钢管桩边坡保护施工技术

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  摘要:介绍重庆电子校-松牌路下穿道的钢管桩高边坡防护及垂直开挖施工工艺。
   关键词:钢管桩边坡保护
  Abstract: This paper introduces the electronic school-loose brand chongqing road in the steel pipe piles under way high slope protection and the vertical excavation construction craft.
  Key words: steel pipe pile slope protection
  
  
   中图分类号:U415.6 文献标识码:A文章编号:
  
   深开挖施工的传统工艺为放坡或放阶开挖,然后对裸露坡体进行封闭或支挡。在电子校-松牌路立交工程下穿道施工中,我们运用了钢管桩防护施工工艺,取得了较好的效果。
   钢管桩作为边坡防护的一种特殊工艺,在道路、桥梁、码头和房屋建筑的垂直深开挖边坡稳定施工中有着广泛的应用,具有极大的使用和推广价值。该工艺与传统工艺相比,具有四大优点:
   减少大量土石方开挖;
   机械化作业程度高;
   先防护、后施工,符合安全文明施工要求;
   应用范围广,特别适用于深开挖、开挖坡度小、坡体变形要求高等情况。
   本文着重介绍钢管桩施工工艺、设计方案及思路。
   1工程情况
   电子校-松牌路立交工程下穿道与原龙华大道垂直相交。下穿道在原有道路中线下沉,从下部穿越现有龙华大道,该下沉段采用全断面明开挖施工。本工程具有以下特殊性:
  深开挖。最深为9.5m。
  无工作面。为保留坡顶原行车道,放坡宽度仅3m,必须进行垂直开挖。
  填土厚。最厚5.4m。
  坡体变形要求高。重庆市天然气供给的主管道DN426平行于下穿道左侧,埋置深度2.1m,距挡墙结构边线仅3m,必须进行专项保护,以确保其安全。
   2方案选择
   由于开挖后坡顶道路车流量特别大,常有重型车辆行驶,其振动荷载对坡体的破坏特别严重。根据资料和实际探挖表明:该开挖区域岩层分别为路面结构层、回填土、强风化岩层、中风化岩层等,上覆回填土层厚0.8-5.4m,下部为完整砂岩。
   若采用桩板挡墙进行有效防护,其费用较高。
   经各种方案比选,决定采用钢管桩进行边坡加固防护,确保天然气管道及深开挖施工的安全。由于上覆土层无法用锚杆进行固结,故只考虑压力灌浆固结、钢管桩锚固稳定的施工工艺。
   3钢管桩设计
  3.1. 设计参数和标准
  3.1.1 设计标准:地震基本烈度为6度。设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为一组。
  3.1.2 荷载:主动岩土压力、车行荷载=11.25kN/m2。
  3.1.3 力学参数
  3.1.3.1岩土体力学参数
   地基容许承载力建议值(Kpa)
   压实
   填筑土 亚粘土 砂质泥岩 泥质粉砂岩
   强风化 弱风化 强风化 弱风化
   岩体
   状况 承载力 岩体
   状况 承载力 岩体
   状况 承载力 岩体
   状况 承载力
   140 160 碎石状 300 碎块状 1000 碎石状 400 大块状 1500
  
   岩土边坡支护设计参数一览表
  岩 土
  名 称 重度(KN/m3) 内聚力
  (KPa) 内摩擦角(°) 岩体理论
  破裂角(°) 弹性模量(MPa) 泊松比 水平抗力系数 岩石抗压强度保证率平均值(MPa) M30砂浆与岩石粘结强度(KPa) 基底
  摩擦系数
   天然 饱和
  填筑土 19.1 0 28 / / / 6MN/m4 / / / 0.30
  亚粘土 20.6 20 7 / / / 15 MN/m4 / / / 0.30
  砂质泥岩 25.8 245 30 60 1593 0.24 40 MN/m3 9.45 5.76 200 0.45
   泥质粉砂岩 25.2 205 32 61 2530 0.19 60 MN/m3 17.76 14.17 350 0.55
  强风化泥岩 23.5* 20* 27* / / / / / / /
  注:带*号参数为经验值。
  3.1.3.2其他:
   3号钢钢管:弹性模量,抗拉、抗压强度设计值。
   M30砂浆:弹性模量
  3.2. 支护方案及计算思路
  3.2.1 支护方案
   钢管桩沿挡墙结构边线外0.5m双排平行呈梅花柱设置,间距为1m×1m,下部锚入挡墙基底下3m,钢管为Ф140,壁厚10mm, 钢管桩深度为9~12m,南北侧钢管桩数量分别为82根,共计164根。采用砂浆灌注,砂浆强度等级为M30。
   钢管接长采用套丝连接,钢管上按照100mm的间距进行钻孔,孔径为ф10,以便砂浆渗入钢管周围土体并与之固结。钢管桩顶用Ф22钢筋与钢管桩连接并固定。
  3.2.2 计算思路
  3.2.2.1通过设计以及现场施工措施,使压力灌浆浆液扩散半径达到0.5m。
  3.2.2.2浆液将钢管桩及加固范围内土体基本固结为一个整体,以抗击坡体变形或滑移。
  3.2.2.3取纵向1m进行计算,计算范围内钢管桩视为两根垂直锚杆。
  3.2.2.4计算模型简图如下:
  
