发电机进行,拔出的钢板桩应进行回收和调直,留下的桩孔必须即时回填,一般采用挤密法或填砂法。

5变形观测

5.1钢板桩的变形观测

设置专职人员在土方开挖期间和开挖后对钢板桩进行检查和观测,主要是巡查和使用水准仪、经纬仪观测沉降和水平位移,并做好观测资料记录。

5.2基坑周围建 (构)筑物的监测

本工程对基坑周边 20m范围内的建(构)筑物进行监测,包括房屋、道路等加强监测力度。对主要的和存在危险的建(构)筑物,每天进行沉降观测并做好资料记录;施工前了解清楚周边建(构)筑物的沉降和变形情况,如有必要可对个别房屋进行鉴定,以免在施工期间造成不必要的纠纷和损失。

6安全措施
(1)在施工现场堆放石渣 120m3,当钢板桩出现位移或基底隆起现象时作应急回填之用,以确保施工安全。
(2)当变形观测出现异常现象时,应立即停止施工并通知有关单位处理,经采取措施排除隐患后才可复工。

7结语
在城市市政改造工程中,常会碰到施工场地狭窄、建筑物距离近及地下管线多等困难,往往难以解决。本工程使用钢板桩,在合同期限内顺利完成了工程任务,得到了各方的广泛好评,该实践经验表明,对深基础开挖采用内支撑钢板桩支护,可保证基坑两侧的稳定,避免引起整体滑波、基底隆起等严重后果,有效消除安全隐患,是一种行之有效而安全可靠的方法。这种施工设备还有占用场地少、可多次重复使用、节约投资和机械化程度高等优点,值得在建筑领域大力推广应用。

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钢板桩挡土结构加固方法研究

1工程概况
码头的钢板桩挡土结构为钢板桩 +斜顶桩 +帽梁型式。挡土结构是由厚 45 cm的预应力板桩墙、55 cm×55 cm的预应力空心斜顶桩和帽梁构成的挡土墙,板桩墙和斜顶桩的连接型式为固接。板桩桩尖打至 -17.5 m,斜顶桩桩尖打至 -22.0 m,相邻斜顶桩间距为 3.5 m。其码头局部断面见图 1。
根据现场测试可知,该钢板桩挡土结构的大多数钢板桩只剩下 80%的残余厚度(钢板桩原厚度为 15 mm, 80%的残余厚度为 12 mm),部分破损严重区域的钢板桩已出现了 300 mm×500 mm的锈洞(图 2)。

2 ANSYS有限元计算模型的建立

为了准确模拟桩土之间的摩擦力,考虑各构件之间力传递的复杂性,本文采用实体单元 solid45。各构件之间的连接形式均为固接。为减小建模的难度并能划分出计算相对精确的规则网格,采用式( 1)、式( 2)对 U形钢板桩进行一定的简化。根据码头结构段的对称性,沿码头岸线方向取 3.5 m范围,岸-海方向取 83 m范围(码头前沿外 -13 m,码头前沿往后取 -70 m)。模型示意图见图 3,有限元模型网格见图 4。模型的底面设为全约束;由于模型在岸 -海方向选取了足够的长度,故不考虑 X方向的位移,模型前后两侧仅设置 X方向的约束;模型的左右两侧设为对称约束[3]。

EC IC=ES IS(1)
EC AC=ES AS(2)式中: EC、ES分别为计算弹性模量和钢的弹性模量; IS、AS分别为 U形钢板桩的惯性矩和截面面积,钢板桩的截面面积和惯性矩参照《港口工程钢结构设计规范》[4](JTJ283-99); IC、AC分别为计算模型中连续墙的惯性矩和截面面积。
3钢板桩锈蚀及破损情况的有限元分析
本文采用 ANSYS有限元分别计算了钢板桩在完好状态下、锈蚀情况下(还有 80%的残余厚度)、局部破损( 300 mm×500 mm的锈洞)情况下,在后方堆场设计荷载为 5 T/m2的竖向荷载下,土体的最大水平位移和钢板桩的最大压应力,计算结果见表 1。
由表 1可以看出:(1)钢板桩在完好状态下,表 1钢板桩在锈蚀及破损情况下的土体最大水平位移和土体的最大水平位移要比锈蚀或者破损状态的最板桩最大压应力大水平位移小得多。这是由于钢板桩在受到后方土Tab.1 Soil maximum horizontal displacement and sheet pile 体压力作用时,形成了一种超静定梁的结构(上面maximum compression stress under conditions of 固接在斜顶桩,下面沿 X方向支撑在土上)。钢板桩corrosion and localized damage在完好状态时其刚度较大,在同样的主动土压力作状态土体最大水平位移( mm)板桩的最大压应力( N/mm2)用时,其变形较小,从上支座到下支座间的板桩引完好 14.9 194起的板桩另一侧的被动土压力较小,而使大多数的锈蚀 17.7 367主动土压力在板桩的作用下传递到了土体的深处,破损 20.6 233 土体的最大水平位移较小;钢板桩锈蚀或者破损后其抗弯刚度下降,在土体上部对钢板桩的另一侧产生了较大的被动土压力,主动土压力就不能很好地传递到土体深处。故使土体的最大水平位移有所增加。(2)在完好状态下,钢板桩的最大压应力也比锈蚀或者破损情况下板桩的压应力要小的多,并且根据《港口工程钢结构设计规范》Q235钢材的抗弯强度设计值为 f=215 N/mm2,钢板桩在锈蚀区域板桩的应力和破损情况下锈洞附近完好板桩的应力均超过了 215 N/mm2,板桩处于不安全状态。

4钢板桩修复加固方案
修复加固方法大致可以分为局部维修加固法和设置替代挡土结构法 2大类。局部维修加固法包括补焊钢板法、局部外包加固法、降低帽梁覆盖高程法、改善墙后土体性能法等;设置替代挡土结构法包括增设地下连续墙法、增设替代钢板桩法等[5]。
钢板桩出现锈洞破损,最直接的方法就是焊接钢板修复,再作涂料防锈处理;但是补焊的钢板同钢板桩形成电偶,补焊的钢板作为阳极很快被消耗,这就导致二次锈蚀问题[6]。改善墙后土体法虽然工程造价低,但加固效果较差,主要用于新建码头,不适用于本工程。地下连续墙法、增设替代钢板桩法不仅会影响码头的正常作业,而且工程量巨大,工程造价高。
根据工程特点、预期加固效果等因素,提出帽板加固法和局部外包法 2种加固方案。通过建立 2种方法的 ANSYS有限元模型进行数值计算,并结合施工可行性和经济性推荐最优方案。
1. 1帽板加固法
2. 1.1帽板加固介绍

帽板加固法的优点是施工作业面不涉及码头面以上,无需开挖码头挡土墙后方土体,施工简便,不影响生产;缺点是会给斜顶桩增加一定的弯矩。帽板加固法具体内容和要点如下。

(1)帽板式钢筋混凝土加固体分为加固板和斜顶桩外包体 2部分,有关尺寸可在下列数据基础上进行调整:加固板长 L=3 500 mm+550 mm+300 mm=4 350 mm,根据斜顶桩间距调整;加固板厚 A=300 mm,设置净保护层 50 mm,双侧双向配筋;加固板高 H=1 500 mm,根据钢板桩顶部锈蚀破损情况,从泥面向下开挖至钢板桩剩余厚度满足要求处,加固板高度据此调整。斜顶桩外包混凝土尺寸为沿桩周外扩 150 mm,其高度与加固板同高,施工有困难时也可以略小于加固板高度。对于已经铰接外包的斜顶桩可以利用原外包体形成对加固板的支撑。

