板樁圍堰在渡槽墩臺基坑工程中的應用技術研究

張昀保，馬振波，朱亞飛，張心欣

(1.河北省水利科學研究院，石家莊 050057； 2.南水北調中線干線工程建設管理局 河北分局，石家莊 050000)

1 工程概況

某渡槽工程，墩臺位于河道內。橋墩承臺平面尺寸為20.6 m×9.8 m，高為3.0 m，承臺下設 14 根直徑為1.5 m 鉆孔灌注樁，用于傳遞上部荷載。承臺底標高-7.753 m,承臺頂標高 -4.753 m，河床面標高-4.73 m。基坑處土層分層情況及力學參數詳見表1。

表1 土層力學參數表

考慮施工場地的水文地質條件，基坑圍堰選擇拉森IVw型鋼板樁進行支護，材質 SY295，鋼板樁寬600 mm、高210 mm、厚18 mm、截面積為135.3 cm2。鋼板樁容許應力[σ]=295 MPa

基坑深度為14.053 m，單根鋼板樁總長度為 29 m，長高比較大。圍堰外圍的平面尺寸為 23.64 m×12.54 m，圍堰頂高程為 +5.0 m，圍堰底高程為-24.0 m，內支撐需要設置4道。封底混凝土厚 1.3 m。

第一道內支撐標高2.50 m，與樁頂間距2.5 m，共設3根。內支撐圈梁采用 2HM588*300 型鋼, 截面積3.85×104mm2，斜向支撐采用φ530×8 mm 鋼管，垂直對撐采用 2HM588*300 型鋼。

第二道內支撐標高-1.00 m，與第一道間距3.5 m，共設3根。圈梁內支撐采用 2HM700*300型鋼，截面積(4.71×104mm2)，以下同。

第三道內支撐標高-4.00 m，與第二道間距3 m，共設3根。

第四道內支撐標高-6.50 m，與第三道間距2.50 m，共設5根。

鋼板樁的入土深度不應小于鋼板樁的0.5倍，嵌固深度在鋼板樁位移為零的位置，嵌固深度取基坑開挖后鋼板樁嵌入土體的深度：

D=總長-基坑深度=29-14.053=14.947 m>0.5×29 m

圍堰總體立面布置圖見圖1。

圖1 圍堰總體立面布置圖

2 圍堰結構的計算

2.1 土壓力計算

為了進行鋼板樁圍堰的力學分析，首先要進行土壓力的計算。考慮基坑周圍的施工情況，取超載q=5.28 kPa。土壓力采用水土合算公式：

(1)

土壓力計算值見圖2。

圖2 土壓力分布圖(單位：kPa)及內支撐內力 計算簡圖(單位：kN)

2.2 內支撐的內力校核

采用分擔面積法對內支撐進行內力計算，簡化計算結構，將鋼板樁簡化為懸臂梁，土壓力簡化為三角分布荷載，內支撐簡化為集中力Q。計算大小為各內支撐所分擔的面積。

Q1=(0.1+(7.28+46.93)*4.05/2)*23.64/3=865.82 kN

Q2=(46.93+78.75)*3.25/2*23.64/3=1 609.33 kN

Q3=((78.75+100.58)*2.23/2+(54.43+61.5)*0.52/2)*23.64/3=1 813.15 kN

Q4=(61.5+113.2)*3.8/2*23.64/5=1 569.36 kN

支撐材料2HM588*300 型鋼的抗力[1]為5 024.3 kN，滿足要求。

2.3 鋼板樁的抗剪強度校核

采用分擔面積法，鋼板樁剪應力T為：

T1=(0.1+(7.28+29.8)*2.3/2)*23.64/3=336.81 kN

T2=T1-Q1=336.81-865.82= -529.01 kN

T3=T2+∑S2*D2=529.01+(29.8+64.06)*3.5/2*23.64/3=765.32 kN

T4=T3-Q2=765.32-1609.33=-844.01 kN

T5=T4+(64.06+93.43)*3/2*23.64/3=1017.52 kN

T6=T5-Q3=1017.52-1813.15=-795.63 kN

T7=T6+((93.43+100.58)*0.73/2+(54.43+78.51)*1.77/2)*23.64/3=689.48 kN

T8=T7-Q4=689.48-1569.37=-879.88 kN

T9=T8+(78.51+113.2)*2.55/2*23.64/3=1046.23 kN

由上可知，Tmax=1 046.23 kN，鋼板樁寬度B為600 mm，厚度t為18 mm，進行抗剪強度校核：

(2)

計算結果滿足剪切強度要求。

2.4 鋼板樁的正應力驗算

根據彎矩、剪力的微積分關系可知，彎矩不利位置為剪力圖內各剪力突變處、剪力圖的零點處，即集中力處與剪力圖零點處。經計算，鋼板樁的彎矩分布圖見圖3。

圖3 結構的彎矩

從圖3中可知，最不利彎矩位置位于第三道、第四道中點處，彎矩M=2 986.1 kN·m

帶入正應力的強度條件式：

σ=My/Wz=2 986.1×1 000×0.018÷56 700÷108=94.80 MPa<[σ]=295 MPa

(3)

