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岩土研究院

上部结构及持力基桩

334 2021-12-21 13:31:17

在码头、护岸、防波堤等建筑物中,以胸墙为主体的上部结构,是必不可少的组成部.分,它将承受较大的荷载并适应各种结构、工艺上的使用要求,这一点与其它结构形式的建筑物是相同的。但是。 在格形钢板桩结构中, 上部结构无论从受力状态还是从构造要求的角度来说与其它结构形式中又有很大的差别。在格形结构建筑物中,上部结构、持力基桩、填料、钢板桩格体、地基之间形成一种较为复杂的受力、传递、支承关系,这为上部结构的设计带来很大的困难。上部结构的构造形式及其与下面格体的衔接方式处理的是否得当,有时决定了整个方案的可行性。在格形钢板桩结构建筑物上部结构的构造设计中,应考虑以下几方面的问题。

一、上部结构与下面格体的衔接方式

上部结构与格体的衔接方式按荷载的传递途径划分、一般有以下三种,见图 2.3.1。

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1.板桩支承方式

这种形式的上部结构、 放在钢板桩顶部的导梁上。 上部结构自重及其所受的外荷载直接通过钢板桩传至地基,该形式的优点是上部结构施工方便,缺点是钢板桩工作状态差,结构沉降量大。只有在上部结构自重及所受外荷载均很小,同时钢板桩入土较深,地基甚好的情况下才可考虑。通常情况则不宜采用,对结构沉降有较严格要求的建筑物不应采用。

2.基桩支承方式

这种构造形式的主要特点。上部结构与下部结构分开, 上部结构的自重及外荷载直接由持力基桩传人下层地基。其优点是受力明确,上部结构及持力基桩构成一个类似于桩基承台的独立系统,在持力基桩的强度,承载力足够的情况下,上部结构的变形受格体变形的影响较小;钢板桩的工作状态好,由于上部的竖向荷载由基桩下传,格内填料的内压力及钢板桩锁口的张力都大为减小,水平荷载也首先是由持力基桩来承受的,尽管通过基桩传递的荷载

会以桩身摩擦力、桩侧压力的形式传给格内填料一部分,但比例不会很大,对格体的影响不大。因持力基桩的桩尖与板桩桩尖一般不在一个标高上,故地基应力的分布范围加大,从而降低了对地基承载力的要求。

尽管这种方案增加了支承桩的工程量及沉桩工序,并且格内持力基桩的沉桩及格体的封顶等工作难度较大,但总的来说还是利多弊少、在码头、防波堤等比较重要、使用要求高的建筑物中应优先考虑。

3.填料支承方式

采用这种衔接方式时,上部结构直接放在格体内部填料上,在钢板桩顶与上部结构之间预留空隙,避免板桩直接受力。上部结构自重及所受荷载主要通过格内填料直接下传。这种衔接方式的优点是对钢板桩的受力状态有所改善,施工也较简单; 缺点是上部结构沉降较大,并且由于以摩擦力下传的水平力主要作用于格体前侧钢板桩的上部,可能引起格体上部较大的水平变位。另外上部结构下传的竖向荷载加大了板桩的锁口张力,同时对地基承载力要求也较高,因而在结构变形要求严格或是格体尺度较大,钢板桩锁口拉力较大的结构中采用时应慎重。

二、上部结构

上部结构除结构、工艺上的要求外,还起着将各格体连接,增强建筑物纵向刚度的作用,它处于水位变化区,受干湿交替、冻融交替及波浪和水流作用。并且受到船舶撞击、拖曳及流机等作用。所以,在设计上部结构时,除保证其自身的强度、稳定性外,在构造方面尚应考虑其刚度、整体性和耐久性等问题。在格形钢板桩结构建筑物中, 如前所述,上部结构或是放在曲线形的格体导梁上,或是放在不规则的格体填料面上,或是放在桩与地基的复合基础上,较其它结构形式,受力、变形的边界条件往往又更加复杂。另外由于格形钢板桩结构格体自身的刚度较差,从而对上部结构的构造也提出了更高的要求。