(2)为加强整体性,应在帽梁底部栽锚筋,加固板底部附近的钢板桩上焊拉筋,其他高度焊抗剪器。所以焊接金属均应处于加固混凝土保护内。

4.1.2帽板加固法的有限元分析
考虑到泥面以下的钢板桩尚可发挥剩余作用,直接在钢板桩锈

洞位置采用帽板式钢筋混凝土加固,将尚能工作的钢板桩通过加固体与斜顶桩连接起来,帽板加固法方案见图 5。
计算得到帽梁加固法下土体的最大侧向位移为 14.7 mm,说明采用帽板加固法能够将锈洞以下的钢板桩与帽梁的共同作用重新建立关系。土体的侧向位移见图 6。通过计算得到钢板桩的最大压应力为 195 N/mm2,小于 Q235钢材的抗弯强度设计值为 f=215 N/mm2,板桩处于安全状态。但是钢板桩在土体竖向摩擦力的作用下下沉,会使斜顶桩受到很大的弯矩,帽板加固法使原本斜顶桩产生的抵抗主动土压力的水平力作用点向下移,进一步增大了斜顶桩受到的弯矩;虽然帽板加固法对斜顶桩上部进行了外包加固,但是结合第一主应力和第三主应力,斜顶桩加固桩帽的底部受力相对集中,第一主应力和第三主应力的最大值均出现在这个位置,其中第一主应力最大值为 34 MPa,第三主应力最大值为 37.6 MPa。这是斜顶桩在上述弯矩作用下的结果,虽然斜顶桩受到的水平力会产生一定的反弯矩,斜顶桩受到的弯矩会沿帽梁底部向下有一定的降低,但是在斜顶桩加固桩帽底部的弯矩还未减小到安全弯矩,故还应对斜顶桩进行一定的加固,即通过计算在帽板加固法加固桩帽的底部一定长度内再进行外包加固。外包桩帽、浇筑帽板以及结构的不规则性使钢筋配置和尺寸确定比较繁琐。
1. 2 局部外包法
2. 2.1 局部外包法介绍考虑到帽板加固法中斜顶桩的受弯特性和现场施工难度,提出了对破损钢板桩采用钢筋混凝土局部外包法。该方法优点是施工可操作性强,不会影响斜顶桩的受力性能;缺点是利用了原部分锈损的钢板桩。局部外包法方案要点如下:

(1)用钢筋混凝土板加固钢板桩锈蚀破损部分(类似 “夹板法 ”接骨处理);

(2)在钢板桩破损上下焊接锚筋生根,使其与外包体形成整体作用,共同受力;

(3)在钢板桩原排水孔位置,依然预留排水孔;

(4)加固体底部可按极端低水位 -1.29 m设计;

(5)如采用干法施工,需局部掀开码头后承台一跨面板,进行深层支护施工,清泥形成施工作业面,然后浇筑钢筋混凝土加固体。

4.2.2 局部外包法的有限元分析钢板桩局部外包方案是在钢板桩产生锈洞的位置,对钢板桩进行局部加固,使钢板桩恢复到需要的强度和状态。局部外包法方案见图 7。
计算得到帽梁加固方法下土体的最大侧向位移为 14.68 mm,说明采用局部法能够将锈洞上下的钢板桩连接起来,使钢板桩接岸结构体系的共同作用得到恢复。土体的侧向位移见图 8。通过有限元得到局部外包法下的钢板桩弯矩图(图 9)和轴力图(图 10),[7]得到钢板桩的最大压应力为 93 N/mm2
然后根据式( 3)(高程-2 m处),处于安全状态。
γGQ
1 000

Nk Mmaxk
A + Wz ≤f (3)
对局部外包法加固后的混凝土构件(帽梁结构和加固体)进行应力分析,通过分析第一主应力图可知,加固混凝土体的海侧方向是受拉的主要区域,最大第一主应力出现在加固体顶端,最大值为 2.37 MPa,超过了抗拉强度 1.78 MPa,但范围较小,但是加固体在向海侧配有钢筋,只要适当增加配筋率便能满足抗拉条件。由第三主应力分析可知,主要受压区域为斜顶桩与帽梁连接处和加固体的岸侧,但是应力值都相对较小,对结构没有影响。

5结论
本文针对天津港某码头钢板桩锈蚀破损特征并考虑加固的经济性、施工可行性等因素,提出了 2种加固比选方案:帽板加固法和局部外包法。综合有限元计算分析结果,帽板加固法可以将泥面以下的钢板桩与斜顶桩和帽梁连接起来,重新实现了接岸结构的功能,但是斜顶桩桩帽位置加固体的受力较大。局部外包法是在钢板桩产生锈洞的位置采用钢筋混凝土外包,计算接岸结构变形特征分析结果表明,其加固效果也可基本达到钢板桩完好情况的水平,钢板桩及结构的受力也能满足要求。
综合以上加固方案的特点及数值分析结果,推荐在钢板桩产生锈洞位置采用局部外包法对钢板桩进行加固,该方案施工难度相对较低、可操作性较强、工程量小、不影响码头的正常作业,且加固后接岸结构的变形和受力也能满足使用要求。

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[3]廖雄华,张克绪.天津港高桩码头桩基—岸坡土体相互作用的数值分析[ J].水利学报,2002(4): 81-87. LIAO X H,ZHANG K X. Numerical analysis of pile-soil interaction in long-piled wharf of Tianjin Port[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2002(4): 81-87.

[4]JTJ 283-99,港口工程钢结构设计规范[ S].

[5]沈运峰,凌炯浩,郭启泉,等.某钢板桩码头的大修技术[ J].水运工程,1991(6): 13-17. SHEN Y F,LING J H,GUO Q Q,et al. Overhaul Technique for a Sheet-pile Wharf[J].Port & Waterway Engineering,1991(6): 13-17.

[6]朱锡昶,葛燕,朱雅仙,等.海水中近 60年钢板桩的腐蚀状况[ J].海洋工程,2003(5): 87-91. ZHU X C,GE Y,ZHU Y X,et al.Corrosion status of steel plate piles exposed to seawater for sixty years[J].The Ocean Engineering, 2003(5): 87-91.

[7]苏翼林,赵志刚,王燕群,等.材料力学[ M].天津:天津大学出版社,2001.

Research on reinforcement method of steel sheet pile retaining structure
LI Ge-ping1,GUO Chang2,LUO Cheng2,XIONG Hong-feng2,3(1.Tianjin Port & Channel Engineering Co. LTD.,Tianjin 300457,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Harbor & Marine Structure Safety,Ministry of Communications,Tianjin 300456,China;3.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)
Abstract:Based on the problem of serious corrosion for steel sheet pile in Tianjin Port under severe ocean
conditions,a numerical computational model concerning the interaction between the steel sheet pile and the soil
was established using the ANSYS software. Then structure safety of the steel sheet pile under conditions of
corrosion and localized damage was analyzed.Besides,the soil movement and the force distribution were gained
through FEM computational analysis of cap reinforcement and local reinforcement.Finally the local reinforcement
is proved to be optimal by combining the feasibility and economy performance.
Key words:steel sheet pile;ANSYS;cap reinforcement;local reinforcement

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钢板桩在基坑支护工程中应用的施工技术

蔡乾(汕头市建安(集团)公司广东汕头 515041)

1 工程概况
广州某汽车配件有限公司工厂二期扩建工程基坑支护工程位于永和开发区,为大型设备基础基坑支护工程。该设备基础基坑呈T字型不规则形状,1-12轴长度45m,G-R轴长度37.5m,最大宽度15.14m,项目拟建场地为丘陵地貌经人工填土而成,由上而下为:
(1)人工填土层(厚度1.20m~6.45m,平均厚度3.71m)、
(2)含砂粉质粘土、粉土层(厚度0.50m~5.10m,平均厚度2.26m)、
(3)中、粗砂层(厚度0.60m~9.90m,平均厚度3.06m)、
(4)粉质粘土层(厚度0.50m~6.70m,平均厚度1.93m)、
(5)淤泥质土层(厚度0.50m~5.20m,平均厚度1.86m)、
(6)中、粗砂层(厚度0.50m~8.35m,平均厚度2.60m)等土层组成。

