水中鋼板樁圍堰的設計

趙 平

(中國中鐵二局第五工程有限公司，四川成都 610031)

1 工程背景

廣西沿海鐵路，位于北部灣地區(qū)，欽州北至北海段正線長度99.474 km。其中南流江雙線特大橋長9 773.994 m，墩臺共291個。

南流江雙線特大橋采用(40+6×65.4+40)m連續(xù)梁跨越河流，其水中基礎均采用樁基礎，根據(jù)水文資料，該河流百年一遇最高水位7.81 m。規(guī)劃為Ⅲ級航道。水中承臺參數(shù)如表1所示。

圖1 地質、水位描述圖

表1 主墩處河床、承臺高程、水位情況 m

2 鋼板樁圍堰結構設計

本文中以141號墩為代表對鋼板樁圍堰結構設計進行闡述，以供同類工程參考。

鋼板樁圍堰平面圖見圖2，計算圖見圖3。

圖2 鋼板樁圍堰平面圖

2.1 土壓力計算

采用不考慮水滲流效應的水土分算法，即鋼板樁承受孔隙水壓力、有效主動土壓力計算圖如圖1所示。

圖3 圍堰的計算圖

1)主、被動土壓力系數(shù)。

粗砂層:Ka1=tg2(45°－φ/2)=0.271。

KP1=tg2(45°+φ/2)=3.69。

礫砂層:Ka2=tg2(45°－φ/2)=0.22。

KP2=tg2(45°+φ/2)=4.599。

2)有效主動土壓力計算。

3)孔隙水壓力計算。

4)土壓力合力計算。

2.2 各工況鋼板樁的計算

本工程施工按先插打鋼板樁，安裝首層鋼支撐;再抽水、吸泥，安裝第二層鋼支撐;依次進行施工。因此分別計算鋼支撐在各工況可能出現(xiàn)的最大反力、板樁最小入土深度和鋼板樁最大內力。

根據(jù)施工順序，擬定如下三種工況:

工況一:圍堰第一道支撐加好后，抽水至第二道支撐下100 cm處時;

工況二:圍堰第二道支撐加好后，圍堰內吸泥、清淤并抽水至封底混凝土底標高時;

工況三:承臺及墊塊澆筑完成并達到設計強度，拆除模型回填粗砂至墊塊(二級承臺)頂標高，拆除第二道全部支撐時。

在計算時，各階段鋼板樁計算長度按等值梁法確定，即從主動土壓力與被動土壓力相等的截面截斷形成等值梁計算支撐反力、鋼板樁彎矩和最小入土深度。

2.2.1 工況一的計算

該工況時，有效被動土壓力:

粗砂層內摩擦角φ=35°，考慮板樁與土體的摩擦，取鋼板樁被動土壓力修正系數(shù)K=2.0;礫砂層內摩擦角φ=40°，取鋼板樁被動土壓力修正系數(shù)K=2.3(參見建筑施工計算手冊)，則:

工況一土壓力分布如圖4所示，鋼板樁受力圖如圖5所示。

圖4 工況一土壓力分布圖示

設鋼板樁上土壓力等于零的點離開挖面(H=－2.216 m)的距離為y，據(jù)土壓力分布圖可知:y=0.833 m(土壓力為零點)。

圖5 工況一鋼板樁受力圖

截取等值梁計算支撐反力和鋼板樁彎矩如下(取1 m寬鋼板樁計算):

調查以土壤類型較為復雜的甘肅省為研究區(qū)，利用遙感圖像和地形數(shù)據(jù)，結合甘肅省土壤數(shù)據(jù)和高分辨率遙感圖像，綜合分析了實地調查數(shù)據(jù)、遙感信息特征及植被分布情況，并在此基礎上建立了適合試驗區(qū)的土壤遙感分類系統(tǒng)，探討了遙感技術在甘肅土壤分類中的可行性，以期為研究區(qū)域的土壤調查和分類提供新的方法。

經(jīng)電算:R1=76.3 kN/m，R2=112.1 kN/m，Mmax=159.8 kN·m。求鋼板樁最小入土深度t:

