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近海水域組合鋼管樁圍堰抗波浪紋技術(shù)

引言:文中結(jié)合工程實際,介紹在復(fù)雜水域環(huán)境受風(fēng)大、大風(fēng)浪及暗流的影響下,三角型組合鋼管樁圍堰抗波浪紋沖擊性技術(shù)的應(yīng)用,三角型組合鋼管樁抗彎剛度大,受波浪紋沖擊性作用的總面積小,有緩存和削減波浪紋沖擊性能量的作用,大大的改進了鋼管樁圍堰在波浪紋沖擊性作用下的支承和變形特點,避免了波浪紋沖擊性造成鋼管樁失穩(wěn)毀壞。

以唐山市海面取排水管道項目為例,項目采水頭與沉管的聯(lián)接以及沉管與頂管的聯(lián)接均采用哈夫水中聯(lián)接,受海面暗流影響工作難度大,故需要做圍堰提供穩(wěn)定的水中施工環(huán)境。淺海水域圍堰施工受其與眾不同的海洋氣象條件和水文地質(zhì)條件影響很大,需要考慮到大海對圍堰的沖擊性作用。施工難題及核心技術(shù)問題

        (1)深海承載力低、地質(zhì)學(xué)情況復(fù)雜,可靠性設(shè)計圍堰鋼管樁樁長和直徑,使不僅滿足圍堰的抗波浪紋沖擊性穩(wěn)定性要求,同時考慮合理的合理性。

        (2)在大海沖擊性的不良負(fù)荷下進行鋼管樁插打工作,要保證鋼管樁的定位、角度和平整度準(zhǔn)確。

        (3)由海面漲落、波浪紋沖擊性和水位線變化引起的載荷變化,可能引起鋼管樁底砂土的外流和鋼管樁的導(dǎo)桿振動,通過技術(shù)對策減少海面作用對圍堰影響,保證采水頭施工有穩(wěn)定的工作環(huán)境。

        2.近海水域組合鋼管樁圍堰抗波浪紋技術(shù)

        2.2近海鋼管樁圍堰抗波浪紋沖擊性施工工藝原理深海對水里的建筑產(chǎn)生的直接作用可以分為兩部分:潮汐的作用和波浪紋的作用,其中波浪紋的沖擊性作用占主要影響力。研究圍堰和錨桿支護結(jié)構(gòu)在波浪紋沖擊性作用下的支承和變形特點,了解其可能發(fā)生毀壞的部位和原因,毀壞造成的傷害,進而對潛在性的風(fēng)險進行預(yù)防和控制,保證施工安全,同時給同類型工程的設(shè)計和建設(shè)提供效仿。為抵擋波浪紋的沖擊性作用,主迎大風(fēng)大浪面鋼管樁采用兩個內(nèi)部鋼管樁加一個外界結(jié)構(gòu)加固錨桿支護鋼管樁三個成為兩組,組成組合鋼管樁。

        2.1.1 單排樁抗彎剛度計算

單排樁抗彎剛度計算.png

3.2 近海鋼管樁圍堰支承計算分析

        2.2.1圍堰設(shè)計主要參數(shù)取值

        (1)圍堰主要參數(shù)

        ①圍堰外輪廊尺寸:28.93m(長)×28.96m(寬)×30m(高),圍堰形式采用Φ610×10毫米 鋼管樁,鎖口為Φ166×8毫米 和I20a 型工型鋼組合形式,鋼管樁設(shè)計每根長短30m。圍堰結(jié)構(gòu)單元總寬:管樁直徑+鎖口總寬(0.63+0.284)m;

        ②圍堰底高程-24.0m,圍堰頂高程+8.0m,基坑開挖深基坑底高程-17.0m,河道底高程-7.1m。

        ③鋼圍堰最大吸水泵水位線+2.91m。

        ④圍堰采用單面內(nèi)支撐點系統(tǒng),其設(shè)計標(biāo)高分別為2.3m。

        ⑤進水管處預(yù)埋

        4.3m 總寬,采用鋼板樁進行施工。

        (2)設(shè)計水位線

        由于鋼圍堰施工期長,施工期間影響因素多,為保證結(jié)構(gòu)有足夠的安全度,計算時設(shè)計水位線按+5.0m 取值。

        (3)主要指數(shù)取值

        按照《公路橋涵鋼架結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,臨時工程Q235B 不銹鋼板材的允許地應(yīng)力取值:彎地應(yīng)力及綜合地應(yīng)力180兆帕×1.2=247兆帕;剪應(yīng)力120兆帕×1.2=142兆帕。

