跨海大橋深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰受力分析及案例計(jì)算

李孝雄，袁楓斌，劉明坤，3

(1.滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院 安徽省滁州市 239000；2.中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司 北京市 100195；3.浙江大東吳集團(tuán)有限公司 浙江省湖州市313000)

0 引言

鋼板樁圍堰強(qiáng)度高，容易打入堅(jiān)硬的土層，具有較好的防水性能，適用于深水施工[1]，按不同的施工需要組成不同形狀的圍堰，并且可以多次重復(fù)使用，節(jié)約成本，因此，鋼板樁應(yīng)用廣泛[2]。但在水域環(huán)境使用鋼板樁時(shí)，由于圍堰內(nèi)外水頭壓力差的影響，使得鋼板樁圍堰受力復(fù)雜，在樁身與樁頂易產(chǎn)生較大彎矩及位移，亦可能發(fā)生傾覆破壞，當(dāng)水壓力作用下圍堰底部發(fā)生突涌等現(xiàn)象[3]。

為了保證水域環(huán)境下鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性，鋼板樁自身具有較高的強(qiáng)度及變形性能，有足夠的入土深度，且在圍堰內(nèi)加內(nèi)支撐，并使其間距合理[4]。外國(guó)學(xué)者bulm在1931年對(duì)U型鋼板樁進(jìn)行了研究，最終得出鋼板樁抗彎剛度的折減規(guī)律[5]。Hartmann-Linden等人對(duì)于鋼板樁的橫向彎曲進(jìn)行研究[6]，當(dāng)鋼板樁截面不對(duì)稱(chēng)時(shí)會(huì)使鋼板樁產(chǎn)生橫向彎曲，鋼板樁墻就會(huì)通過(guò)一部分的抵抗彎矩來(lái)平衡橫向彎矩，因而會(huì)導(dǎo)致抵抗彎矩變小，這對(duì)工程的安全是極為不利的。駱冠勇等對(duì)新光大橋鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化[7]，通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果的鋼板樁墻位移相差較大，通過(guò)分析得出鋼板樁計(jì)算時(shí)對(duì)于不同的工況應(yīng)選取不同的模量。

本文結(jié)合某跨海大橋深鋼板樁圍堰實(shí)體工程，運(yùn)用等值梁法對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行受力分析。鋼板樁在實(shí)際中下端承受土體對(duì)其嵌固作用，且上端利用內(nèi)支撐防止圍堰發(fā)生傾覆破壞。計(jì)算時(shí)假設(shè)內(nèi)支撐為剛性支撐，但在實(shí)際過(guò)程中為彈性支撐，因此，計(jì)算中加上鋼板樁與內(nèi)支撐連接處的位移，得出其內(nèi)力和應(yīng)力[8-9]。通過(guò)計(jì)算結(jié)果，對(duì)依托工程進(jìn)行鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性、最大彎矩及整體抗浮進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)證了鋼板樁圍堰的安全性。

1 工程概況

1.1 橋址區(qū)工程地質(zhì)情況

跨海大橋橋墩采用樁基礎(chǔ)，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，28#-30#墩地質(zhì)資料及土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 28#-30#墩土層參數(shù)表

28#-30#墩基礎(chǔ)主、被動(dòng)土壓力系數(shù)及被動(dòng)土壓力修正系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 28#-30#墩基礎(chǔ)主、被動(dòng)土壓力系數(shù)及被動(dòng)土壓力修正數(shù)

1.2 鋼圍堰設(shè)計(jì)資料

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)資料，28#-30#墩基礎(chǔ)采用鋼板樁圍堰，鋼板樁截面特性值見(jiàn)表3。

表3 鋼板樁截面參數(shù)特性值表

表4 28#—30#墩板樁圍堰材料表

本文采用等值梁法[10]計(jì)算鋼板樁圍堰，等值梁法計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 等值梁法計(jì)算簡(jiǎn)圖

q—附加地面荷載強(qiáng)度

c—正負(fù)彎矩轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即反彎點(diǎn)

X—板樁土壓力為零的點(diǎn)到反彎點(diǎn)的距離

P—c點(diǎn)的反力

(3)結(jié)構(gòu)概況

28#-30#墩基礎(chǔ)施工運(yùn)用鋼板樁作為圍堰的支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示，剖面圖如圖3所示。

圖2 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 鋼板樁圍堰剖面圖

圖4 工況一計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖5 工況二計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖6 工況三計(jì)算簡(jiǎn)圖

2 跨海大橋鋼板樁圍堰計(jì)算

2.1 依托工程計(jì)算的三種工況及計(jì)算簡(jiǎn)圖

基于鋼板樁在施工工程中的三個(gè)階段，將計(jì)算分為三種工況:工況一:當(dāng)內(nèi)支撐安裝后對(duì)圍堰內(nèi)開(kāi)展清淤，并清淤至-4.832 m，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4；內(nèi)支撐安裝后，圍堰內(nèi)清淤至-4.832 m，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4；工況二:向圍堰內(nèi)抽水至圍堰外水位，澆筑封底混凝土，待其達(dá)到強(qiáng)度后，圍堰內(nèi)抽光水，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5；工況三:圍堰內(nèi)澆筑混凝土，并拆除內(nèi)支撐，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6。

