預(yù)應(yīng)力管樁在長距離輸水管道中的應(yīng)用

陳堅(jiān) · 2008-05-15 00:00 留言

  簡介: 采用壓力水沖法,下沉預(yù)應(yīng)力管樁作為支墩,施工工藝簡單,工期短,投資省。工程質(zhì)量可靠。適合于砂質(zhì)土壤。

  關(guān)鍵字:預(yù)應(yīng)力 管樁 輸水管 應(yīng)用

一、前言

  在沖積平原的水網(wǎng)地區(qū),長距離敷設(shè)輸水管道時(shí),經(jīng)常要穿越許多的河流和溝塘,一般跨度不太大,河口寬度在30~40米上下。而要穿越的溝(池)塘往往是一些農(nóng)家的養(yǎng)魚(蟹、蝦)池,當(dāng)管道平行于溝(池)塘敷設(shè)時(shí),則穿越跨度可達(dá)100米以上。穿越河流時(shí),通常設(shè)計(jì)都是將管道兩端做成蝦米彎管,中間焊一段直管,然后一跨跨越這些河面較小的河道。由于這些過河管道地處沖積平原地區(qū),沖積層土壤摩擦力較小,為抵抗彎起管道的水平推力,必須設(shè)置大體積的鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩。而在跨越溝(池)塘?xí)r,則要設(shè)置多跨的支墩或澆筑混凝土灌注樁,亦或打入混凝土預(yù)制樁。

  在地處長江下游的通州、如東兩市縣引江供水工程輸水管線長達(dá)66KM,要穿越許多的河流和溝塘,在DN900鋼管過河時(shí),原設(shè)計(jì)單位就采用的這一方案,設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩體積達(dá)55M3左右,不僅混凝土用量大,而且施工工藝復(fù)雜,由于鎮(zhèn)墩地處河邊,必須首先圍堰 、井點(diǎn)降水、 方可支模、綁扎鋼筋,現(xiàn)場澆灌混凝土,等到混凝土硬化后方可拆模,然后才能拆除圍堰,施工過程中稍有疏忽,工程質(zhì)量就難以保證。

  在穿越溝塘?xí)r,特別是農(nóng)家的養(yǎng)魚池塘,如果做混凝土支墩就要將池塘中水抽干后再行支模、綁扎鋼筋、現(xiàn)澆混凝土,一直要等拆模后魚池才可恢復(fù)養(yǎng)魚。如澆灌混凝土灌注樁,就要搭設(shè)腳手架方可施工,施工機(jī)械笨重,還需要較大的施工場地,平原地區(qū)大多是沿道路敷設(shè)管道,道路邊是很少有空地的,很難安排泥漿池和施工場地的位置。在施工中質(zhì)量控制更為重要,特別是灌注樁的清孔要求嚴(yán)格,只要稍有疏忽,灌注樁就會(huì)下沉,將來必然造成鋼管輸水管線滲漏,如果沉降量過大,將會(huì)在焊接處折斷,后果嚴(yán)重。施工中除了存在與過河管道鎮(zhèn)墩施工同樣的技術(shù)問題,而且還多了許多的群眾工作要做,要補(bǔ)貼群眾養(yǎng)魚的損失,只要一時(shí)群眾工作沒有做好(沒有滿足養(yǎng)魚戶的經(jīng)濟(jì)要求),則施工只能停止。不但影響工期,而且還要增加工程投資。如果采用預(yù)制混凝土樁要比現(xiàn)澆灌注樁方便一些,但也存在樁身笨重,樁的長度大等問題。為此在這次通州、如東兩市縣長距離輸水管道工程中,我們進(jìn)行了認(rèn)真的分析研究,認(rèn)為采用先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁更為合理:一、鋼筋混凝土管樁是中空的,鋼筋是預(yù)張拉的,具有重量輕、強(qiáng)度高的特性;二、管樁是在工廠生產(chǎn),質(zhì)量可靠;三、可以采用高壓水沖成孔下樁,施工工藝簡單,四,這種管樁兩端均有鋼箍,對焊方便,樁長可以短一些,以減輕起吊的重量,方便施工。五、施工機(jī)械簡單,只要一輛汽車吊和一臺離心水泵即可,機(jī)械設(shè)備移動(dòng)方便,無需搭設(shè)腳手架,施工工期可以加快。六、農(nóng)家養(yǎng)魚池?zé)o需抽水,不但減少了群眾糾紛,而且還減少了對農(nóng)家的賠償費(fèi)用?,F(xiàn)將有關(guān)內(nèi)容介紹于后,供同仁參考。

二、管樁設(shè)計(jì)