根据地质条件和支护高度的不同,将基坑分成4个支护设计区,分别为:Ⅰ区,Ⅱ区,Ⅲ区,Ⅳ区。其中Ⅰ区的支护高度为5.2m;Ⅱ区支护高度为6.2m;Ⅲ、Ⅳ区的支护高度为3.6m,基坑尺寸18m×32m,基坑支护结构型式采用9m拉森Ⅲ型钢板桩+钢管内支撑的支护形式。
2 钢板桩施工

2.1钢板桩打设前的准备工作

钢板桩在使用前应进行检查整理,包括表面缺陷、长度、宽度、厚度、高度、端头矩形比、平直度和锁口形状等。对桩身上影响打设的焊接件应割除。有割孔、断面缺损应补强。若有严重锈蚀,应量测断面实际厚度,以便计算时予以折减。对于发生变形的钢板桩应进行整理、矫正,否则不利于钢板桩的打入,影响支护效果。钢板桩打入前应将桩尖处的凹槽底口封闭,避免泥土挤入,锁口应涂以黄油或其他油脂。钢板桩的堆放场地应平整坚实,不产生大的沉陷。不同长度规格的桩应尽量分开堆放,便于使用。每堆桩之间要留有通道,便于运输车辆和施工吊车通行。

2.2(围檩)导架安装。

为了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,设置一定刚度的、坚固的导架,亦称“施工围檩”。围檩桩的间距一般为2.5m~3.5m,双面围檩之间的间距一般比板桩墙厚度大8mm~l5mm。围檩的位置不能与钢板桩相碰。围檩桩不能随着钢板桩的打设而下沉或变形。围檩梁的高度要适宜,要有利于控制钢板桩的施工高度和提高工效.要用经纬仪和水平仪控制围檩梁的位置和标高。
本工程采用H型钢做为钢围檩,型号为H250×250×9×14,采用角钢焊接的三角架支撑钢围檩。钢围檩和三角架均要与钢板桩焊接固定。角钢型号为L56×8。第一层围檩的安装高度约在地面上50cm。
2.3拉森钢板桩的打入
2.3.1打入方法
拉森钢板桩的打入方法主要有单根桩打入法、屏风式打入法、围檩打桩法。本工程采用了屏风式打入法:将10~20根钢板桩成排插入导架内,呈屏风状,然后分批施打。施打时先将屏风墙两端的钢板桩打至设计标高或一定深度,成为定位板桩,然后在中间按顺序分1/3、1/2板桩高度呈阶梯状打入。这种施工方法可防止钢板桩发生倾斜与转动,对要求闭合的围护结构常用此法。钢板桩打设允许误差:桩顶标高±100mm;板桩轴线偏差±100mm;板桩垂直度1%。
2.3.2钢板桩施打过程
本工程使用了振动锤与吊车组合的打、拔桩设备,先用吊车将钢板桩吊至插桩点处进行插桩,插桩时锁口要对准,每插入一块即套上桩帽轻轻加以锤击。钢板桩分四次打入,第一次由9m打至6m,第二次则打至3m,第三次打至导梁高度,待导架拆除后第四次才打至设计桩顶标高处。在打桩过程中,为保证钢板桩的垂直度,用两台经纬仪在两个方向加以控制。为防止锁口中心线平面位移。在打桩进行方向的钢板桩锁口处设卡板,阻止板桩位移。同时在围檩上预先算出每块板块的位置,以便随时检查校正。
2.3.3打桩时问题的处理

(1)桩打入时阻力过大不易贯入。原因主要有两方面,一是在坚实的砂层、砂砾层中沉桩,桩的阻力过大;二是钢板桩连接锁口锈蚀、变形,入土阻力大。对第一种情况,在桩尖前进方向侧削角,其坡度可取1∶2~1∶4并伴以高压冲水或改以振动法沉桩,不要用锤硬打;对第二种情况,宜加以除锈、矫正,在锁口内涂油脂,以减少阻力。

(2)桩向打设前进方向倾斜。拉森钢板桩打入时,连接锁口处的阻力相对较大,由于横断面两端受力不均衡,使钢板桩向施工前进方向倾斜。为预防这种倾斜,可在打桩前进方向的钢板桩锁口处设卡板,同时在围檩上预先算出每根钢板桩的位置,以便随时纠正。当倾斜不可避免时,纠正方法是用卷扬机和钢丝绳将板桩反向拉住后再锤击,或用特制的楔形板桩进行纠正。

(3)共连(板桩与已打人的邻桩一起下沉)。产生的原因是钢板桩曲使槽口阻力增加。处理措施是及时纠正发生板桩倾斜,把发生共连的桩与其它已打好的桩一块或数块用角钢电焊临时固定。

(4)由于基坑构造的需要,常要配备改变打桩轴线方向的特殊形状桩,即转角桩。转角桩一般采用将拉森钢板桩沿中线剖开,再根据实际需要进行组合焊接而成。
2.4钢板桩的拔除
拔桩的开始点宜离开角桩5根以上,必要时还可用跳拔的方法间隔拔除。拔桩的顺序一般与打设顺序相反。拔除钢板桩宜用振动锤或振动锤与起重机共同拔除。后者用于只用振动锤拔不出的钢板桩,需在钢板桩上设吊架,起重机在振动锤振拔的同时向上引拔。
振动锤产生强迫振动,破坏板桩与周围土体间的粘结力,依靠附加的起吊力克服拔桩阻力将桩拔出。拔桩时,可先用振动锤将锁口振松以减小与土的粘结,然后边振边拔。对较难拔的桩,亦可先用柴油锤先振打,然后再与振动锤交替进行振打和振拔。为及时回填桩孔,当将桩拔至比基础底板略高时,暂停引拔,用振动锤振动几分钟让土孔填实。当钢板桩拔除时其空隙用中粗砂或石粉充填密实。
3 基坑监测
本工程基坑支护结构在整个施工及基坑开挖过程的位移和沉降情况均进行了监测,监测结果反映,水平位移最大值为 12mm, 沉降变形最大值为8mm,均能满足设计及规范的要求,基坑开挖后未出现渗水现象,支护结构取得较好效果。
4 结语
随着城市建设的发展,地面空间越来越狭小,各类用途的地下空间在大中城市中得到开发利用。钢板桩因其高强轻质、止水性好、耐久性强、施工效率高、作业占用场地小、施工工期短、重复性好等本身固有的独特性能,在基坑支护工程方面具有广阔的市场前景。同时我国在工程领域内对环保、节约用地、抵御自然灾害方面的意识的加强,必然会推动钢板桩这种环保、节约、高效的工程产品在基础结构施工领域的应用,对其施工工艺和施工技术进行深入的研究探讨,有助于进一步推广使用。

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钢板桩挡土结构加固方法研究

李格平 1,郭畅 2,骆城 2,熊洪峰 2,3

(1.天津港航工程有限公司,天津 300457;2.交通部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室,天津 300456;3.哈尔滨工程大学船舶工程学院,哈尔滨 150001)

斜顶桩钢板桩挡土结构是依靠斜顶桩提供水平抵抗力,帽梁连接斜顶桩与钢板桩,钢板桩将上部水平力传至土层深处进而减小岸坡变形的结构型式。根据《天津港码头设施 2008年秋季调查报告》[1]可知,天津港某码头钢板桩挡土结构在恶劣的海洋环境中因锈蚀、电化学腐蚀、海浪冲刷等作用,出现了严重的锈蚀破损现象[2]。为了保障码头的安全使用,亟需对钢板桩挡土结构进行加固。

钢板桩挡土结构加固方法的研究还处于理论阶段,在经济性和施工难易度 2个指标的制约下,能用于工程实际的加固方法现在还不多见,本文运用 ANSYS有限元模型对工程实例进行数值分析,对钢板桩挡土结构加固方案进行比选,寻求能够运用于工程实际的最优加固方案。
1工程概况
码头的钢板桩挡土结构为钢板桩 +斜顶桩 +帽梁型式。挡土结构是由厚 45 cm的预应力板桩墙、55 cm×55 cm的预应力空心斜顶桩和帽梁构成的挡土墙,板桩墙和斜顶桩的连接型式为固接。板桩桩尖打至 -17.5 m,斜顶桩桩尖打至 -22.0 m,相邻斜顶桩间距为 3.5 m。其码头局部断面见图 1。
根据现场测试可知,该钢板桩挡土结构的大多数钢板桩只剩下 80%的残余厚度(钢板桩原厚度为 15 mm, 80%的残余厚度为 12 mm),部分破损严重区域的钢板桩已出现了 300 mm×500 mm的锈洞(图 2)。