  
  3.2.2.5以最危险情况进行计算,地质情况由已有钻孔柱状图推算,计算简图如下:
  
  3.3. 注浆设计
   根据《岩土工程治理手册》(2005版),进行注浆设计,确保浆液扩散半径不小于0.5m。。
  因填筑土中石块含量不足50%,按中砂进行计算。
  砂层中计算公式:;
  计算结果见下表:
  砂層中浆液扩散半径计算表
  项目名称 取值
  渗透系数k(cm×s-1) 0.005
  灌浆压力h(100Pa) 8000.000
  灌浆管半径r(cm) 14.000
  灌浆延续时间t(s) 60.000
  灌浆相对粘度β 0.900
  砂土孔隙率n 0.340
  浆液扩散半径R(cm) 54.815
  
   因此,若灌浆压力在0.8Mpa以上,则浆液扩散半径能达到50cm。
  3.4 钢管桩计算
  3.4.1 计算方法
  3.4.1.1因固结体本身抗滑移满足要求,因此不再进行钢管桩抗剪计算。
  3.4.1.2进行受力分析,计算当抗倾覆稳定系数为1.6时,每根钢管所受轴力受力分析简图如下:
  
  3.4.1.3得到钢管所受轴力后,进行抗压和抗拉验算。
  3.4.2 受力分析:
   由
  计算得:
  
  3.4.3 钢管桩抗拉、压验算
   将钢管桩视为锚杆,以《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)中临时锚杆计算方法,进行钢管桩抗拉压承载力验算,不计钢管中砂浆抗拉、压承载力。计算结果见下表:
  锚 杆 计 算 表
  数据名称 取值
   钢管桩A 钢管桩B
  钢管桩强度验算
  轴力标准值(kN) 60.8 60.8
  钢管外径(mm) 140 140
  钢管厚(mm) 10 10
  钢管抗拉压强度设计值fy(Mpa) 215 215
  荷载分项系数γQ 1.3 1.3
  边坡工程重要性系数γ0 1 1
  锚杆抗拉工作条件系数ξ2 0.92 0.92
  锚筋抗拉强度设计值fy(Mpa) 300 300
  钢管桩截面积(mm2) 4084.07 4084.07
  轴力设计值(kN) 79.04 79.04
  计算需要截面积As(mm2) 286.38 286.38
  锚固体与地层锚固段长度计算
  锚固体直径D(mm) 140 140
  地层与锚固体粘结强度特征值frb 200 200
  地层与锚固体粘结工作条件系数ξ1 1.33 1.33
  锚固体与地层锚固段长度la1(m) 0.52 0.52
  钢管与砂浆间或锚固长度计算
  钢管外径(mm) 140 140
  钢管根数n 1 1
  钢管与砂浆的粘结强度设计值fb(kPa) 2040 2040
  钢管与砂浆粘结工作条件系数ξ3 0.72 0.72
  钢管与砂浆间或锚固长度la2(m) 0.12 0.12
   由以上计算结果可知:钢管桩满足要求。
  3.5. 变形计算
  3.5.1 计算方法
   计算挡墙在岩土侧压力及车行荷载作用下产生的变形,如与燃气管道平行处变形小于10mm,则管道得到有效保护,处于安全状态。
   将挡墙视为一固端悬臂梁,选用理正结构工具箱软件进行计算。
  3.5.2 计算过程及结果
  连续梁计算书:LXL-1
  ============================================
  3.5.2.1 计算简图:
  
  3.5.2.2计算条件:
  荷载条件:
  均布恒载:0.00kN/m 活载准永久值系数:0.50
  均布活载:0.00kN/m 支座弯矩调幅系数: 100.0%
  梁容重: 25.00kN/m3 计算时考虑梁自重:不考虑
  恒载分项系数:1.00 活载分项系数:1.40
  配筋条件:
  抗震等级:非抗震 纵筋级别:HPB235
  砂浆等级:C15 箍筋级别:HPB235
  配筋调整系数:1.0 上部保护层厚度:500mm
  面积归并率:30.0% 下部保护层厚度:500mm
  最大裂缝限值: 0.400mm 挠度控制系数C : 200
  截面配筋方式:双筋
  