1.结构形式

从整体性的角度出发。上部结构最好采用现浇混凝土结构,但在格形钢板桩结构中,因为格体外沿线不规则,增加了模板施工的难度,为方便施工, 可以考虑采用预制安装结构或叠合式结构,但此时应该注意,预制件的尺寸不宜过小,并且预制件之间应采用可靠的整体连接措施。格形结构的变形较大,并且,由于纵向刚度差。产生不均匀沉降的可能性也较大,加之上部结构的支承状态不佳,其内应力一般较大,故通常需要配置钢筋,除受力筋外,构造筋的配置应能适应因不均匀沉降,不均匀平面变形等在上部结构内产生的附加应力。格形钢板桩结构建筑物一般不宜采用砌体类的松散结构形式作上部结构。

2.平面布置

由于格体结构的外沿不是一条直线,上部结构的乎面布置也受到一定限制,在设计中应该根据使用、结构及构造要求综合考虑确定,通常有下列几种布置形式,见图2.3.2。

(1)直线形。这种布置形式上部结构的外沿线成一直线,与格体的外切线重合或略超出。其优点与传统形式一致,使用条件较好,在诸如有系网要求的散货码头或码头前沿设有门机的码头结构中常采用这种形式。采用直线形式布置的上部结构纵向刚度均匀,易于采取措施加强整体性。该形式的缺点是上部结构构件在格形凹入处支承不连续,成悬空的纵向简支、横向悬臂状态,即使在该处设置格外的持力基桩,支承条件也有变化。因而造成纵向内力增大,对结构的强度要求较高。在建筑物受到波浪作用时下部空隙内有可能产生较大的波浪上托力。此外在施工方面,尤其是上部结构采用现浇结构时,不规则的底模板搭设困难。

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(2)折线形。这种布置形式与直线形布置方案相比,对上部结构的受力状态及施工条件均有较大的改善。但其缺点是对使用要求的适应能力较差,给码头面流机、工艺等设施的布置造成一定的困难,通常只能在油码头、煤码头等工艺要求特定的码头建筑物及防波堤、护岸等防护建筑物中采用。折线形布置的上部结构由干格体凹入处的断面减小。 应采取心以要的措施予以加强,以满足强度、刚度及整体性等方面的要求。

(3)曲线形。这种形式的上部结构外沿线取与格体重合,支承条件好且无底模及波浪上托力的问题。曲线形布置的上部结构难于布置护舷等防冲设施,且建筑物表面沿线不规则,陆上设施不便布置,故一般不适合用于码头建筑物。另外当钢板桩格体连接处交角较小时。上部结构于该处可能产生应力集中问题。

(4)支座形。这种形式的上部结构不考虑钢板桩格体外沿的参差不齐问题,而全部收缩于格体内部。该形式布置的上部结构固然受力状态良好,施工简便,但此时的所谓上部结构通常只起支座的作用,即其上尚需设置梁、板等联系构件。采用这种形式布置的上部结构整体性较差,且难于布置其它设施,目前仅见于栈桥结构中。

3.断面形状

上部结构的断面形状,视建筑物的类别、使用要求、稳定要求而定,较常用的有以下几种,见图2.3.3。

其中梯形、L形、F形、Ⅱ形板常用于码头结构,L形、弧形常用于护岸结构,L形弧形,削角形常用于防波堤结构。

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4.结构尺度

(1)顶标高。上部结构的顶标高通常根据使用要求确定,在码头及护岸结构中,上部结构顶标高常取用与后方陆域高程一致;在外海防浪护岸及防波堤结构中,上部结构的顶高程则应根据对后方陆域或水域的掩护条件确定。当不允许一定重现期的波浪越浪时,顶标高应高于设计波浪壅高,一般取设计高水位加 1.2~1.5倍设计波高,或根据模型试验确定。对于允许越浪的防波堤,上部结构标高宜定在设计高水位以上0.6~0.7倍设计波高处。采用削角上部结构时取大值,采用弧形上部结构时取小值。