2 ANSYS有限元计算模型的建立

为了准确模拟桩土之间的摩擦力,考虑各构件之间力传递的复杂性,本文采用实体单元 solid45。各构件之间的连接形式均为固接。为减小建模的难度并能划分出计算相对精确的规则网格,采用式( 1)、式( 2)对 U形钢板桩进行一定的简化。根据码头结构段的对称性,沿码头岸线方向取 3.5 m范围,岸-海方向取 83 m范围(码头前沿外 -13 m,码头前沿往后取 -70 m)。模型示意图见图 3,有限元模型网格见图 4。模型的底面设为全约束;由于模型在岸 -海方向选取了足够的长度,故不考虑 X方向的位移,模型前后两侧仅设置 X方向的约束;模型的左右两侧设为对称约束[3]。

EC IC=ES IS(1) EC AC=ES AS(2)

式中: EC、ES分别为计算弹性模量和钢的弹性模量; IS、AS分别为 U形钢板桩的惯性矩和截面面积,钢板桩的截面面积和惯性矩参照《港口工程钢结构设计规范》[4](JTJ283-99); IC、AC分别为计算模型中连续墙的惯性矩和截面面积。
3钢板桩锈蚀及破损情况的有限元分析
本文采用 ANSYS有限元分别计算了钢板桩在完好状态下、锈蚀情况下(还有 80%的残余厚度)、局部破损( 300 mm×500 mm的锈洞)情况下,在后方堆场设计荷载为 5 T/m2的竖向荷载下,土体的最大水平位移和钢板桩的最大压应力,计算结果见表 1。
由表 1可以看出:(1)钢板桩在完好状态下,表 1钢板桩在锈蚀及破损情况下的土体最大水平位移和土体的最大水平位移要比锈蚀或者破损状态的最大水平位移小得多。这是由于钢板桩在受到后方土 体压力作用时,形成了一种超静定梁的结构(上面固接在斜顶桩,下面沿 X方向支撑在土上)。钢板桩在完好状态时其刚度较大,在同样的主动土压力作用时,其变形较小,从上支座到下支座间的板桩引起的板桩另一侧的被动土压力较小,而使大多数的主动土压力在板桩的作用下传递到了土体的深处,破损 土体的最大水平位移较小;钢板桩锈蚀或者破损后其抗弯刚度下降,在土体上部对钢板桩的另一侧产生了较大的被动土压力,主动土压力就不能很好地传递到土体深处。故使土体的最大水平位移有所增加。(2)在完好状态下,钢板桩的最大压应力也比锈蚀或者破损情况下板桩的压应力要小的多,并且根据《港口工程钢结构设计规范》Q235钢材的抗弯强度设计值为 f=215 N/mm2,钢板桩在锈蚀区域板桩的应力和破损情况下锈洞附近完好板桩的应力均超过了 215 N/mm2,板桩处于不安全状态。
4钢板桩修复加固方案
修复加固方法大致可以分为局部维修加固法和设置替代挡土结构法 2大类。局部维修加固法包括补焊钢板法、局部外包加固法、降低帽梁覆盖高程法、改善墙后土体性能法等;设置替代挡土结构法包括增设地下连续墙法、增设替代钢板桩法等[5]。
钢板桩出现锈洞破损,最直接的方法就是焊接钢板修复,再作涂料防锈处理;但是补焊的钢板同钢板桩形成电偶,补焊的钢板作为阳极很快被消耗,这就导致二次锈蚀问题[6]。改善墙后土体法虽然工程造价低,但加固效果较差,主要用于新建码头,不适用于本工程。地下连续墙法、增设替代钢板桩法不仅会影响码头的正常作业,而且工程量巨大,工程造价高。
根据工程特点、预期加固效果等因素,提出帽板加固法和局部外包法 2种加固方案。通过建立 2种方法的 ANSYS有限元模型进行数值计算,并结合施工可行性和经济性推荐最优方案。

1. 1帽板加固法
2. 1.1帽板加固介绍

帽板加固法的优点是施工作业面不涉及码头面以上,无需开挖码头挡土墙后方土体,施工简便,不影响生产;缺点是会给斜顶桩增加一定的弯矩。帽板加固法具体内容和要点如下。

(1)帽板式钢筋混凝土加固体分为加固板和斜顶桩外包体 2部分,有关尺寸可在下列数据基础上进行调整:加固板长 L=3 500 mm+550 mm+300 mm=4 350 mm,根据斜顶桩间距调整;加固板厚 A=300 mm,设置净保护层 50 mm,双侧双向配筋;加固板高 H=1 500 mm,根据钢板桩顶部锈蚀破损情况,从泥面向下开挖至钢板桩剩余厚度满足要求处,加固板高度据此调整。斜顶桩外包混凝土尺寸为沿桩周外扩 150 mm,其高度与加固板同高,施工有困难时也可以略小于加固板高度。对于已经铰接外包的斜顶桩可以利用原外包体形成对加固板的支撑。

(2)为加强整体性,应在帽梁底部栽锚筋,加固板底部附近的钢板桩上焊拉筋,其他高度焊抗剪器。所以焊接金属均应处于加固混凝土保护内。

4.1.2帽板加固法的有限元分析
考虑到泥面以下的钢板桩尚可发挥剩余作用,直接在钢板桩锈洞位置采用帽板式钢筋混凝土加固,将尚能工作的钢板桩通过加固体与斜顶桩连接起来,帽板加固法方案见图 5。计算得到帽梁加固法下土体的最大侧向位移为 14.7 mm,说明采用帽板加固法能够将锈洞以下的钢板桩与帽梁的共同作用重新建立关系。土体的侧向位移见图 6。通过计算得到钢板桩的最大压应力为 195 N/mm2,小于 Q235钢材的抗弯强度设计值为 f=215 N/mm2,板桩处于安全状态。但是钢板桩在土体竖向摩擦力的作用下下沉,会使斜顶桩受到很大的弯矩,帽板加固法使原本斜顶桩产生的抵抗主动土压力的水平力作用点向下移,进一步增大了斜顶桩受到的弯矩;虽然帽板加固法对斜顶桩上部进行了外包加固,但是结合第一主应力和第三主应力,斜顶桩加固桩帽的底部受力相对集中,第一主应力和第三主应力的最大值均出现在这个位置,其中第一主应力最大值为 34 MPa,第三主应力最大值为 37.6 MPa。这是斜顶桩在上述弯矩作用下的结果,虽然斜顶桩受到的水平力会产生一定的反弯矩,斜顶桩受到的弯矩会沿帽梁底部向下有一定的降低,但是在斜顶桩加固桩帽底部的弯矩还未减小到安全弯矩,故还应对斜顶桩进行一定的加固,即通过计算在帽板加固法加固桩帽的底部一定长度内再进行外包加固。外包桩帽、浇筑帽板以及结构的不规则性使钢筋配置和尺寸确定比较繁琐。

