蔷薇河双层钢板桩围堰稳定性校核

■ 水利建设与管理兰竺!!生：苎! ．．塑 蔷薇河双层钢祓桩围堰稳定吐生校核 闵万新 王 辉 曹志洋 (江苏省淮沭新河管理处 淮安 223005) 【摘 要】 本文阐述了蔷薇河地涵双层钢围堰施工过程中因为地质、施工条件限制等影响，造成蔷薇河上游侧双 层钢板桩围堰没有打到设计高程，基坑开挖前的安全性校核及实施中应用情况。 【关键词】 双层钢板桩 稳定性 校核 蔷薇河地涵是穿越蔷薇河向连云港市东海县送水的 关键工程，建成于1959年。涵洞长205m，共4孑L，设计流 量为65m ／s，该地涵为倒虹吸浆砌块石结构。工程运行 50年，病害现象突出，2009年9月16日，开始原址拆除重 建。由于蔷薇河地涵在原址拆建，需要四道围堰以封闭蔷 薇河、上下游洞首，满足干地施工，其中蔷薇河上游 侧、地涵上游侧为双层钢板桩围堰，蔷薇河下游侧、地涵下 游侧为土方围堰。由于地质条件、现场施工场地限制等原 因，造成蔷薇河上游侧双层钢板桩围堰没有打到设计高 程，基坑开挖前必须校核该双层钢板桩围堰的安全性。 1 钢板桩围堰现状断面 1．1 设计断面 蔷薇河地涵洞身上游围堰采用钢板桩围堰。施工期 蔷薇河10年一遇最高水位为4．13m，正常施工期水位为 3．OOm，河底高程为一0．50m，淤深1．Om，计算基准面高程 一 1．50m。以施工期正常水位来计算两桩距离和桩底高 程，以上游最高水位为4．13m来确定桩顶高程。确定桩顶 设计高程为5．Om，桩底高程为一7．Om，桩间填土面高程 5．OOm，拉锚安装高程为4．70m。计算基准面以上，双排钢 板桩之间拟采用壤土填实，填土顶高程同桩顶高程。 一 一l ：QQ ：!Q 最高水1立413一 1 50 围堰外侧 填土 ＼ 姑 ＼ k-7—0 50 —O 50 ＼ | | | | f - 1 50 -1 50 KsP一Ⅳ型钢板桩 原状土 sKSP一Ⅳ型钢板桩 桩长12 Om ＼ ／ 桩长12 Om =!： =!： 图1 蔷薇河上游双层钢板桩围堰设计断面 1．2 实际施工断面 蔷薇河上游双层钢板桩围堰施工断面详见图2。 1．3 存在的问题 根据地质勘察报告分析，高程一4．Om以下地基土层 · 22· 为④层粉质粘土，局部夹礓结石，在钢板桩施工过程中，当 桩头入土至高程一4．Om以下后，继续进桩比较困难，致使 钢板桩未达到原招标设计要求，目前钢板桩顶高程大多为 6．Om，与设计要求桩顶高程相差 1m(原招标设计中蔷薇 闵万新等／蔷薇河双层钢板桩围堰稳定性校核 围堰外侧 星童 焦 ：! Z= ： 淤土层 X--／6．0--6 — ．3 — X--75 1(填土 4 4(钢围檩) 辽 -二 ＼ 清淤后填戗台 X-'7—1 5 原状土 第1层土 第4层土 图2 蔷薇河上游双层钢板桩围堰施工断面 河上游钢板桩围堰顶高程为5．Om，底高程为一7．Om)。原 招标设计中蔷薇河上游钢板桩围堰位于地质勘察剖面1-1 处，该地质剖面距离涵洞左侧边墙约 40m。由于东海县 lOkV尚仁线高压供电线路处于地质勘察1-1剖面的正上 方，为了确保钢板桩施工安全，2009年9月 18日，工程参 建各方经现场勘查、讨论后，同意将钢板桩位置向蔷薇河 下游移动，实际施工钢板桩围堰中心线距离涵洞左侧边墙 约24—29m，距离地质勘察2-2剖面约17～21m，即钢板桩 围堰实际位置处于地质勘察 1-1、2-2剖面之间，且距离基 坑开挖外边缘线仅 4～8m。 目前该钢板桩围堰存在的问题： a．