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钢板桩常规施工工艺及涂层受损问题

文章来源: 作者:军鹏机械编辑 发布时间:2018-10-10 11:00 浏览次数:

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  针对钢板桩施工问题,以马来西亚槟城吹填二期(STP2)工程为例,对Z型钢板沉桩机具选型及沉桩工艺进行研究。通过对比3种国外常用的钢板桩沉桩阻力估算方法及含导向架和无导向架施工的实际应用效果,优选出适合沉桩的振动锤型,并总结出两种沉桩方法的优劣性及适用情况,总结陆上钢板桩作业涂层常见受损问题及修复措施。

钢板桩

  1、钢板桩沉桩机具选型

  1.1 设备选型

  一般根据作业条件、地质类型判定沉桩方式,以提供后续锤型选择。

  马来西亚吹填二期(STP2)工程钢板桩作业区域岩土总体可分为3大层,上层为海相沉积淤泥和黏土层,中部为密实程度不同的中-粗砂层,下部为粉质黏土层。钢板桩沉桩作业分为静压沉桩、冲击沉桩和振动沉桩,其中振动沉桩适宜在非黏性土、砾石或砂的地质基础上进行,特别是饱水的非黏性土、砾石或砂。沉桩过程中,因振锤产生的高频振动可强迫桩体周围土壤液化、位移,在桩体自身重力和振动锤重力作用下使桩体贯入土层,对于该工程区域土质及环境条件相比其他沉桩方式而言更为适用。

  1.2 沉桩阻力估算

  1.2.1 沉桩阻力估算方法

  锤型选择原则是以拟用设备所具备的激振力在该地质条件下是否能克服沉桩过程中的桩侧摩阻力总值为判定依据。沉桩至要求深度时,各土层极限动侧摩阻力计算比较困难,目前国外常用的计算方法主要在通用理论公式的基础上,根据多年沉桩经验参数的选取及经验公式进行沉桩阻力估算。主要有日本建机调查株式会社经验公式计算法、法国PTC公司经验估算法、欧洲钢板桩技术协会经验估算法。

  1.2.2 沉桩阻力分析

  沉桩阻力估算分析一般根据钢板桩主要技术参数及钢板桩相关施工区域的地质资料来计算激振力是否可以克服桩的侧面动摩擦阻力,该理论公式如下:

  

 

  (1)

  式中:Po为振动锤激振力(kN);Tv为下沉至要求深度时,各土层的极限动摩阻力之和(kN);U为钢板桩周长(m);i为厚度为Hi的土层顺序;n为下沉至要求深度时土壤总层数;Tvi为第i层的极限动摩阻力(kNm2);Hi为第i层土层厚度(m)。

  1)日本建机调查株式会社经验公式计算。

  该方法首先通过土质标贯击数来计算单类型土质的极限静侧摩阻力总值,再通过预先假定振动体系下的的静侧摩阻力缩减率对每类土层进行摩阻力经验值缩减。

  2)法国PTC公司经验估算法。

  该方法通过统计世界范围若干工程的土壤数据,找出土壤的标贯击数(SPT)N与振动构件外表面积的动侧摩阻力关系,通过各土层的动侧摩阻力总值进行沉桩阻力判定。

  3)欧洲钢板桩技术协会经验估算法。

  欧洲钢板桩技术协会经验估算法的理论依据同前两种方法相比较为简单,该方法是通过大量的工程实践推导沉桩深度、钢板桩质量和激振力的关系,且仅在初步确定桩锤大小方面运用,其适用性相对狭窄。

  1.3 应用对比

  以马来西亚槟城吹填二期(STP2)工程AZ30-750型钢板桩性能参数(表1)及BH-24号钻孔资料(表2)为例,对3种估算方法进行对比分析(表3)。

  表1 AZ30-750钢板桩(双片)主要技术参数

  

 

  表2 土层参数

  

 

  注:原泥面高度-1.63 m。

  表3 沉桩阻力计算结果对比

  

 

  计算结果显示各国家采用的经验公式计算相差较大,无较为有力的可比性。振动沉桩阻力计算在实际应用(诸如土质变化的不可见因素和经验参数选取的不一致性情况较多)中无法真实判定以上公式计算的准确性,为保证作业顺利进行,一般采用最不利条件下的最大沉桩阻力即2 500 kN进行机械选型,初步选定1412D型液压振动锤,不含夹具下的振打力2 500 kN,允许拔力2 000 kN,振动重力69.80 kN,配950G型动力站。