1.2 局部外包法
2.2.1 局部外包法介绍考虑到帽板加固法中斜顶桩的受弯特性和现场施工难度,提出了对破损钢板桩采用钢筋混凝土局部外包法。该方法优点是施工可操作性强,不会影响斜顶桩的受力性能;缺点是利用了原部分锈损的钢板桩。局部外包法方案要点如下:
(1)用钢筋混凝土板加固钢板桩锈蚀破损部分(类似 “夹板法 ”接骨处理);
(2)在钢板桩破损上下焊接锚筋生根,使其与外包体形成整体作用,共同受力;
(3)在钢板桩原排水孔位置,依然预留排水孔;
(4)加固体底部可按极端低水位 -1.29 m设计;
(5)如采用干法施工,需局部掀开码头后承台一跨面板,进行深层支护施工,清泥形成施工作业面,然后浇筑钢筋混凝土加固体。
4.2.2 局部外包法的有限元分析钢板桩局部外包方案是在钢板桩产生锈洞的位置,对钢板桩进行局部加固,使钢板桩恢复到需要的强度和状态。局部外包法方案见图 7。
计算得到帽梁加固方法下土体的最大侧向位移为 14.68 mm,说明采用局部法能够将锈洞上下的钢板桩连接起来,使钢板桩接岸结构体系的共同作用得到恢复。土体的侧向位移见图 8。通过有限元得到局部外包法下的钢板桩弯矩图(图 9)和轴力图(图 10),[7]得到钢板桩的最大压应力为 93 N/mm2然后根据式( 3)(高程-2 m处),处于安全状态。

对局部外包法加固后的混凝土构件(帽梁结构和加固体)进行应力分析,通过分析第一主应力图可知,加固混凝土体的海侧方向是受拉的主要区域,最大第一主应力出现在加固体顶端,最大值为 2.37 MPa,超过了抗拉强度 1.78 MPa,但范围较小,但是加固体在向海侧配有钢筋,只要适当增加配筋率便能满足抗拉条 件。由第三主应力分析可知,主要受压区域为斜顶桩与帽梁连接处和加固体的岸侧,但是应力值都相对较小,对结构没有影响。
5结论
本文针对天津港某码头钢板桩锈蚀破损特征并考虑加固的经济性、施工可行性等因素,提出了 2种加固比选方案:帽板加固法和局部外包法。综合有限元计算分析结果,帽板加固法可以将泥面以下的钢板桩与斜顶桩和帽梁连接起来,重新实现了接岸结构的功能,但是斜顶桩桩帽位置加固体的受力较大。局部外包是在钢板桩产生锈洞的位置采用钢筋混凝土外包,计算接岸结构变形特征分析结果表明,其加固效果也可基本达到钢板桩完好情况的水平,钢板桩及结构的受力也能满足要求。
综合以上加固方案的特点及数值分析结果,推荐在钢板桩产生锈洞位置采用局部外包法对钢板桩进行加固,该方案施工难度相对较低、可操作性较强、工程量小、不影响码头的正常作业,且加固后接岸结构的变形和受力也能满足使用要求。

参考文献:

[1]刘现鹏,张强.天津港码头设施 2008年秋季调查报告[ R].天津:交通部天津水运工程科学研究所, 2008.

[2]朱锡昶,李岩,葛燕,等.使用 20年岸壁式钢板桩码头的腐蚀与破坏[ J].港工技术,2008(4): 31-34. ZHUX C,LI Y,GE Y,et al. Corrosion and Failure of Steel Plate Piles of Quay Pier after Using Twenty Years[J].Port Engineering Technology,2008(4): 31-34.

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[5]沈运峰,凌炯浩,郭启泉,等.某钢板桩码头的大修技术[ J].水运工程,1991(6): 13-17. SHEN Y F,LING J H,GUO Q Q,et al. Overhaul Technique for a Sheet-pile Wharf[J].Port & Waterway Engineering,1991(6): 13-17.

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[7]苏翼林,赵志刚,王燕群,等.材料力学[ M].天津:天津大学出版社,2001.

Research on reinforcement method of steel sheet pile retaining structure
LI Ge-ping1,GUO Chang2,LUO Cheng2,XIONG Hong-feng2,3(1.Tianjin Port & Channel Engineering Co. LTD.,Tianjin 300457,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Harbor & Marine Structure Safety,Ministry of Communications,Tianjin 300456,China;3.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)
Abstract:Based on the problem of serious corrosion for steel sheet pile in Tianjin Port under severe ocean
conditions,a numerical computational model concerning the interaction between the steel sheet pile and the soil
was established using the ANSYS software. Then structure safety of the steel sheet pile under conditions of
corrosion and localized damage was analyzed.Besides,the soil movement and the force distribution were gained
through FEM computational analysis of cap reinforcement and local reinforcement.Finally the local reinforcement
is proved to be optimal by combining the feasibility and economy performance.
Key words:steel sheet pile;ANSYS;cap reinforcement;local reinforcement

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格形钢板桩码头结构加固改造方案研究-──广州港新沙港区 #2,#3泊位码头前沿水域浚深方案设计

冯海波,曾建辉(中交第二航务工程勘察设计院有限公司广州分公司,广东广州 511442)

摘要:结合广州港新沙港区 #2,#3泊位码头前沿停泊水域浚深方案设计,从技术可行性、结构安全性以及改造方案的经济合理性和可操作性等方面入手,对格型钢板桩码头结构加固改造的设计思路和方法进行了系统的分析与比对研究,提出了一套关于格型钢板桩码头结构复核分析计算方法和改造加固方案,供业内同行参考。

Structure strengthening and reconstruction scheme of cellular steel sheet pile wharf: wharf apron deepening dredging scheme design of berths #2 & #3 of Guangzhou Xinsha Port
FENG Hai-bo, ZENG Jian-hui
(Guangzhou Branch, CCCC Second Harbor Consultants Co., Ltd., Guangzhou 511442, China)
Abstract: Based on a systematic analysis and comparison of the design ideas and methods of strengthening and reconstruction of cellular steel sheet pile wharf structure from the feasibility of the technology, structural safety, as well as the reasonability of economy and operatability of the reconstruction scheme combining the deepening dredging scheme design of berths #2 & #3 of Guangzhou Xinsha Port, we propose a set of analysis and calculation methods for the rechecking, strengthening and reconstruction scheme of cellular steel sheet piles.
Key words: cellular steel sheet pile; water area deepening dredging; wharf structure strengthening and reconstruction

广州港新沙港区 #1~#5泊位建设规模均为 竞争能力,便成为全国各大港口尤其是老(旧)3.5万吨级散货泊位,是我国利用世界银行贷款按 码头普遍的、必然的,同时也是最经济、最快捷FIDIC条款建设的国家 “七•五”重点工程,也是的途径。交通运输部 “关于沿海港口码头结构加我国首次采用格形钢板桩结构技术建造的岸壁式固改造有关事宜的通告 ”(2009年第 4号)对此提出大型散货码头。于 20世纪 90年代初建成投产,了具体而严格的要求,以进一步规范管理老(旧)至今已近 20年。码头结构加固改造工作。

近年来,随着码头装卸业务不断发展尤其是广州港进港航道通航条件的不断改善尤其是到港船舶越来越大型化的客观需要,通过码头主航道二、三期疏浚工程的相继完成, 5万~10万吨体结构的加固改造以改善和提高现有码头结构靠级船舶已能在乘潮、减载等条件下安全到达各港泊能力和泊位通过能力、改善港口作业条件、增区,这为进一步挖掘各港区现有泊位码头的靠泊强港口对不断变化的市场环境的适应能力和行业及装卸作业潜力提供了良好的通航条件。因此,新沙港区也根据业务发展需要,提出综合整改措施:将 #2,#3泊位前沿停泊水域底高程由原设计的-12.50 m浚深至 -13.50 m;考虑 10万吨级散货船舶的船舶荷载,对码头主体结构从构造和承载能力等方面进行复核、验算;并根据结构安全性验算需要,采取相应的结构加固改造等工程措施,以确保港池浚深后码头主体结构的整体稳定性和结构安全性能满足现行行业标准的规定和要求。

1工程概况
广州港新沙港区 #1~#5泊位码头前沿设计底高程-12.50 m(当地理论最低潮面,下同),码头面顶高程 4.4 m,主体结构为直腹式格形钢板桩满堂式圆形格仓,主格仓直径 21 m,中心距 25 m,副格仓直径 8m,前板桩底高程 -16.5 m,后板桩底高程 -14.50 m,格仓内和格仓后回填砂,格仓基础为换填密实中粗砂,码头面为现浇混凝土大板结构,参见码头格仓平面大样(图 1)和码头格仓墙体设计断面(图 2)。