从地质勘察1-1、2-2剖面分析，1-1剖面揭示蔷薇河 河床地基土层基本没有①层回填土，而2-2剖面揭示蔷薇 河河床地基土层在高程一7．0～一8．7m均为①层回填土， 即2．2剖面完全位于蔷薇河老地涵开挖线之内。而蔷薇 河钢板桩位于 1-1、2-2剖面之间，是否也全部或部分位 — 一 5 5 — 8 7 老涵洞侧墙 薇河老地涵施工回填土上，从地质勘察报告无从得知。 b．钢板桩未达到原招标设计要求，目前钢板桩顶高 程大多为6．Om，与设计要求桩顶高程相差1 m。 c．钢板桩围堰实际位置距离基坑开挖外边缘线仅 4—8m，造成原来招标设计的围堰基坑侧填土后戗台断面 缩小，将给钢板桩稳定带来不利影响。 2 钢板桩稳定复核 2．1 现状基坑开挖断面(基坑开挖最深处) 现状基坑开挖断面(基坑开挖最深处)见图 1。 2．2 基本情况 蔷薇河上游钢板桩围堰最危险断面见图3。钢板桩 底高程一6．OOm，桩顶高程6．OOm，填土面高程5．1Om，拉 锚和钢围檀高程4．40m。计算基准面为一1．50m，根据打 钢板桩时的情况分析，第4层土顶高程为一4．50m。第1 层土c=19kPa， =12。；第4层土c=58kPa， =18。。施工 期最高水位按4．13m估算。 14 R 2 ． 图3 现状基坑开挖断面 · 23· 一 2．3 整体稳定复核 首先假定双排钢板桩间距为B，墙体宽度按公式M，一 F·M >10进行计算，式中： 为计算基准面处的外力弯 矩， = ， 为计算基准面上围堰挡水水深， 为水 容重；M 为计算基准面处的围堰抵抗弯矩，M，= 1 ( ) ， =了2 2(3 一 Vcos~)tan~sin ， =鲁， 2．6 钢板桩复核 2．6．1 钢板桩桩长复核 认为围堰前面荷载(主动土压力、水压力)产生的弯 矩与后面被动土压力产生的弯矩关于拉锚安装点保持极 限平衡，钢板桩按简支梁进行计算。 取单位长度钢板桩进行计算嵌固深度设计值h 。计算公 式如下： m = ，日为计算基准面以上土体高度，日-和 式中 — — 合力∑E 作用点至墙底的距离； 为围堰内水面线以上土体高度和计算基准面至围堰内 ∑E ——墙底以上基坑内侧各土层水平抗力标 水面线间土体高度， 和y 为围堰内水面线以上土体容重 准值 。 。 的合力之和； 重，曰为围堰宽度， 为填土内摩擦角，取 30。。F为安全 ∑Eai——墙底以上基坑外侧各土层水平荷载标 系数，取 1．20。 准值 舭的合力之和； 经计算，日≥5．00 现状蔷薇河匕游侧双排钢板桩问 ho-- 合力∑E 作用点至墙底的距离。 距B：5．20m，满足要求。 2．4 滑移验算 在计算基准面上对围堰整体进行滑移的验算，F = ， 式中：c为地基土粘聚力， 为地基土内 摩擦角， 为围堰内填土重，2H为水平外力。 为安全 系数，大于 1．20。 经计算，F =2．34，蔷薇河上洞身上游侧双排钢板桩 围堰整体滑移满足要求。 2．5 基础地基承载力验算 蔷薇河上洞身上游侧双排钢板桩围堰对基础地基承 载力Q =A(÷y B N )，A=LB ：1．0×(B一2e)，e= ， 式中：e为荷载的偏心距离，曰，为考虑偏心的有效荷载 宽度，Q 为 地基 的极 限承 载力。经 计 算，Q = 1251．84kN／m。 地基基础承载力的安全系数 = Qu = = 1．84>[ ]=1．20 计算结果表明，现状蔷薇河上游侧双排钢板桩围堰对 基础地基承载力满足要求。 · 24· 经计算，蔷薇河上洞身上游侧钢板桩嵌固深度设计值 为h =2．56m，则所需钢板桩总长为L=10．