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1、东江特大桥浅覆盖层水上钻孔平台设计与施工过程分析交通工程建设2011年第4期12东江特大桥浅覆盖层水上钻孔平台设计与施工过程分析郭佳嘉康学云(中交第二航务工程有限公司四分公司安徽芜湖邮编241009)摘要:本文以东江特大桥为背景,对采用有限元方法对大桥水上钻孔平台进行承载力及稳定性分析,并对该大桥的浅覆盖层水上临时施工平台单桩稳定性进行深入分析,为该大桥的水上钻孔平台的安全施工提供了指导.实践证明水上施工平台设计合理,可供浅覆盖层水域施工作业大型临时工程设计参考.关键词:水上钻孔平台有限元浅覆盖层单桩稳定性分析1工程背景1.1总体布置东江特大桥位于从莞高速公路惠州段,起点桩号为K29+960.
2、3,终点桩号为K30+916.3(惠州段),桥跨包括(50+2X75+60)m+(85+2138+85)Ill+(550)m.该桥为双幅桥,其中,前2联结构采用混凝土预应力连续刚构,后l联上部结构采用先简支后连续刚构体系预应力混凝土T梁.为确保大桥下部结构的顺利施工,需要在大桥对应一60(06000一_4ooo4o)4ooo.增城n!.0-gt120【H】一1200(一12000120001.L2000的桥墩处搭设水上钻孔平台,水上钻孔平台共计l0个,其中,根据对应桥墩下布置的桩数及桩距,得到各个平台的平面尺寸如下:5#,9墩平面桩距为33m12m;68墩平面桩距为36m12m;10#14#墩
3、平面桩距为36mX12m.为保证钻孔平台搭建及施工过程中的材料供给,上游侧浅滩区搭设有施工栈桥,深水区水上平台的施工所需材料通过驳船由临时码头输送到指定位置,栈桥起点与陆地临时道路接通,终点连接水上临时码头,栈桥,码头及钻孔平台总体布置见图l.6OOO6000i0tgjei,iJ018-一09000图1栈桥码头及钻孔平台总体桩位布置图(单位:mm)1.2水文,气象及地质条件东江特大桥地处东部沿海地区.不利气象因素主要有季风,台风(多发生在69月);施工期间流水比较湍急(最大流速为v=1.55m/s).由于场地附近的交通不便,不能运输大型起重设备和打桩设备,加之河床覆盖层较浅,在不考虑冲刷的情况
4、下最小厚度仅为4.0m,覆盖层下为强风化泥质粉砂岩及中风化泥质粉砂岩,岩石强度达1500KPa,不利于钢护筒及平台桩的沉放与嵌固,覆盖层厚度具体见表l,因此,水上平台搭设区地质条件较为恶劣.00一00_【8一_.昌营叫交通工程建设2011年第4期13覆盖层厚度及土质表表1墩泥面标高泥岩标高覆盖层厚度覆盖层土质号(m)(m)(m)5-5.803-23.9618.157粗砂610.192一l7.4O7208粗砂714.566一l8.6l4.044砾砂817.190-21.194.000砾砂9一l7.062-22.545.478粗砂1015.6202l_876.250砾砂1115.494-22436
5、.936砾砂12一l3.510一l8.474.960粗砂1310.798一l5574.772粗砂14-6.400一l4-317.910粗砂1.3工程重点和难点浅覆盖层,单桩的稳定问题,流水冲刷问题,根据平台的轴网布置形式,本文将水上平台分为3组,每组根据覆盖层的深浅,按受力情况最不利的平台进行计算,见表2.2结构形式选择2.1上部结构上部结构对采用贝雷梁或型钢两种形式进行了比较,型钢具有结构高度低,刚度大,与桥面板连接方便及维护容易的优点,但同时又存在结构加工工序较多,搭设较慢的缺点,而贝雷梁具有组装方便,搭设速度快的优点,采用租赁的形式价格也比较便宜,经综合比较后采用选用321军用贝雷梁作为
6、上部结构主梁;I25a作为横向分配梁,布置间距为1.5m;I12.6作为纵向分配梁,布置间距为0.3m;68桥面钢板满铺.2.2下部结构钢管桩具有自重轻,施工方便快捷和可回收等优点,比较适合临时结构使用,因此下部结构选择800钢管桩,钢管桩壁厚为10mm;采用2H588X300组合型钢作为下横梁;并采用4008的平联作为横向支撑.因8墩的覆盖层最浅,本文以8墩对应的钻孔平台为分析对象,其结构的总体形式参见图2.3结构计算3.1设计荷载3.1.1冲击反循环钻机荷载设计值为70kN,为保证施工进度,钟8墩采用3台钻机隔孔同时施工作业;3.1.2施工荷载:4kN/m2;3.1.3流水荷载:设计流速为
7、v=1.6m/s.3.1.4主动土压力:钻孔平台分组表2平台分组墩号计算墩号泥面标高(m)桩顶标高(m)护简顶标高(m)桩长(m)护筒长(m)第一组5#,9#9#一l7.0625l+3.1l9.5720.16第二组6#88#一l7.192.5l+3.119.7020.29第三组10#14#10#一l5.622.5l+&ll8l318.72增城上横梁f125a1500.1500一.370046003709一.150015000图2钻孔平台结构图东莞钢护筒桥梁中心线下横梁2HM588X3O0_繇lll一一-,稍,L.1r.,.面lll0_躲衄蟹交通工程建设2011年第4期14C=0;qr=