图 1码头格仓平面大样图 1码头格仓平面大样
图 2	码头格仓墙体设计断面图 2 码头格仓墙体设计断面
按照现行 JTJ 293—1998《格形钢板桩码头设计与施工规程》中关于 “对于密实砂层地基,前板桩入土深度不宜大于 3m”以及 “后板桩底高程应在码头前沿设计泥面高程以下 1~2 m”等关于格型钢板桩码头的结构构造设计原则,考虑码头前沿停泊水域浚深 1.0 m达到 -13.5 m,构造上满足规范要求,技术上可行,但最新勘察资料显示格仓墙后回填砂内摩擦角平均为 26°,整体稳定性验算结果表明格形墙体抗剪切稳定性不满足现行规范要求,需要采取适当的工程措施后才能对码头前沿水域进行浚深。

2格形墙体抗剪切稳定性影响因素分析
2.1 影响因素分析及对策根据 JTJ 293—1998《格形钢板桩码头设计与施工规程》[1]有关规定,格型钢板桩码头格形墙体抗剪切稳定性要求抵抗力矩与倾覆力矩满足一定关系,即:格仓填料和板桩锁口摩擦力对墙体计算底面处产生的抵抗力矩 Mt与计算底面上墙体背后的荷载对墙体计算底面处产生的倾覆力矩 Md之间需满足如下关系:
Mt -Md≥0

图 3	格形墙体抗剪切稳定性验算示意
图 3 格形墙体抗剪切稳定性验算示意

从图 3可见,影响格形墙体整体抗剪切稳定要途径有二:一是加固改造格形墙体结构以提高性的因素可归结为两大类: 1)提供格形墙体抵抗其整体抵抗力矩,二是采取适当的工程措施降低力矩的结构性因素,包括格型钢板桩的锁扣质量格墙后外部作用水平进而降低其对格仓墙体所产以及格仓内回填料的抗剪切指标; 2)对格仓墙体生的倾覆力矩效应。产生倾覆力矩作用效应的 “荷载作用 ”因素,包针对新沙港区 #2,#3泊位码头前沿浚深 1.0 m括格仓墙体后方回填料产生的主动土压力、剩余的使用要求,在不改变格型钢板桩本身结构前提水压力、码头面荷载等。下,欲提高墙体整体抗剪切稳定性,归纳起来有 6个措施。

于是,提高格形墙体结构抗剪切稳定性的主种工程措施可供选择(表 1)。表 1提高墙体整体抗剪切稳定性的工程措施

序号工程措施主要特征

格仓内材料换填。即用抗剪切能力更强的块石部分或全部替换需停产施工,需要大面积拆除格仓顶上部结构以及部分固定设格仓内原有的回填砂,以提高格形墙体本身的抗剪切能力。施,存在施工期格仓体的稳定性降低隐患。

格仓内材料改良加固。即对格仓内原有回填砂直接进行改良处理(如水泥旋喷桩、水泥搅拌桩等),以提高格形墙体本身的抗剪切能力。

墙后部分填料换填。即用抗剪切能力更强的块石替换格仓后方需停产施工,需要拆除格仓后方的输煤廊道以及其它码头面设一定范围内原有的回填砂,以减小墙后主动土压力。

格仓后部分填料改良加固。即对格仓后一定范围内的回填砂进旋喷 桩方案实施不需停产,施工机具小,作业场地小;搅拌桩行改良处理(如水泥旋喷桩、水泥搅拌桩等),以减小墙后主方案需要大型施工机具,机架高,作业场地较大;需要分段拆动土压力。除输煤廊道,需分段停产施工。

格仓后增设减压结构。即在格仓后方设置剪力墙(如水泥搅拌墙、灌注排桩、地连墙等),以减小墙后主动土压力对格仓墙体的直接作用。

降低码头面原设计荷载标准,即限载使用。

需停产施工;需要部分拆除格仓顶上部结构以和固定设施;水泥搅拌桩方案需要大型施工机具,机架高,作业场地较大。

需要大型施工机具,机架高,作业场地较大;需要分段停产施工。

无具体结构加固或改造措施,限制码头荷载,极端情况下存在结构整体稳定性安全隐患。
以上措施中,措施 1和 2为直接提高格仓墙体结构本身的整体抗剪切能力以增强抵抗力矩,措施 3,4,5主要是提高格仓墙体后方回填料的抗剪切能力以降低墙后的主动土压力作用效应进而降低倾覆力矩,措施 6则是以降低码头使用条件来满足主体结构的稳定性要求。对于新沙港区 #2,#3泊位前沿浚深方案,几种措施技术上都是可行的,但各有优缺点,具体采用哪种措施则需要根据工程具体情况,从技术可行性、结构安全性、经济合理性等方面分析比较,慎重选择。

2.2工程措施的选用
根据广州港新沙港区 #2,#3泊位码头实际运营情况和业主要求,码头前沿水域浚深和改善格仓墙体抗剪整体稳定性的工程措施需服从以下原则:
1 )码头前沿水域底高程从 -12.5 m浚深到 -13.5 m;
2 )码头主体结构承载能力需按照现行行业规范和标准考虑 10万吨级散货船的船舶荷载作用;

3 )不改变码头前沿线位置,不大规模改造码头主体结构即格型钢板桩结构本身;

4 )基本不停产,不影响码头面工艺设施的正常运行,对码头装卸作业影响最小。

综上,针对新沙港区 #2,#3泊位前沿水域浚深要求,经技术经济比较后,选择采用格仓墙体后方局部范围内的回填砂旋喷桩改良地基处理方案。

3旋喷法改良地基处理方案

3.1方案简述

根据以往的工程实际经验,结合本工程地基改良要求以及施工环境条件的局限性等因素,拟采用旋喷桩单桩加固直径为 1 500 mm,桩间距 1 500 mm,最大桩长 11.00 m,为了节省投资,在满足结构稳定性等安全需要的前提条件下,旋喷桩采用了梯级布置方式,详见图 4所示。

3.2改良处理后复合土体密度和内摩擦角的确定

1)改良处理后复合土体密度 ρ值的确定。

图 4码头后方旋喷桩法改良地基处理断面及桩位布置b)旋喷桩平面布置示意
图 4码头后方旋喷桩法改良地基处理断面及桩位布置

根据图 4所示的旋喷桩布置方案,改良土与原状回填砂面积比分别约为 75%和 25%,即格仓后改良处理部分土体的置换率为 75%。改良土体密度 ρ按 2.0 g/cm3考虑。另外,地质勘察资料揭示格墙后回填砂密度 ρ为 1.8 g/cm3,根据改良处理后改良土体对原土体的置换比例,采用加权平均法计算得墙后回填砂改良后复合土体密度 ρ约为 1.95 g/cm3,用以验算格型墙体整体稳定性。

2)改良处理后复合土体内摩擦角准的确定。
高压喷浆加固土体与水泥搅拌法、注浆法等加固机理近似,主要作用是提高土体承载力、减小沉降和差异沉降,高压喷浆还应用于已有建筑物补强、纠偏等,实际工程中加固土体以增加土体承载力为主,故无侧限抗压强度静载试验资料较多,而其土体的黏聚力、内摩擦角的试验成果及相关研究较少,而确定改良加固土体 C,准值的资料偏少,因此在地基整体稳定性分析中一般采用总强度的概念,即总强度取 1/10~1/15无侧限抗压强度。
参考《地基处理手册》[4]中关于旋喷桩法加固土体强度的有关统计资料,采用三重管法对砂性土的加固强度一般可达 2.0~15.0 MPa。根据工程实例调查,在浙江宁波某工程中采用高压旋喷桩法工后实测桩体强度在 1.46~3.01 MPa;在华南某船坞工程中采用高压旋喷桩法工后实测桩体强度则在 2.50~4.30 MPa。
结合本工程中格仓墙体整体稳定性对土体加固的实际需求以及所采用的旋喷桩改良处理方案的工程实际经验,本次方案设计中旋喷桩强度要求达到 1.5 MPa。