計算結果滿足強度條件。

2.5 圈梁的強度驗算

2.5.1 圈梁的抗剪強度計算

根據土壓力的分布圖，第三道內支撐的土壓力為最大，取第三道內支撐處的圈梁計算圈梁的強度驗算。

在第三道內支撐處，Q3=1 813.15 kN，根據二分擔法，第三道內支撐處所承擔的的土壓力化為分布荷載，大小為：

q=3×Q3/圍堰外圍長度=3×1 813.15/23.64=230.1 kN/m

圖4為圈梁的結構簡圖。

經計算,圈梁的剪力計算值見圖5。

圖4 圈梁的結構簡圖

圖5 圈梁的剪力圖

計算得出圈梁的最大剪力為1 697.2 kN，剪應力為：

τ=T/S=1 697.2×103/192.5×104=88.17 MPa<[τ]=110 MPa

(4)

計算結果滿足抗剪強度校核。

2.5.2 圈梁的正應力驗算

圈梁的彎矩計算值見圖6。

表6 圈梁的彎矩圖(單位：kN·m)

計算得出圈梁的最大彎矩為6 235.4 kN·m，則：

σ=My÷Wx=6 235.4÷4 020÷106=15.51 MPa<[σ]=170 MPa

(5)

計算結果滿足正應力的強度校核。

2.6 封底混凝土抗浮驗算

圍堰進行混凝土封底是有效防止水頭差產生的水壓力從底部滲入的措施。由于封底混凝土體積較大，會產生較大的向上浮力，需要進行抗浮驗算[2]。封底混凝土平面尺寸為22.6 m×11.2 m，厚度1.3 m，采用C25，其容重γ=24 kN/m3。樁基鋼護筒外徑為1.5 m，共14根，鋼與混凝土黏結力取200 kN/·m3。

封底混凝土體積：

V=1.3×(22.8×11.2-3.14×0.752×14)=299.8 m3

封底混凝土自重：

G=24×299.8=7 195.7 kN

護筒黏結力：

T1=1.3×3.14×1.5×200×14=17 144.4 kN

鋼板樁圍堰黏結力：

T2=1.3×2×(22.8×11.2)×200=17 680 kN

封底混凝土底部到水面的距離為：

4.8+9.053 m

封底混凝土底面受水浮力：

P=(22.8×11.2-3.14×0.752×14)×10×(4.8+9.053)=18 862.57 kN

G+T1+T2=7 195.7+17 144.4+17 680=42 020.1 kN>P=31 949.5 kN

(6)

計算結果表明，圍堰整體抗浮滿足要求。

3 整體驗算

3.1 整體穩定驗算

利用理正6.0深基坑軟件，采用瑞典條分法驗算整體穩定性。計算所建立的整體傾覆破裂面見圖7，計算結果見表1。工況一：抽水至水平面處；在+2.5 m處加支撐一；工況二：抽水至河底面，施加內支撐二；工況三：加內支撐三；工況四：開挖至基坑底部處，并加內支撐四。

圖7 整體傾覆破裂面圖

抗傾覆穩定條件公式：

(7)

Mp=Mp1+Mp2

式中：Ma為傾覆力矩，大小為坑外主動土壓力對樁底取距；Mp1為抗傾覆彎矩，等于內支撐的抗力對樁底取距，此處選用內支撐的抗力進行驗算；Mp2為抗傾覆力矩，等于坑內的被動土壓力對樁底取距(坑內水壓力與坑外水壓力抵消三角形部分)。

整體穩定性驗算結果見表2。

表2 整體穩定性驗算結果

以上計算均大于規范允許值1.2，各工況滿足整體抗傾覆驗算。

3.2 抗隆起驗算

計算所用的抗隆起驗算圖見圖8。

圖8 抗隆起驗算圖

根據基坑抗隆起計算公式[2]：

(8)

Ks=1.162≥=1.15,滿足規范要求。

4 基坑的施工過程

首先完成鋼板樁的插打，然后拼裝圈梁并下放到位；利用低潮位進行圍堰內支撐的施工。抽水至水平面0.0 m處，在+2.5 m安裝內支撐一；抽水至河底處-4.73 m處，在-1.0 m安裝內支撐二；在-4.0 m處安裝內支撐三；加水吸泥至第四道內支撐處，在-6.5 m安裝第四道內支撐；繼續抽水吸泥至封底混凝土底面-9.053 m，澆筑封底混凝土底部標高-9.053，高為1.3 m，待混凝土達到設計強度后，并打14根鉆孔樁。

拆除第四道內支撐，對承臺進行施工，承臺高度為3 m，平面尺寸略小于基坑尺寸。在承臺與鋼板樁周圍的空隙間回填2.5 m的砂土混合物，并在頂部澆筑0.5 m高砼冠梁，用于維持圍堰的穩定。 待砼冠梁達到強度后，拆除第三道內支撐； 選擇潮水為低水位時，注水至圍堰外水位高度，平衡內外水壓力差，拆除第二道與第一道內支撐。

進行圍堰鋼板樁拆除，按照先下游、再兩側、后上游的拆除順序，選擇下游易拆除的鋼板樁振動幾分鐘使其松動，拔出1～2 m，以同樣的方式將所有的鋼板樁松動拔高1～2 m，再依此順序拔除鋼板樁。

5 結 論

針對某渡槽墩臺基坑工程，依據基坑場地的水文工程地質情況，選擇鋼板樁圍堰結構作為本設計的支護方案。采用理論計算和理正計算相結合的方式，對鋼板樁、內支撐、圈梁進行了強度校核和抗力校核，同時進行了封底混凝土抗浮驗算、整體抗傾覆穩定性驗算、抗隆起驗算，并介紹了鋼板樁基坑支護的施工要點。