盤海特大橋承臺鋼板樁圍堰設計計算

陳 利

1 工程概況

盤(錦)營(口)高鐵客運專線盤海特大橋主橋481號～483號墩承臺臺址處水深約3．2 m，施工期間水位相對穩定，出于該臺址附近河域后期新建港口碼頭、河道通航需要，承臺底部設計在水下埋深11．198 m處，承臺高度3．5 m，河底土質基本為滲水性粉細砂［1］。

2 施工方案確定

鋼板樁圍堰對于水下或富含水地質條件下承臺圍堰施工法插打板樁和吊裝不需大型起吊和下沉設備，尤其適宜于本施工點臺址處地層土質分布比較均勻的粉細砂(地下孤石分布極少)地質條件，同時，鋼板樁可以重復利用于本單位管段內其他多個承臺的同類施工，從經濟性及技術性角度來看，是一種良好的施工方法。

基于此，水深3．2 m范圍內采用回填高度3．6 m的滲水性填料筑島，481號～483號墩承臺施工確定采用拉森鋼板樁圍堰施工方案。

鋼板樁采用拉森Ⅳ型，長18 m，圍堰平面尺寸為21．6 m×17．6 m，按設置四道內支撐進行設計驗算。圍堰樁頂標高為+2．442 m，第一道內支撐標高為+1．942 m，第二道內支撐標高為-1．058 m，第三道內支撐標高為-3．558 m，第四道內支撐標高為-6．058 m，封底混凝土厚度為2 m，基坑底標高為-9．598 m(即封底混凝土底面標高)(見圖1)。

圖1 鋼板樁圍堰施工方案立面圖

3 圍堰結構驗算

3． 1 計算資料

3．1．1 地質資料

墩位處筑島面以下地質資料:

①筑島回填土:厚度 3．6 m，內摩擦角 φ=14°，容重 γ1=18．0 kN/m3，K1=1．4，主動土壓力系數 Ka1=tg2(45°- φ/2)=0．61，被動土壓力系數 Kp1=tg2(45°+φ/2)=1．638。

②粉細砂:內摩擦角 φ =32°，容重 γ1=19．5 kN/m3，K2=1．8，主動土壓力系數Ka2=tg2(45°-φ/2)=0．307，被動土壓力系數Kp1=tg2(45°+ φ/2)=3．255。

3．1．2 結構參數

鋼板樁采用拉森Ⅳ型，材質16 Mn，鋼板樁長18．0 m，W=2 037 cm3，抗彎容許應力［σw］=250 MPa。

3． 2 結構驗算［2，3］

計算過程中土壓力的計算采用水土分算原則，忽略粘聚力影響，同時，土層的物理力學特征值參考JTJ 024-85公路橋涵地基與基礎設計規范。

1)反彎點位置計算。

工況1:第1道內支撐安裝完后，圍堰內開挖至標高-1．558 m處(第2道內支撐下50 cm)，準備安裝第2道內支撐時，此時第1道內支撐受力處于最不利狀態，計算如下:

利用鋼板樁內外側土壓力等于0的點作為反彎點位置，假定其離基坑底面的距離y，在y處鋼板樁主動土壓力強度等于被動土壓力強度:

其中，Pb為基坑底面處鋼板樁墻后的主動土壓力強度值;K為被動土壓力修正系數。

因筑島頂放坡開挖至第1道內支撐處(標高+1．942 m)，此時鋼板樁外側主動土壓力值Pa為:

基坑底面處鋼板樁外側主動土壓力值為:

假定反彎點進入細砂層內y'處，則鋼板樁外側土壓力強度值(筑島頂面至反彎點)P1與鋼板樁內側土壓力強度值(基坑底面至反彎點)P2分別為:

外側與內側土壓力強度值相等:P1=P2，得:y'=0．726 m。

由此，基坑底面距反彎點距離為:y=7．6-5．158+y'=3．17 m。

2)內力計算。

以第1道內支撐及開挖第1段基坑底為支撐點，由土力學及結構力學常規計算理論建立鋼板樁簡支梁受力模型，容易求得第1道內支撐處反力R11=149．7 kN(字母下標第一個數字為工況號，第二個數字為內支撐號)、鋼板樁最大彎矩為M1max=90．9 kN·m。