参照 JTJ 250—1998《港口工程地基规范》[2],采用旋喷法、水上深层水泥搅拌法等工艺形成的复合土体其加固体抗剪强度为抗压强度的 1/10且≤0.2 MPa。作为改良加固工程,考虑实施过程中的一些不可预见的影响因素,在计算参数取值上宜考虑尽可能预留更大的富裕空间,因此,本方案设计中改良加固土体抗剪强度 C按土体加固强度 1/15考虑,加固体强度按 1.0 MPa计算,即 C=1/15 MPa=66.7 kPa。

考虑加固处理后后方土体综合 C,准值由加固体值与原土体值按置换率加权平均,其中加固体准和原回填砂土体 C值按 0计算,上节计算已知加固复合土体密度 ρ为 1.95 g/cm3,计算结果如下:
加固后土体综合 C值: C =0.75 ×66.70 kPa =
50.03 kPa
加固后土体综合准值:准=26°×0.25=6.5° Ka=tan(45°-准 )2=tan(45°-6.5° )2=0.80 22
σa =ρzKa-2C姨Ka=30.10 kPa
若加固后综合土体采用等代内摩擦角准≠0时,则 C=0,依据相同土体对同一结构产生的主动土压力相等原则,即有以下关系:
σa =∑ρiHiKa(其中 ∑ρiHi=151.1 kPa)
则 Ka=0.20即得准=41.8°
综合以上分析计算,同时考虑施工可靠度及保证结构安全度,改良处理后复合土体综合内摩擦角按准=40°、密度 ρ按 1.95 g/cm3考虑。
根据上述确定改良后复合地基土力学指标,按 JTJ293—1998《格形钢板桩码头设计与施工规程》[1]有关规定,经过分析验算,自格型钢板桩后沿往后 15 m范围内回填砂进行改良地基处理并满足上述技术指标要求再进行前沿水域的浚深施工,格形墙体的抗剪、抗倾、抗滑、整体稳定性以及钢板桩环向抗拉强度等均满足规范中相应的要求。

4 结语
格形钢板桩码头在我国工程实例少,设计、施工以及使用经验均不丰富,加固改造方案设计必须满足现行设计规范、规程的相关规定和要求,同时,应合理采用相对比较成熟的有一定工程实践经验的新技术、新材料、新工艺,提出安全可靠、经济合理、实施方便快捷、对码头营运影响尽可能小的结构加固改造方案。
本文在对以往工程经验的总结与归纳基础上,充分考虑了码头主体结构现状以及业主要求,针对格型钢板桩码头前沿水域浚深 1.0 m的改造目标,提出了格仓后一定范围内回填砂水泥旋喷桩法改良加固处理方案,并对改良加固后的复合地基土力学指标计算取值方法从理论和实际工程经验上进行了比对分析。整个工程方案的实施基本不需要停产,不拆除现有工艺设备设施、对码头面破坏最少、易于修复,符合结构安全可靠、满足使用要求、工程措施经济合理、实施方便快捷等改造的基本原则和要求。

同时,通过以上方案设计过程中的调查研究,对老(旧)码头结构加固改造设计工作有如下几点体会,值得业内人士在遇到类似问题时参考。
1 )须深刻理解并贯彻交通运输部 2009年第 4号文有关要求的精神实质,严格区分与 “码头靠泊能力核查论证 ”工作内容和工作重点之间的区别;
2 )必须全面了解掌握码头原设计标准、建设和使用前提条件、建成投产营运状况、主体结构各构件承载能力和耐久性现状、码头面装卸设备尤其是固定设备设施状态;
3 )根据码头结构加固改造目标,按现行行业规范和有关标准复核码头主体结构的安全性并在此基础上提出码头结构加固改造方案的同时,还需对码头水域作业环境、装卸工艺、消防与环境保护等配套设施做出有针对性的适应性评估,并提出相应的合理化建议。

参考文献:

[1] JTJ 293—1998格形钢板桩码头设计与施工规程[S].

[2] JTJ 250—1998港口工程地基规范[S].

[3] DBJ 15-38—2005建筑地基处理技术规范[S].

[4] 龚晓楠.地基处理手册 [M]. 3版.北京 :中国建筑工业出版社, 2008.

[5] 任根洪 .高压双管旋喷桩注浆技术在中船龙穴造船基地民船区造船坞围堰中的应用[J].广东科技 , 2009(6): 203-204.

[6] 蔡红星 ,范建明 .高压旋喷桩在浙江某码头后方软基处理中的应用[J].水运工程, 2007(4): 74-77.

[7] 董兆松.高压旋喷桩施工技术 [J].公路与汽运 , 2007(5): 166-168.

[8] 苏弦 .高压旋喷桩复合地基的设计与施工[C]//第二届全国岩土与工程学术大会论文集(下册) .北京 :科学出版社, 2006: 545-550.

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拱北河特大桥水中墩钢板桩围堰承台施工技术 拱北河特大桥水中墩钢板桩围堰承台施工技术

贺文波(铁道部监督总站广州监督站)

摘要:本文总结了广珠项目拱北河特大桥钢板桩围堰施工深水区域的水中承台的施工经验,为今后类似工程施工提供了可行性的建议和经验。

1工程概况

1.1桥址

拱北河特大桥104#~107#墩位于小榄镇与古镇镇交界处的拱北河河道中。

1.2水文情况及通航要求

拱北河河面宽约200m,水流速度 0.1~0.7m/s,涨落潮不大于0.5m,最深水深10.6m,实测水位为1.28m,最高水位为 2.344m,拱北河为通航河道,航道等级为Ⅶ级航道,最高通航水位为 2.244m,施工通航净高3.5m,通航净宽 18m。

1.3气象

历年平均气温 21.8 ℃,1月份平均气温 13.3 ℃,7月份平均气温 28.4 ℃,历年极端最高气温 36.7 ℃,历年极端最低气温 -1.3℃。年平均降水量 1594~2312mm,最大 2413~3326mm,最小 935~1487mm,日最大降水量 284.9mm。年平均相对湿度 77%。年平均风速 2.3~2.6m/s,风向一般为冬季盛行北风或东北风,夏季则以东南风和西南风为主,台风登陆地区,平均最大风速达 25~32m/s,冬季最大风速达 14~18m/s。

1.4结构形式

拱北河特桥 104#-107#墩共有承台 4个,按平面尺寸分别有: 750×1080cm(104#、107#墩)、800×1500cm(105#、106#)两种。根据水中承台标高表可知 104#墩承台埋入河床分别为 0.542m,105#、106#墩承台底面离河床面分别为:1.395m,1.778m,承台在水中的深度分别为:8.699m,8.986m,107#墩底面离河床面 2.011m,承台在水中的深度为 5.953m。具体标高标见表 1。

工程部位

承台底面标高

承台顶面标高

河床面标高

最高水位标高

水位与承台底面高差

埋入河床深度

104#

-1.862

1.638

-1.32

2.344

4.206

0.542

105#

-6.325

-1.325

-7.72

2.344

8.669

-1.395

106#

-6.642

-1.642

-8.42

2.344

8.986

-1.778

107#

-3.609

-0.109

-5.62

2.344

5.953

-2.011

1水中承台标高

1.5工程地质条件

根据勘察揭示,按其成因和时代分类主要有:第四系全新统海陆交互相(Q4mc)、第四系全新统河流相冲积层(Q4al)、下伏基岩为白垩系泥质粉砂岩及砂砾岩、砾岩(K)。拱北河河道中各墩位的地质情况如表 2。

104#

105#

106#

107#

108#

地质层

厚度(m)

地质层

厚度(m)

地质层

厚度(m)

地质层

厚度(m)

地质层

厚度(m)