  現(xiàn)以DN900鋼管為例,按照跨河進(jìn)行管樁設(shè)計(jì)。計(jì)算簡圖如上:

  1、由于地處第四紀(jì)沖積平原地區(qū),地層大多數(shù)為砂性土或砂粘土,因此,管樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按摩擦樁計(jì)算,其設(shè)計(jì)公式如下:

  單樁容許承載力[P]=1/安全系數(shù)K[樁側(cè)極限摩阻力PSU+樁底極限阻力PPU]

  由于管樁中間是中空的,管外為一園環(huán),其端部的承載力在本設(shè)計(jì)中予以忽略不計(jì),以提高管樁的安全性。因此在本工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),按下列公式計(jì)算:

[P]=1/2U∑αiLiτi (1)

  式中:[P]—單樁軸向受壓容許承載力;

     U—樁的周長;

     αi—為下沉?xí)r樁對各土層樁側(cè)摩阻力的影響系數(shù);

     Li—樁在承臺底面或最大沖刷線以下的第I層土層中的長度;

     τi—與相對應(yīng)的各土層與樁側(cè)的極限摩阻力。

  (1)、過河鋼管跨度及長度的確定:

  30~40米寬度的河流一般屬于等外級航道,通航船只都較小,通航寬度只需10~15米,過河鋼管下底標(biāo)高應(yīng)稍高于同一條河道上橋梁底的標(biāo)高。因此,假定河面寬度為40米,其過河方案見圖一。確定的過河鋼管的中間跨度為15米,大于過河橋梁的跨度,以防船只的碰撞。為保證其穩(wěn)定性,從管樁中心向兩側(cè)各挑出2米,然后按30°角向下延伸至岸邊,其支架上水平管道與埋地管道之間斜長為12.12米(即兩水平管道之間的高差為7米)。則計(jì)算鋼管長度為:

L=15+2*2+7/COS30°=43.25m。

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  (2)、管樁荷載計(jì)算:

  ① 直段鋼管重量:DN900鋼管壁厚一般為12mm,每米質(zhì)量為264.5Kg/m,則19米鋼管總重

Q鋼=264.5*(15+2*2)=5025 Kg,現(xiàn)取為5T。

  管內(nèi)水重為:

Q水=0.9*0.9*0.785*(15+2*2)=12048 Kg,現(xiàn)取為12T。

  ②、管道斜長部分的一半荷載計(jì)算在管樁在承載力內(nèi),這部分重量為:

Q鋼=246.5 Kg /m*(40-19)/2/COS30°=3205.7 Kg,

  現(xiàn)取為3.2T;

Q水=0.9*0.9*0.785*(40-19)/2/COS30°=7708 Kg,

  現(xiàn)取為7.7T。

  ③、管樁自重:現(xiàn)選用Φ500預(yù)應(yīng)力管樁,根據(jù)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品樣本,管樁的理論重量為:q=327 Kg/m,初步擬定樁長為17米,入土深度為10米。由此計(jì)算出管樁自重:

Q樁=327*17=5559 Kg,現(xiàn)取為6T。

  ④ 、穩(wěn)定鋼管,在管樁頂部設(shè)置管座,管座自重取為Q座=1T。

  ⑤ 單樁總的承載力應(yīng)為上述各項(xiàng)之和:

∑Q=(Q鋼+ Q水+ Q鋼+ Q水)/ 2+ Q樁+Q座=20.95T(213.8KN)

  根據(jù)土質(zhì)τi取30Kpa;αi取1.0。按照(1)式計(jì)算,262.5KN>213.8KN。

  即17米長的管樁入土10米,滿足設(shè)計(jì)要求。

  在實(shí)際使用中,也可簡單地按經(jīng)驗(yàn)估算,砂土層的摩阻可按15KN/m2計(jì)算。則10米入土深度的Φ500管樁的外摩阻力約為0.5π*15*10=235.5KN。同樣滿足要求。

  當(dāng)然不同的土質(zhì),必須按不同的摩阻力計(jì)算。

三、適用范圍及施工方法

  在沖積平原地區(qū),地層大多數(shù)為第四紀(jì)沖積層,土壤多為砂性土或砂粘土,這種土質(zhì)最適宜采用水沖成孔下樁。

  施工前,首先檢查管樁的產(chǎn)品合格證,和相應(yīng)的質(zhì)量保證資料,然后檢查管樁外觀(管內(nèi)、管外均須檢查)質(zhì)量是否存在質(zhì)量缺陷,有無鋼筋外露或蜂窩麻面,管樁端面鋼箍是否垂直于管樁軸線,如存在上述質(zhì)量缺陷的管樁不得使用。