(2)底标高。根据强度、施工情况确定,现浇结构底标高不低于施工水位。

(3)变形缝间距。上部结构沿建筑物纵向应隔一定距离设置变形缝,以减小由于地基不均匀沉降和温度变化在结构内产生的附加应力。变形缝的间距应根据地基情况、温差情况和上部结构自身的结构形式等来确定。由于格形结构墙身纵向刚度较小,易发生不均匀沉降及不均匀水平变形,故而变形缝间距应较其它结构形式适当减小,一般可取用10~30m。上部结构的变形缝最好设置在格体墙身的强度较弱、不均匀变位大的副格内,在格体尺寸较大时,通常可将上部结构对应于主格分段,于每个副格中心线处设一道变形缝。此外,在地质条件突变处, 建筑物外荷载突变处以及格体尺度变化处,上部结构也必须设置变形缝,其间距可较正常段适当减小。

上部结构的变形缝应设在一个垂直面内,缝宽一般采用 2~4cm,并用沥青木板等弹性材料填充。

当上部结构采用持力基桩支承时,变形缝间距可适当加大,但不宜大于 40m。

(4)顶面预留沉降量。格形结构的沉降量一般较大,故设计中上部结构顶面拉预留沉降量。因为上部结构施工时。格体墙身已施工完毕。沉降已发生一部分,因此上部结构顶面的预留沉降量可只按上部结构自重及外荷载考虑。

上部结构的预留沉降量视其支承方式的不同可有较大的差异,一般来说,板桩支承方式最大,填料支承方式次之,基桩支承方式最小。

三、持力基桩

当需设置持力基桩时,首先应根据结构的受力要求,综合施工条件及经济因素进行构造设计,解决以下几方面问题。

1.基桩结构

用于格形钢板桩结构的持力基桩,在结构构造上通常没什么特殊的限制,目前用于桩基结构中的各种结构形式的桩,基本上都可考虑采用。桩材可采用钢,也可采用钢筋混凝土;断面既可采用方形也可采用圆形,以经济合理为原则。需要说明的是,由于格形结构的持力基桩基本上都是在填料内部,且难于设置斜桩,因而在上部结构受有水平荷载时,基桩可能产生较大的弯矩,另外,由于格体及填料的剪切变形,基桩内还会出现附加的约束变形弯矩,所以在基桩的设计中,应对其抗弯剪性能加以重视,当采用普通钢筋混凝土桩或小尺寸的预应力空心方桩等抗弯剪性能较差的桩作持力基桩时,应十分谨慎。

2. 桩位

基桩的桩位应根据上部结构受力与强度要求确定,可布置单排或多排, 按矩形或三角形布置均可,一般以上部结构内力小、基桩受力均匀为原则, 至于采用粗桩疏布还是细桩密布方案则应通过经济比较确定,通常考虑到基桩要避开钢板桩格体, 及群桩效应等问题, 基桩间距不宜过小,一般取用 2~6m。外排基桩受到格体尺度的限制,通常可部分布于格外。基桩一般均采用直桩以避免填料压力造成的桩内附加弯矩过大。 当不得已采用斜桩时。应有充分的论证。3.桩顶标高

持力基桩的桩顶标高主要根据上部结构的施工条件确定, 当上部结构为预制安装构件时,桩顶标高的确定要考虑设置桩帽或预伸连接的要求,较上部结构的底面略低或略高,设桩帽时, 桩帽高度一般采用 60~100cm,不设桩帽时桩顶预留高出上部结构底面的高度视具体的连接方式而定。当上部结构为现浇时,持力基桩顶面可取与上部结构底面平齐,仅考虑必要的锚接超长即可。对钢筋混凝土桩,桩头一般嵌人现浇部分 5~10cm,主筋伸入现浇部分80cm左右;对钢桩,桩头一般应嵌人现浇部分不小于一倍桩径。 当基桩出现较大拉桩力时,钢筋混凝土桩的钢筋伸入长度及钢桩的嵌入长度应根据锚固的要求适当加长,或设计另外的锚件。

此外,当上部结构厚度较小时,桩头处应采取必要的措施分散应力,通常对压桩采用八字形钢筋,对拉桩采用V形钢筋作成喇叭口。

4.桩尖标高

持力基桩的桩尖标高主要应根据其承载力的要求确定,为减小上部结构的沉降量最好能打到承载力较大的硬土层。在构造上,为了加大地基内应力的分布范围,基桩桩尖宜与格体钢板桩桩尖有一定的高差,通常宜低于后者2m 以上。