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近海水域组合钢管桩围堰抗波浪纹技术

引言:文中结合工程实际,介绍在复杂水域环境受风大、大风浪及暗流的影响下,三角型组合钢管桩围堰抗波浪纹冲击性技术的应用,三角型组合钢管桩抗弯刚度大,受波浪纹冲击性作用的总面积小,有缓存和削减波浪纹冲击性能量的作用,大大的改进了钢管桩围堰在波浪纹冲击性作用下的支承和变形特点,避免了波浪纹冲击性造成钢管桩失稳毁坏。

以唐山市海面取排水管道项目为例,项目采水头与沉管的联接以及沉管与顶管的联接均采用哈夫水中联接,受海面暗流影响工作难度大,故需要做围堰提供稳定的水中施工环境。浅海水域围堰施工受其与众不同的海洋气象条件和水文地质条件影响很大,需要考虑到大海对围堰的冲击性作用。施工难题及核心技术问题

        (1)深海承载力低、地质学情况复杂,可靠性设计围堰钢管桩桩长和直徑,使不仅满足围堰的抗波浪纹冲击性稳定性要求,同时考虑合理的合理性。

        (2)在大海冲击性的不良负荷下进行钢管桩插打工作,要保证钢管桩的定位、角度和平整度准确。

        (3)由海面涨落、波浪纹冲击性和水位线变化引起的载荷变化,可能引起钢管桩底砂土的外流和钢管桩的导杆振动,通过技术对策减少海面作用对围堰影响,保证采水头施工有稳定的工作环境。

        2.近海水域组合钢管桩围堰抗波浪纹技术

        2.2近海钢管桩围堰抗波浪纹冲击性施工工艺原理深海对水里的建筑产生的直接作用可以分为两部分:潮汐的作用和波浪纹的作用,其中波浪纹的冲击性作用占主要影响力。研究围堰和锚杆支护结构在波浪纹冲击性作用下的支承和变形特点,了解其可能发生毁坏的部位和原因,毁坏造成的伤害,进而对潜在性的风险进行预防和控制,保证施工安全,同时给同类型工程的设计和建设提供效仿。为抵挡波浪纹的冲击性作用,主迎大风大浪面钢管桩采用两个内部钢管桩加一个外界结构加固锚杆支护钢管桩三个成为两组,组成组合钢管桩。

        2.1.1 单排桩抗弯刚度计算

单排桩抗弯刚度计算.png

3.2 近海钢管桩围堰支承计算分析

        2.2.1围堰设计主要参数取值

        (1)围堰主要参数

        ①围堰外轮廊尺寸:28.93m(长)×28.96m(宽)×30m(高),围堰形式采用Φ610×10毫米 钢管桩,锁口为Φ166×8毫米 和I20a 型工型钢组合形式,钢管桩设计每根长短30m。围堰结构单元总宽:管桩直徑+锁口总宽(0.63+0.284)m;

        ②围堰底高程-24.0m,围堰顶高程+8.0m,基坑开挖深基坑底高程-17.0m,河道底高程-7.1m。

        ③钢围堰最大吸水泵水位线+2.91m。

        ④围堰采用单面内支撑点系统,其设计标高分别为2.3m。

        ⑤进水管处预埋

        4.3m 总宽,采用钢板桩进行施工。

        (2)设计水位线

        由于钢围堰施工期长,施工期间影响因素多,为保证结构有足够的安全度,计算时设计水位线按+5.0m 取值。

        (3)主要指数取值

        按照《公路桥涵钢架结构及木结构设计规范》,临时工程Q235B 不锈钢板材的允许地应力取值:弯地应力及综合地应力180兆帕×1.2=247兆帕;剪应力120兆帕×1.2=142兆帕。

        2.2.2 围堰计算主要参数取值

        根据地质学资料所知, 施工区域土壤层主要为粉质黏土, 容重γ=19.4kN/M3,内摩擦角Φ=20°,粘聚力15.5Kpa,则主动土压力指数:)

压力系数.png

结构内力与变形、支撑点力计算根据《建筑基坑工程技术规范》(JGJ120-98)采用通用性有限元分析软件MIDAS CIVIL 对结构内力和变形进行计算。

        2.2 有限元三维建模

        为保证安全施工,取最不利负荷进行数值模拟计算,及围堰内吸水泵至坑底,完全由两层内支撑点平衡土水压力,保证围堰稳定。

        (1)模块选择:围檩、钢管桩(忽视扣锁的弯曲刚度)和内支撑点均采用梁模块仿真模拟。

        (2)边界条件:深基坑底采用素混凝土封底,假设为平面图内偏移约束力,即约束力Dx、Dy。桩底连接点因素混泥土封底,可假定为固定,即6个自由度计算所有约束力。

        (3)载荷:作用于桩身上的外载荷为深基坑两侧水压力+主动土压力。

        2.3.1  数值

        (1)钢管桩桩身变形、地应力由软件数值所知,桩身最大变形(水平位移)为△max=14.401 ㎜,最大组合地应力σmax=97.20MPa。满足设计和施工要求。

        (2)围檩变形及地应力情况由软件数值所知,,围檩最大变形(水平位移)为△max=13.75 ㎜,出现在第三层围檩之间,最大组合地应力σmax=183.95MPa。能满足设计和施工要求。

        (3)内支撑点的地应力及变形由软件数值所知,内支撑点最大变形(刚度偏移)为△max =13.44 ㎜,最大组合地应力σmax=200.33兆帕,能满足设计和施工要求。

        2.3.2 围堰抗波浪纹冲击性计算理论的提出

        锁口钢管桩围堰不仅受土水压力的静载荷作用,在波浪纹冲击性的动态载荷作用下,还会产生复杂的动力响应。围堰的抗波浪纹冲击性动力计算意义重大,但世界各国再此方面鲜有研究,没有可靠的数据作为波浪纹载荷大小及形式确定的参照,故需要长期的检测数据统计支持,待进一步研究。

        2.6 近海钢管桩围堰抗波浪纹冲击性核心技术

        (1)采用组合钢管桩成桩方式

        为了更加有效地抵御波浪纹冲击性,主迎大风大浪面钢管桩采用两个内部钢管桩加一个外界结构加固锚杆支护钢管桩三个成为两组,组成组合钢管桩,使锚杆支护结构弯曲刚度增大。

        (2)为保证波浪纹冲击性作用下钢管桩围堰能顺利并拢,钢管桩插打过程中,开始插打得钢管桩可以一次插打成标高,最后一眼应先插好钢管桩,当钢管桩所有并拢后,再由并拢处逐次将钢管桩插打成标高,由于各种原因造成钢管桩最后无法并拢时,根据具体情况制作异型钢管桩进行并拢。

        3.总 结

        (1)近海围堰施工负荷下围堰不仅受土水压力的静载荷作用,在波浪纹冲击性的动态载荷作用下,还会产生复杂的动力响应,围堰的抗波浪纹冲击性动力分析意义重大。通过研究围堰和锚杆支护结构在波浪纹冲击性作用下的支承和变形特点,了解其可能发生毁坏的部位和原因、毁坏造成的伤害,进而对潜在性的风险进行预防和控制,保证施工安全。

        (2)本项目提出的组合钢管桩较单排钢管桩弯曲刚度有很大提升,能有效抵挡波浪纹冲击性作用,提升围堰整体稳定性,该技术革新为近海疏松火成岩土壤层围堰工程抗波浪纹冲击性技术开拓了一条新路,同时也为深基坑锚杆支护提供了一种新的方法,若为将来相近工程提供效仿。

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