淤泥质粘土

2

淤泥质粘土

12.8

淤泥质粘土

13

淤泥质粘土

14.7

粉砂

6.95

粉砂

4

粉砂

4.1

粉砂

3.9

粉砂

4.1

淤泥质粘土

9.6

淤泥质粘土

15.6

砾砂

7.4

砾砂

7.8

砾砂

7.9

粉质粘土

1.7

砾砂

10.3

基岩强风化

3.8

基岩强风化

3.1

基岩强风化

1.2

粉砂

2.7

基岩全风化

0.6

基岩弱风化

基岩弱风化

基岩弱风化

砾砂

9.3

2 104#~108墩地质对照

2钢板桩围堰结构设计

根据施工条件及施工经验,104#~107#墩水中承台采用钢板桩围堰施工,钢板桩选用 FSPIII型。
104#墩采用总长为 12m的钢板桩,围囹及内支撑系统设置 2层,具体见图 2、图3。
105#墩、106#墩采用总长为 24m的钢板桩,围囹及内支撑系统设置 3层,具体见图 4、图5。

107#墩采用总长为 18m的钢板桩,围囹及内支撑系统设置 2层,具体见图 6。

3总体施工方案

104#~107#墩承台采用 FSPIII型钢板桩进行围堰,型钢作为围囹及支撑系统,采用 C20水下混凝土进行封底作业,组合大块钢模作为承台模型,人工绑扎钢筋,泵车灌注混凝土的施工方法。采用浮吊船进行材料的水平及垂直运输,利用栈桥进行施工人员的水平运输。
105#、106#墩承台分 2次浇筑,第一次浇筑 2m高,第二次浇筑剩余部分。104#、107#墩承台分 2次浇筑,第一次浇筑2.5m,第二次浇筑剩余部分。
施工流水:由于本桥施工工期紧张,4个承台均采用单工序作业,即投入 4套施工资源,分别施工 4个承台。混凝土由搅拌站拌制,采用罐车运送倒对应的河堤,采用泵车进行混凝土浇筑。电力供应自变压器下线后,用电缆通过栈桥引入墩位。通讯采用移动电话和对讲机进行联系。

4承台施工工艺

由于四个承台的施工工艺基本相同,现就 105#墩的施工工艺进行阐述。

4.1钢板桩插打

钢板桩采用吊机配合振动锤进行插打,插打次序从上游开始,在下游合拢,每边由一角插打至另一角。插打钢板桩时要严格控制好桩的垂直度,尤其是第一根桩要从两个相互垂直的方向同时控制,确保垂直不偏。插打一块或几块桩稳定后即与导向架进行联系,钢板桩与内外导向架之间的间隙,用桑、槐等硬木块赛紧。

4.2封底混凝土浇筑

在围堰内吸泥至设计封底混凝土底面高程后(如河床面标高低于封底混凝土低面高层时,回填碎石到封底混凝土底面高程),潜水员采用砂袋铺平底面,再采用灌注水下混凝土的方法,灌注封底混凝土,封底混凝土的厚度经计算确定1.3m,混凝土标号采用 C20。

4.3围囹设备及安装

钢板桩围堰用工字钢作为围囹,其主要作用是作为钢板桩围堰的内部支撑,直接承受钢板桩传来的水压力。
钢板桩围堰围囹在水面标高低于围囹设计标高时进行安装,安装顺序从上层到下层进行,且下 2层围囹材料要提前采用钢丝绳悬吊与钢管桩上,围囹的各构件的连接均采用焊接,且要保持整体稳定性。

4.4抽水、堵漏

在封底混凝土达到设计强度后,进行抽水、堵漏作业。抽水采用大功率抽水机,在抽水过程中要按照设计要求设置支撑系统,保证围堰的稳定性。围堰施工的关键在于止水、防渗。材料进场时,经过检查的钢板桩在打设施工过程中也会出现锁口不密以及卷口等现象而导致渗水,此时可在围堰内、外侧进行处理。安排潜水工摸清渗漏所在,即在围堰外洒锯木屑等利用水流渗透进漏缝,或在围堰外利用麻绒、棉絮甚至板条堵塞。

4.5凿除钻孔桩头

在堵漏完成后,割除护筒,且采用人工配备风镐凿除钻孔桩头混凝土,严格控制凿除深度,但必须保证凿除至新鲜密实混凝土面且达到桩顶设计标高。

4.6承台钢筋施工

钢筋在钢筋场统一加工,运送到施工现场绑扎成型,承台钢筋分 2次进行绑扎。承台钢筋绑扎过程中按设计图纸位置预埋好墩身钢筋。并按照设计要求安装好综合接地的有关构件,在浇筑混凝土前要对接地电阻进行测试,电阻不能大于 1欧姆。

4.7承台模板施工

承台均采用定型钢模,由专业钢模板生产厂家制作。在制作过程中,对其表面光洁度、拼装精度、模板的强度和刚度要严格控制,派专人监制。模板运到现场后,要及时组织试拼,使模板安装误差符合要求。
模型采用人工配合吊车进行安装,在安装过程中要保证模型的垂直度,控制中线位置、高程,使其精度满足规范要求。模板拼缝横平竖直,板缝严密不漏浆。模型上部设置 φ16mm的拉杆进行加固,在模型与钢板桩之间采用钢管支撑牢固。

4.8承台混凝土浇注及养护

混凝土振捣采用插入式振捣器,振捣深度超过每层的接触面 5~10cm,使混凝土具有良好的连接性和密实度。在振捣过程中要防止漏振,过振,确保质量良好。振捣时,振动棒垂直插入,快入慢出,其移动间距不大于振动棒的作用半径 1.5倍。振捣时的插入点要均匀,成行或交错式前进,以免过振或漏振,振动棒振动时间约 20~30s,每一次振动完毕后,边振动边徐徐拔出振动棒。以混凝土不再下沉、无气泡冒出、表面泛光为度,振捣时注意不要碰松模板。
在承台混凝土灌注完毕后,进行抹面收浆;待混凝土初凝后用二层草袋一层尼龙薄膜覆盖,进行养护,以保证承台表面温度不至于变化过大,减少承台中心与表面的温度差。
每次灌注混凝土必须按规范要求进行取样,并指定专人填写混凝土施工记录,详细记录原材料质量、混凝土的配合比、坍落度、拌合质量、混凝土的浇筑和振捣方法、浇筑进度和浇筑过程出现的问题等,以备检查。

4.9承台施工工艺流程图(见图 8)

5施工注意事项

⑴待钢板桩插打到承台角点位置时,要采用特制的异形钢板桩进行处理,如没有异形钢板桩可采用两块钢板桩进行焊接,但要保证焊缝的质量,必要时可采用钢板或型钢进行加强补焊。
⑵在进行封底混凝土浇筑前及浇筑过程中,测量人员要加强标高的观测,控制封底混凝土的厚度及封底混凝土顶面的标高。在封底混凝土浇筑情况要及时采用水玻璃砂浆进行补漏。
⑷由于本桥水中承台施工的支撑系统有效地利用了桩基施工平台的钢管柱进行支撑,如没有钢管柱需加强围囹及支撑系统。
⑸待封底混凝土达到强度后,必须组织满足要求抽水泵进行抽水,且要连续作业直到达到止水效果。住宅质量通病控制标准要求实施,不得偷工减料。细石混凝土刚性防水层虽不直接影响结构安全,但其施工也应参照屋面板混凝土浇筑程序进行,这样才能确保质量。

6取得的经济效益和社会效益

钢板桩围堰施工在广珠项目拱北河特大桥水中得到了成功运用。该施工工艺不但操作简单,而且提高施工速度可以节约成本。拱北河特大桥104#-107#墩采用钢板桩施工相对与钢套箱施工共节约成本 10万元左右。由于在施工过程中钢板桩围堰施工的止水效果良好,且均一次施工到位,得到了广珠线的业主、监理单位的一致好评。通过对拱北河特大桥 104#-107#墩水中墩钢板桩围堰承台施工的经验总结,也为施工类似工程提供了宝贵经验。

7结束语

本钢板桩围堰施工技术是一种操作简单、安全的一种深水承台施工工艺,可以在其他类似条件的工程施工中推广使用。
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