采用相同的分析計算方法，逐一計算工況2到工況4反彎點位置及鋼板樁受力情況見表1(這里，工況2指第2道內支撐安裝完后，圍堰內開挖至標高-4．058 m處，即第3道內支撐下50 cm處;工況3、工況4同理)。

表1 各工況內支撐反力及鋼板樁最大彎矩值

3)鋼板樁最小入土深度。

圍堰開挖過程中，樁所受的外力主要包括樁側背的土體側壓力及停置于圍堰外側進行施工作業的挖掘機具引起的土體壓力。近似地將外力分配到圍堰的內支撐上，由于圍堰的內支撐是逐層設置的，設置好的內支撐將平衡下一層土體開挖時引起的附加側壓力，因此，確定樁的最小入土深度可通過對基坑面以下t/2點處取彎矩平衡的方法求得(見圖2)。

圖2 計算樁的最小入土深度示意圖

對基坑面以下t/2點處取矩列平衡方程:

其中，Ri為各道內支撐反力，即反力R1～R4的數值;Li為各道內支撐到基坑面以下t/2點處的距離;Sj為樁側背分布力面積所代表的各個合力，即如圖2所示的兩個梯形、一個矩形所代表分布力的合力;Fj為樁側背分布力的合力到基坑面以下t/2點處的距離。

由此求得樁的最小入土深度理論值t1為:

說明:這里所得的最小入土深度t是充分考慮了圍堰開挖施工過程中挖掘機等機具設備等作業荷載以及逐層開挖、逐道設置內支撐的實際施工情況而得到的相對準確值。由于在開挖過程中還有許多不定因素的影響，比如，一方面，豐富的地下水容易導致流砂情況發生而改變圍堰開挖過程中的受力狀態;其次，樁在基坑以下部分的真實嵌固點與假定的基坑面以下t/2點處存在一定的小偏差;第三，基坑內的水頭與圍堰外側水頭差隨開挖及特殊工序的回注水導致圍堰內外側水頭差的不定性影響等，所有這些對最小入土深度值都是有影響的。因此，取安全系數K=1．5，修正最小入土深度得到最終的入土深度值t為:

承臺鋼板樁圍堰高18 m，實際入土深度為6 m，滿足要求。

4)鋼板樁抗彎強度驗算。

由表1及力學理論計算經驗可知，工況4為最不利施工情況。

取表1中各工況下最大彎矩中的最大值 max［90．9，193．2，293．0，416．4］=416．4 kN·m 作為鋼板樁抗彎強度驗算指標，鋼板樁的抗彎強度σ為:

驗算結論:鋼板樁圍堰施工方案安全可行。

5)內支撐強度驗算。

為防止鋼板樁圍堰在施工過程中整體與局部失穩，在圍堰內設置4道內支撐，內支撐結構參數為:內支撐為4道2Ⅰ40b型及3Ⅰ50b型工字鋼組合受壓構件，軸向容許應力［σ］=160 MPa，抗彎容許應力［σw］=170 MPa，剪應力［τ］=95 MPa。

由表1中各道內支撐處反力及材料抗壓指標，利用軸心或偏心受壓構件基本計算公式，易得內支撐滿足受力要求。

4 結語

盤營高鐵客運專線盤海特大橋主橋481號～483號墩承臺鋼板樁圍堰開挖、支護施工過程中，圍堰結構穩定，構件無明顯變形，進一步證明了上述設計計算方案的合理性。

［1］ 盤(錦)營(口)高鐵客運專線盤海特大橋施工設計圖［Z］．天津:中鐵第四勘測設計院，2009．

［2］ 凌治平，易經武．基礎工程［M］．北京:人民交通出版社，2004:7．

［3］ 趙志縉．簡明深基坑工程設計施工手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，2000:4．

［4］ 馬建勇，胡世浩．低樁承臺鋼板樁圍堰施工關鍵技術淺議［J］．山西建筑，2009，35(17):271-278．