        2.2.2 圍堰計算主要參數(shù)取值

        根據(jù)地質(zhì)學(xué)資料所知, 施工區(qū)域土壤層主要為粉質(zhì)黏土, 容重γ=19.4kN/M3,內(nèi)摩擦角Φ=20°,粘聚力15.5Kpa,則主動土壓力指數(shù):)

壓力系數(shù).png

結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形、支撐點力計算根據(jù)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ120-98)采用通用性有限元分析軟件MIDAS CIVIL 對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形進行計算。

        2.2 有限元三維建模

        為保證安全施工,取最不利負(fù)荷進行數(shù)值模擬計算,及圍堰內(nèi)吸水泵至坑底,完全由兩層內(nèi)支撐點平衡土水壓力,保證圍堰穩(wěn)定。

        (1)模塊選擇:圍檁、鋼管樁(忽視扣鎖的彎曲剛度)和內(nèi)支撐點均采用梁模塊仿真模擬。

        (2)邊界條件:深基坑底采用素混凝土封底,假設(shè)為平面圖內(nèi)偏移約束力,即約束力Dx、Dy。樁底連接點因素混泥土封底,可假定為固定,即6個自由度計算所有約束力。

        (3)載荷:作用于樁身上的外載荷為深基坑兩側(cè)水壓力+主動土壓力。

        2.3.1  數(shù)值

        (1)鋼管樁樁身變形、地應(yīng)力由軟件數(shù)值所知,樁身最大變形(水平位移)為△max=14.401 ㎜,最大組合地應(yīng)力σmax=97.20MPa。滿足設(shè)計和施工要求。

        (2)圍檁變形及地應(yīng)力情況由軟件數(shù)值所知,,圍檁最大變形(水平位移)為△max=13.75 ㎜,出現(xiàn)在第三層圍檁之間,最大組合地應(yīng)力σmax=183.95MPa。能滿足設(shè)計和施工要求。

        (3)內(nèi)支撐點的地應(yīng)力及變形由軟件數(shù)值所知,內(nèi)支撐點最大變形(剛度偏移)為△max =13.44 ㎜,最大組合地應(yīng)力σmax=200.33兆帕,能滿足設(shè)計和施工要求。

        2.3.2 圍堰抗波浪紋沖擊性計算理論的提出

        鎖口鋼管樁圍堰不僅受土水壓力的靜載荷作用,在波浪紋沖擊性的動態(tài)載荷作用下,還會產(chǎn)生復(fù)雜的動力響應(yīng)。圍堰的抗波浪紋沖擊性動力計算意義重大,但世界各國再此方面鮮有研究,沒有可靠的數(shù)據(jù)作為波浪紋載荷大小及形式確定的參照,故需要長期的檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計支持,待進一步研究。

        2.6 近海鋼管樁圍堰抗波浪紋沖擊性核心技術(shù)

        (1)采用組合鋼管樁成樁方式

        為了更加有效地抵御波浪紋沖擊性,主迎大風(fēng)大浪面鋼管樁采用兩個內(nèi)部鋼管樁加一個外界結(jié)構(gòu)加固錨桿支護鋼管樁三個成為兩組,組成組合鋼管樁,使錨桿支護結(jié)構(gòu)彎曲剛度增大。

        (2)為保證波浪紋沖擊性作用下鋼管樁圍堰能順利并攏,鋼管樁插打過程中,開始插打得鋼管樁可以一次插打成標(biāo)高,最后一眼應(yīng)先插好鋼管樁,當(dāng)鋼管樁所有并攏后,再由并攏處逐次將鋼管樁插打成標(biāo)高,由于各種原因造成鋼管樁最后無法并攏時,根據(jù)具體情況制作異型鋼管樁進行并攏。

        3.總 結(jié)

        (1)近海圍堰施工負(fù)荷下圍堰不僅受土水壓力的靜載荷作用,在波浪紋沖擊性的動態(tài)載荷作用下,還會產(chǎn)生復(fù)雜的動力響應(yīng),圍堰的抗波浪紋沖擊性動力分析意義重大。通過研究圍堰和錨桿支護結(jié)構(gòu)在波浪紋沖擊性作用下的支承和變形特點,了解其可能發(fā)生毀壞的部位和原因、毀壞造成的傷害,進而對潛在性的風(fēng)險進行預(yù)防和控制,保證施工安全。

        (2)本項目提出的組合鋼管樁較單排鋼管樁彎曲剛度有很大提升,能有效抵擋波浪紋沖擊性作用,提升圍堰整體穩(wěn)定性,該技術(shù)革新為近海疏松火成巖土壤層圍堰工程抗波浪紋沖擊性技術(shù)開拓了一條新路,同時也為深基坑錨桿支護提供了一種新的方法,若為將來相近工程提供效仿。

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