  2、常规施工方法

  2.1 含导向架施工

  2.1.1 钢板桩加工

  打桩前钢板桩一般进行如下加工:1)夹具防护板加工。在钢板桩外侧加焊夹具防护板,避免钢板桩受剧烈振动而造成桩头撕裂。2)桩头以下适当位置进行焊孔,用于桩体起吊。3)桩体调直及焊板加固,防止钢板桩在沉桩过程中产生外向张拉变形。加强板尽量设置在无防腐涂层区域。4)在桩体上标记刻度,以随时掌握钢板桩的沉桩深度。

  2.1.2 导向架安装

  导向架吊装定位后,一般需在导向架两侧设置支护桩或其他支护结构,以稳固导向架。导向架内桩体两侧限位可根据需要进行设置,一般只在起始桩位置进行始端限位,后续桩体可通过与前桩扣接作为始端限位。

  2.1.3 钢板桩打设

  沉桩方式可采用逐根式或屏风式打法[4],一般分组进行板桩墙的沉桩。在沉桩过程中受导向架高度限制,前一组板桩一般沉至导向架以上1 m左右,并将其倒数第2片钢板桩打设至导向架上部导梁以下50 cm。安装导向架,以第1组最后1片钢板桩为第1组板桩墙的起始桩,依次完成第1组板桩墙的打设(图1)。依此类推,直至完成所有钢板桩的沉桩施工。

  

 

  图1 导向架安装

  2.2 无导向架施工

  无导向架施工免去了导向架制作及安装,在工时和设备方面有相应缩减,在施工操作方面更为简便,其他流程基本相同,主要在对桩、限位和一次性沉桩深度上有一定的差别。

  1)对桩操作。因撤除导向架后无对桩作业平台,对桩过程较为麻烦,可以将锁扣作5 cm切割,以方便钢板桩对接(图2)。2)桩体限位。在打设过程中无导向架承担支撑结构,可使用挖掘机辅助施工。在机斗上焊接限位板,防止钢板桩倾倒(图3)。3)一次性沉桩深度。无导向架施工单根沉桩不宜过低,应至少预留15的搭接长度供后续钢板桩对桩,以防止钢板桩倾倒及其引发的桩体变形情况发生。主要采用逐根打入法。

  

 

  图2 对接口处理三维建模

  

 

  图3 挖斗钢板限位

  2.3 应用对比

  导向架为钢板桩常规施工方法,具有以下优点:施工简便和安全,线型及垂直度控制较为容易。缺点是:安装导向架作业时间长,作业平台要求较高,涂层与导向架剐蹭严重,地质条件较为坚硬时对导梁及作业围栏震动较大,即使改装加宽、安装滑轮和橡胶皮后效果并不明显,同时锁扣部分摩擦较为严重且一次性沉桩深度较浅。

  无导向架为经验施工方法,其优点是:避免涂层剐蹭,可通过钢板桩震动走向调整钢板桩的起震位置,一次性打入深度较深,节省导向架安装及调整时间,日进度相对较高。不足之处是:施工难度较大、危险性较高,线型及垂直度不易控制,地质情况较差时也会引起锁扣及涂层的破损,且同样避免不了桩头撕裂。

  因此,在同一锤型及沉桩条件下,两种方法都无法完全避免桩头撕裂、锁扣摩擦及摩擦所引起的钢板涂层损坏。就工程类型适用性而言,导向架施工更适用于平面线型要求较高、桩体较长、现场具备降温条件或地质条件较好的沉桩施工;无导向架施工适用于桩体较短、线型及垂直度要求较为宽松、临时性或紧急性较强(如临时钢板桩结构、临时基坑支护结构等)的工况,且主要适用于振动沉桩施工(图4)。

  

 

  图4 无导向架沉桩效果

  3、防腐涂层常见受损及修复措施

  目前钢板桩陆上沉桩作业涂层受损主要类别有:导向架剐蹭破损、焊接加强板破损、锁扣摩擦高温破损。修复主要采用的机具为砂轮打磨机、毛刷、砂纸、滚筒刷、量器。主要修复措施见表4。

  表4 常见涂层受损类别及修复措施

  

 

  4、结论

  1)施工钢板桩应根据工程性质所适宜的沉桩方式进行桩锤选型,并采用多种方法进行反复验算和锤型优选。

  2)应结合不同工况条件、地质条件以及不同国家的质量控制标准进行沉桩工艺的调整,对有导向架和无导向架施工进行合理运用,取长补短。

  3)针对可见的涂层受损问题应及时修复,并通过导向架改良、工艺调整(如采用冲击沉桩)等方式进行合理控制和规避,以保证钢板桩的防腐耐久性。

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