  施工時(shí)首先要精確測量,確定樁位。然后用汽車吊垂直吊起管樁,并將消防用的水帶和水槍放入管樁中,盡量放到管樁下部,消防水帶另一端接在離心水泵上,離心水泵揚(yáng)程一般在30~50米左右,流量約為30~45M3/h即可(一般選用3BL-6或是3BL-9水泵)。然后開啟水泵,向管樁內(nèi)供水,由于高壓水在管樁內(nèi)對管樁底部的土壤形成沖刷,將砂層從管樁外側(cè)沖起,水泵一邊向下沖水,汽車吊一邊向下放管樁,當(dāng)這一根管樁頂接近水面時(shí),汽車吊暫停下放管樁,這時(shí)再一次測量管樁位置是否正確,是否垂直,如果這一切都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,這時(shí)可松開汽車吊繩,取出消防水帶。然后將另一根管樁吊起,并保持垂直,精確地與已沖好的管樁對接,對接時(shí)同樣應(yīng)保證第二根管樁端面與第一根管樁端面接觸良好、嚴(yán)密,且與第一根管樁在同一垂線位置,然后進(jìn)行焊接,焊接完畢后應(yīng)進(jìn)行防腐處理,待防腐層已經(jīng)干固后即可繼續(xù)沖樁,隨時(shí)測量管樁頂?shù)母叱蹋?dāng)管樁頂快接近設(shè)計(jì)高程時(shí)還可繼續(xù)沖水,但要把消防水槍提高些,以減小沖力,達(dá)到設(shè)計(jì)高程以后即可停止沖水。然后認(rèn)真測量高程和垂直度,如果垂直度有偏差,必須馬上調(diào)整,如果高程低于設(shè)計(jì)高程,可以用汽車吊將管樁稍稍吊起,直到滿足設(shè)計(jì)要求,但此時(shí)必須汽車吊要穩(wěn)固數(shù)十分鐘,以便砂層沉降到管樁底,然后再一次測量高程,一般情況下管樁頂面可以略高于設(shè)計(jì)高程2~3cm,以防管道安裝通水后的沉降。

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  為保證管道安裝穩(wěn)固,在管樁頂面應(yīng)設(shè)計(jì)U型管座,管座底面應(yīng)預(yù)埋鋼板,以便于與管樁焊接,焊接后仍需進(jìn)行防腐處理。在安裝管道前,還應(yīng)在管座上墊上1~2層橡膠板,以防鋼管上的防腐保護(hù)層被碰壞,同時(shí)還起到調(diào)節(jié)沉降的作用。

  為了方便起吊管樁長度一般取為5~7米。由于管樁本身重量不大,通常8T汽車吊即可滿足要求,但為了能起吊到較遠(yuǎn)的距離,可能要選用起重臂長一些的汽車吊。具體要求多大起重量的汽車吊,則由樁位與岸的距離而定。

  這種方法,一般不適用于粘土地區(qū),因?yàn)檎惩恋貙硬灰讻_刷成孔,而且成孔不易塌落,孔大了,與管樁不能形成摩擦力,孔小了,管樁下不去。

四、經(jīng)濟(jì)效果

  我們在通如引江供水中采用水沖成孔管樁作為DN900鋼管的支墩。按照原設(shè)計(jì)方案,一個(gè)支墩需用鋼筋混凝土約55M3按每立方混凝土650元(含施工費(fèi)用)計(jì)算,每個(gè)支墩的造價(jià)約為35750元。而現(xiàn)在采用Φ500預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁,按照材料費(fèi)160元(送到施工現(xiàn)場價(jià)格)與施工費(fèi)用(每米為40元)計(jì)算,每米造價(jià)約為200元,一般每個(gè)支墩管樁長度約為17米左右,其總造價(jià)為3400元,由此可見,每個(gè)支墩可節(jié)約投資約為32350元,在通州、如東引東供水工程中需使用83處支墩,由此計(jì)算,共節(jié)約資金近270萬元。應(yīng)該說使用管樁作為支墩構(gòu)筑物是經(jīng)濟(jì)合理的。不但節(jié)約了投資,而且贏得了工期。經(jīng)過二年的供水,最近,我們又進(jìn)行了復(fù)測,沒有發(fā)現(xiàn)管樁下沉現(xiàn)象,使用效果良好。

五、結(jié)論

  在長距離輸水管道中應(yīng)用水沖成孔預(yù)應(yīng)力管樁作為支墩是一種簡單可行的施工方法,使用機(jī)械設(shè)備少,轉(zhuǎn)移方便,無需占用大量的施工場地,施工工期短,投資省,施工質(zhì)量容易控制,是砂壤土地區(qū)可以采用的一種良好施工工藝。


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