  3.5.2.3结果简图:
  
   根据计算结果可知,挡墙顶部(即加固体顶部)最大变形远小于10mm,且与燃气管道平行处变形量小于顶部,所以受保护燃气管道安全。
   4施工工艺和方法
  4.1钢管桩的设置
   钢管桩沿挡墙结构边线外0.5m双排平行呈梅花柱设置,间距为1m×1m,下部锚入挡墙基底下3m,钢管为Ф140,壁厚10mm, 钢管桩深度为9~12m,采用砂浆灌注,砂浆强度等级为M30。见图1。
   钢管接长采用套丝连接,钢管按照100mm的间距进行钻孔,以便砂浆渗入钢管周围土体并与之固结。钢管桩顶用Ф22钢筋与钢管桩连接并固定。
  4.2施工方法
   本工程采用泥浆护壁钻孔压浆灌注钢管桩(钢管桩)的施工工艺,开孔直径150~170mm,终孔直径150mm。
   施工流程:钻孔——安放钢管——灌浆——桩顶钢筋连接
   4.2.1钻孔
   钻机就位时应保持平稳,精确对准桩位点缓慢放下钻具,然后调平钻机,使钻塔侧壁悬垂线与塔壁平行、钻具保持垂直。
   开始钻进时,要用低速档,以免机身晃动扩大孔径和影响垂直度,防止塌孔。清出的残土要及时运出场地或堆在场地内不影响施工的地方。
   钻至设计孔底标高时,干烧或投卡料将孔底的岩芯取净,使孔底沉渣达到规范要求(≤10cm)。
  4.2.2钢管及灌浆管的制作与吊放
  4.2.1采用Φ140mm×10mm的无缝钢管,钢管段钻Φ6mm小孔,梅花形布置,孔距100mm。
  4.2.2钢管接长采用丝口机械连接。
  4.2.3钢管接长时,在同一平面内其不得超过50%钢管根数,不得在同一截面相互接头错开500mm以上。
  4.2.4灌浆管采用直径2cm的PVC 管制作,端部为小钢管,每孔1根,灌浆管的长度应以插至孔底后上部露出地面500mm为宜。
  4.2.5在安放钢管及灌浆管前先向孔内投填少量碎石;钢管及灌浆管安放完成后,再向孔内投填500mm高碎石,埋住喷浆管底端花管部分,防止在砂浆灌注完成后堵塞灌浆管。
   4.2.3砂浆的配制与搅拌
  本工程砂浆设计强度为M30。
  严格控制原材料计量。
  砂浆拌合均匀,和易性好。
  砂浆的搅拌时间不得小于3min,保证搅拌均匀。
   4.2.4砂浆灌注
  4.2.4.1采用专用砂浆灌浆机灌漿。
  4.2.4.2砂浆灌浆应连续进行。如必须中断时,其中断时间不得超过半小时,砂浆塌落度不应小于8cm不大于20cm,在16~18cm之间为最佳。
  4.2.4.3灌浆时,活塞应保持最大行程。
  4.2.4.4在灌浆过程中,应随时保持砂浆泵料斗中的砂浆量不低于吸料口,否则可能因吸入空气而导致出口处砂浆喷溅伤人。
  4.2.4.5当砂浆泵出现压力升高且不稳定、油温升高、输送管明显振动等现象而灌浆困难时,不得强行灌浆,并应立即查明原因,采取措施排除。
  4.2.4.6当输送管被堵塞无法灌浆时,应采取措施排除。
  4.2.4.7砂浆泵如需较长时间中断灌浆,应采取措施以避免时间过长而造成的堵塞。
  4.2.4.8必须保证每桩砂浆的充盈系数>1,即灌注量要大于计算量。
  4.2.5钢管桩加固
   采用Ф22钢筋将钢管桩顶部焊接连成一体,加强钢管桩整体强度。
   5技术措施
   保留坡顶原行车道,放坡宽度仅3m。
   6值得探讨的问题
  保留坡顶原行车道,放坡宽度仅3m。
   7结束语
   工程前期,由于钢管桩施工经验不足,未对桩顶部按照计算方案用钢筋进行连接和锁定,且为了避开顶管施工结构物,与之交接处钢管桩间距设置过大,未及时灌浆固结,致使应力集中,局部出现坡体变形,采用浆砌条石挡墙并加载反压后才
  
  注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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