設土壓力為零的點距鋼板樁最小入土深度時底端的距離為x+0.121(單位:m)，根據(jù)R2和墻前被動土壓力對板樁底端的力矩相等計算，則:

則:x=1.99 m，鋼板樁最小入土深度t=3.53 m，實際入土深度為9.3 m，滿足要求。

圖6 工況二土壓力分布圖示

2.2.2 工況二的計算

圍堰第二道支撐加好后，圍堰內吸泥、清淤并抽水至封底混凝土底標高(－6.016 m)時;

有效被動土壓力:

礫砂層內摩擦角φ=40°，則:

設鋼板樁上土壓力等于零的點離挖土面(H=－6.016 m)的距離為y，據(jù)土壓力分布圖可知:y=1.2 m(土壓力為零點)。

截取等值梁計算支撐反力和鋼板樁彎矩如下(取1 m寬鋼板樁計算):

經(jīng)電算:R1= －9.8 kN/m，R2=360 kN/m，R3=180.4 kN/m，Mmax=244.4 kN·m。

因R1＜0，考慮 R1退出作用，經(jīng)電算:R1=0 kN/m，R2=343.1 kN/m，R3=187.5 kN/m，Mmax=259.7 kN·m。

計算鋼板樁最小入土深度t=5.184 m;實際入土深度為5.484 m，滿足要求。

圖7 工況二鋼板樁受力圖

圖8 工況三土壓力分布圖

圖9 抗隆起計算圖

2.2.3 工況三的計算

承臺及墊塊澆筑完成并達到設計強度，拆除模型回填粗砂至墊塊(二級承臺)頂標高，拆除第二道全部支撐。

有效被動土壓力:

礫砂層內摩擦角φ=40°，不考慮回填粗砂的被動土壓力提高系數(shù)，則:

工況三土壓力分布圖如圖8所示。

設鋼板樁上土壓力等于零的點離回填粗砂頂面(H=－1.716 m)的距離為y，據(jù)土壓力分布圖可知:y=1.523 m。

經(jīng)電算:R1=78 kN/m，R2=98.7 kN/m，Mmax=164.2 kN·m。

因工況一和工況二滿足最小入土深度，則工況三不再檢算。

按最不利荷載作用下，鋼板樁在各工況下所受的最大彎矩為Mmax=259.7 kN·m。

鋼板樁擬采用拉森Ⅳ型，其截面抵抗矩W=2 037 cm3/m;則:

σ =Mmax/W=127.5 ＜［σ］=177 MPa，符合要求。

2.3 基坑土抗隆起驗算

圍堰在清淤至封底混凝土底標高H=－6.02 m時，需驗算坑底的承載力;基坑土抗隆起驗算采用滑動圓弧分析法(見圖9)，則:

穩(wěn)定力矩(忽略垂直面AC上土的抗剪強度對土體下滑的阻力):M穩(wěn)=θ·τ2×R2=π ×σ2tg(φ2)×5.4842=15 855.8 kN·m。

抗隆起安全系數(shù):

2.4 基坑底管涌驗算

不發(fā)生管涌的條件為:

其中，K為抗管涌安全系數(shù);γ'為基坑底土的浮容重，γ'=20.5 －10=10.5;h'為水位至坑底的距離，h'=6.02+3.5=9.52 m;t為鋼板樁入土深度，t=5.484 m;

3 經(jīng)驗與體會

欽北鐵路南流江雙線特大橋水中墩采用鋼板樁圍堰施工，安全的完成了水中墩基礎的施工，取得了良好的經(jīng)濟效益。鋼板樁圍堰作為水中施工的重要設備之一，完善的設計將是水中施工安全的重要保障之一。

［1］周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計算手冊［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］胡興國.結構力學［M］.武漢:武漢工業(yè)大學出版社，1997.

［3］汪正榮.建筑施工計算手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［4］劉成宇.土力學［M］.北京:中國鐵道出版社，1990.

［5］全廣遠.雙壁鋼圍堰在水中橋中的應用［J］.山西建筑，2012，38(16):214-215.