2.2 跨海大橋鋼板樁圍堰三種工況計(jì)算

(1)工況一:清淤至-4.832 m。

1)計(jì)算反彎點(diǎn)的位置

反彎點(diǎn)處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度等于被動(dòng)土壓力強(qiáng)度，即:

主動(dòng)土壓力:

被動(dòng)土壓力:

水壓力:

2)主動(dòng)土壓力及靜水壓力計(jì)算如下:

其計(jì)算模型簡(jiǎn)化如圖7:

圖7 工況一計(jì)算簡(jiǎn)化模型

可得到內(nèi)力圖如圖8:

圖8 工況一內(nèi)力圖

可得Mmax=651.13 KN·m，支座反力為178.92 KN，F(xiàn)max=234.41KN

(2)工況二:封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后對(duì)圍堰內(nèi)抽水。本工況計(jì)算封底混凝土面取設(shè)計(jì)面以下0.5 m處，即-5.473 m，主動(dòng)土壓力和靜水壓力計(jì)算如下:

計(jì)算模型簡(jiǎn)化如圖9:

圖9 工況二計(jì)算簡(jiǎn)化模型

計(jì)算可得到彎矩圖如下10:

圖10 工況二內(nèi)力圖

可得Mmax=368.11KN·m，支座反力為126.08 KN，F(xiàn)max=252.17 KN

(3)工況三:圍堰內(nèi)澆筑40 cm厚C25混凝土冠梁。假設(shè)等值梁下嵌固點(diǎn)-4.273 m處，主動(dòng)土壓力和靜水壓力:

計(jì)算模型簡(jiǎn)化如圖11:

圖11 工況三計(jì)算簡(jiǎn)化模型

可得到彎矩圖如圖12:

圖12 工況三內(nèi)力圖

可得Mmax=347.68 KN·m，支座反力為105.24 KN，F(xiàn)max=210.49KN

根據(jù)上述工況計(jì)算，鋼板樁內(nèi)力及內(nèi)支撐支撐反力計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?:

表5 鋼板樁內(nèi)力及內(nèi)支撐支撐反力

2.3 跨海大橋鋼板樁圍堰驗(yàn)算

2.3.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

三種工況下內(nèi)支撐反力最大的為工況一，F(xiàn)=178.92 KN，內(nèi)支撐所用為?630×10 mm鋼管。

A=1.95× 102cm2，I=9.36 × 104cm4

回轉(zhuǎn)半徑:

長(zhǎng)細(xì)比:

由此查穩(wěn)定系數(shù)表得φ=0.946，σ=N/(Aφ)＜215 MPa，穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

2.3.2 鋼板樁承受最大彎矩

1 m寬的拉森Ⅳ型鋼板樁的各質(zhì)量特性為:W=2037 cm3，橫截面積236 cm2，三種工況中鋼板樁最大彎矩為651.13×106KN·m:

215 MPa，安全。

2.3.3 圍堰整體抗浮驗(yàn)算

封底混凝土厚度為1.5 m，標(biāo)號(hào)采用C25，尺寸:18.8 m×8.2 m，圍堰尺寸:28.8 m×13.2 m，水下C25混凝土設(shè)計(jì)值ftd=1.27 MPa，考慮為施工階段混凝土的允許彎拉應(yīng)力取1.5倍安全系數(shù)；鋼與混凝土粘結(jié)力:一般取100-200 KN/m2，這里取120 KN/m2；混凝土容重:23 KN/m3；

封底混凝土體積:V=1.5×(18.8×8.2-3.14×0.92×16)=170.20 m3

封底混凝土自重:G=23×170.20=3914.6 KN

護(hù)筒粘結(jié)力:T1=1.5×3.14×1.8×120×16=18086.4 KN

鋼板樁與封底混凝土的粘結(jié)力:T2=1.5×(18.8+8.2)×2.0×120=9720 KN

封底混凝土底面受水浮力:P=(18.8×8.2-3.14×12×16)×10×7.103=7381.4 KN

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定抗浮安全系數(shù)不小于 1.05，此處抗浮系數(shù):，圍堰整體抗浮滿(mǎn)足要求。

3 結(jié)論

本文通過(guò)運(yùn)用等值梁法對(duì)某跨海大橋深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰進(jìn)行受力分析，得到以下結(jié)論:

(1)結(jié)合跨海大橋橋址區(qū)地質(zhì)及鋼板樁資料，運(yùn)用等值梁法對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行計(jì)算，鋼板樁圍堰內(nèi)支撐最大反力處應(yīng)力小于允許應(yīng)力215 Mpa，抗彎強(qiáng)度小于鋼板樁允許抗彎強(qiáng)度值215 Mpa，抗浮系數(shù)大于1.05，跨海大橋深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰在實(shí)際中處于安全狀態(tài)。

(2)鋼板樁在施工過(guò)程中應(yīng)充分考慮施工周期內(nèi)最大水流對(duì)其沖擊力，為了能夠更加真實(shí)的反映鋼板樁的受力情況，應(yīng)在鋼板樁支撐處加最大強(qiáng)制支座位移，但本文未考慮這一因素的影響。因而計(jì)算結(jié)果偏于安全。