8、38.;q=105kN/mKa=O.238Kp=4.2:(g+Yh)ga+g)=-(105+19x4)x0.238+105x4x0.238)=286(KN,Tn)3.1.5被动土压力:(1)泥面处:Pl=yzKp=OkN/(2)桩底处:2=19x4x4.2:319.2(KN/m2)=K:1l9424_2=638.4(KN/m)作用点距护筒底标高距离为1.33m.3.1_6水浮力F,2=PgVfJ:1.4x19.81X(0.8一0.78)194=6.47(KN)工况l:单桩稳定性计算为防止沉桩过程中及单桩直立期间,桩身在流水作用下产生突然倾斜或过大位移.需进行以下验算:(1)单桩倾覆验算:M弯=
9、19.27x10.5+66.66x0.01x1.25=203.2(KN?1/1)M抵抗一638.4x1.33-849.1(KN.m)抵仉o.1,nL,k:4.18>l|5o203.2单桩是稳定的.(2)单桩受力时,土抗力验算:根据公路桥涵地基与基础设计规范附录六:0.0842.110x1.080838x10一.入土深度h=4.0m.h:0.084x4.0=0.344_<2,按刚性基础计算:局部冲刷线以下的基础转角:!一4.611x=一=.1l0Amh2.088x30000x4;局部冲刷线至基础轴线旋转中心距离:h2(42h)+6dWo2flblh(32一h):.2.6.7.x.1.
10、8.x.4.2.x.(.4.x.1.0.5.3.5.-.4.).+.6.x.1.x.0.0.8.4.672x2.67x1.8x4x(3x10.535-4)=2.763(m)桩基基底截面的弯矩:My:一(2yo-h):19.2710.535一19.27x1.8x42f22.763-41=198.75(kN?,为了保证基础在土中有可靠的嵌固,水平压应力()-应满足下列条件:局部冲刷线以下深度为h/3处基础侧面水平压应力:=詈c一:6x19.27一4(2.763一兰,2.088433=26.4(KPa)孝矽+c)r/-r/2:4_r4xtan38.+o)x1.01-0.8x0.039x251.2x1
11、.4=98.6(KPa)26.4(KPa)98.6(KPa)局部冲刷线以下深度为h处基础侧面水平压应力:cYo-h)=c2.763-4)I=68.48(KPa)(?an矽+c)Wh:(19.04tan38+o)x1.0r1一0.8x0.039x251.2.1COS38.556.2=297.2(KPa)68.48(KPa)297.2(KPa)基底的竖向压应力:D-瑚一N+3dF.一56.953x1.0x19.27AoA0.03772.088x2.67153931518.7(kpa)45o0kp综上,土抗力满足要求.工况2:钢管桩形成排架后的受力计算排架计算采用Midascivil软件进行建模计算
12、.因桩基入土深度仅为4.0m,因此有限元模型将桩端视为铰支座,考虑的永久作用与可变作用为:<交通工程建设>2011年第4期15工况2结构计算模型工况3结构计算模型(1)永久作用:考虑桩身及平联自重;(2)可变作用:流水压力及施工荷载.经计算表明,在该工况下,结构的最大应力在横向平联处,应力最大值为177MPa<f=210MPa;最大位移为13.1mm<1/400H=22.5,承载能力及正常使用均满足要求.工况3:钢护筒沉放完毕后,排架和钢护筒整体稳定性计算由于钢护简直径为2.5m,受到的流水压力比钢管桩大,钢护筒的整体稳定性需要排架保证.考虑的永久作用与可变作用为:(1
13、)永久作用:考虑桩身及平联自重;(2)可变作用:流水压力及施工荷载.经计算表明,在该工况下,结构的最大应力在与平联交界的钢管桩处,应力最大值为123MPa<f=210MPa;最大位移为10.7mm<1/400H=22.5,承载能力及正常使用均满足要求.工况4:排架和钢护筒在使用过程中的整体受力及稳定性分析上部结构施工完毕后,平台开始正常作业.考虑的永久作用,可变作用及偶然作用为:(1)永久作用:考虑结构自重;(2)可变作用:流水压力,钻机荷载,30t砼运输车荷载及人群荷载;(3)偶然作用:船只的撞击作用,按内河航道等级七,船舶吨级DWT为50t产生的横向撞击作用计算,横向荷载标准值为150kN.采用Midas空间程序对整体结构稳定进行分析计算,一阶失稳为船只撞击处的钢管桩失稳.临界荷载特征值系数为11.521,满足结构设计要求.4使用效果经施工单位使用后评价,该水上施工平台设计,安全可靠,贴近施工各种工况和要求,并在实践中证明了在施工平台钢管桩单桩稳定性评价的正确性,为东江大桥的如期建成创造了条件,对浅覆盖层水域施工作业大型临时工程的