70(m)。现状 蔷薇河上游侧钢板桩桩长实际取值为L=12．0m，满足要求。 2．6．2 钢板桩结构复核 蔷薇河上洞身上游侧钢板桩支点反力和最大弯矩按 悬臂式支护结构进行计算，弯矩设计值肘 和剪力设计值 计算公式如下： M =h ∑E 一h ∑E = ∑E 一∑E 式中 ∑E ——计算截面以上基坑内侧各土层弹性抗 力值的合力之和； — — 合力∑E 作用点至计算截面的距离； ∑E ——计算截面以上基坑外侧各土层水平荷 载标准值的合力之和； — — 合力∑E 作用点至计算截面的距离。 经计算，弯矩设计值M ：449．58kN·m，剪力设计值 = 87．98kN。 钢板桩采用 3号钢，钢材允许抗弯应力取[ ]= 180MPa，钢板桩允许抗剪应力取[r]=95MPa。 断面模量：W= [ ]=449．58×10 ／(180×1．35)= 闵万新等／蔷薇河双层钢板桩围堰稳定性校核 1850．14(cm )<2270(3m ，剪应力：f=1．5V／A=1．5× 87．98×10～／0．02425=5．44(MPa)<[ ]=95MPa。现状 采用 SKSP一1V型钢板桩，满足要求。 2．6．3 拉锚复核 计算拉锚的拉力 =A f，A 为拉锚的支点反力，A ： 87．98 kN；z为拉锚的安装间隔，取f=2．0m。 计算拉锚的截面d≥／ ， 允许应力强度，高强 √^ 7rf， 度钢690，[0rⅡ]=176N／ram ，经计算，拉锚直径d>i60mm。 拉锚直径的实际取值为d=44mm，偏小，不能满足要求。 因围堰内填土面高程已达 5．1Om，拉锚和钢围檀高程 4．40m。计划在高程5．1m位置，围堰中部50m范围内再 增加一层拉杆，拉杆间距2m，与下层拉杆错开布置。增加 的围檩仍选用2 I．_24b。 2．6．4 围檩复核 计算围檩的弯矩值 = TI=堕 =87 ． 98kN ．m， 0 080 0 070 0 060 ， 、 0．050 曼 器0_04o 0 030 0 020 0 0l0 0 000 计算围檩的截面z=堕 01 × ～ = ×10～ _6． x l斗 a 10 28 U 10 m ，o- 允许应力强度，采用 SS400时[ 。]=140N／ mm 。经计算，围檩选用 2[24b，其截面特性为 6．36 x 10 In >6．28×10 Ill ，所选围檩满足要求。 3 实际应用效果分析 3．1 围堰挡水效果 基坑抽水时，在抽水同时实施适当的堵漏措施，抽完 水后可清楚观察到围堰挡水、止水效果，只有极少数钢板 桩由于接头不紧密导致一些漏水、基坑内渗漏、管涌等现 象，这说明钢板桩围堰符合要求。 3．2 变形观测结果 在钢板桩围堰挡水期间，通过对钢板桩顶位移的定期 观测，发现桩顶向基坑内的偏移量基本稳定在 3cm左右， 说明钢板桩围堰是稳定的。 叩 穹 2 = = 竺 = = = = = 二 蚕 蕊 垂 羹 垂 垂 萎 垂 萎 垂 蚕 萎 萎 蚕 萎 (年．月．日) + l号 + 2号 + 3号 -II--4号 + 5号 __．卜6号 + 7号 一 8号 ⋯～9号 —◆一10号 一僚 11号 12号 。≯ 13号 图4 蔷薇河侧钢板桩围堰观测记录 参考文献 1 余志成，施文华．深基坑支护设计与施工[M]．北京：中国建筑 工业出版社，1999． 2 尉希成．支挡结构设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版 社，1995． · 25·