陳 利

1 工程概況

盤(錦)營(yíng)(口)高鐵客運(yùn)專線盤海特大橋主橋481號(hào)～483號(hào)墩承臺(tái)臺(tái)址處水深約3．2 m，施工期間水位相對(duì)穩(wěn)定，出于該臺(tái)址附近河域后期新建港口碼頭、河道通航需要，承臺(tái)底部設(shè)計(jì)在水下埋深11．198 m處，承臺(tái)高度3．5 m，河底土質(zhì)基本為滲水性粉細(xì)砂［1］。

2 施工方案確定

鋼板樁圍堰對(duì)于水下或富含水地質(zhì)條件下承臺(tái)圍堰施工法插打板樁和吊裝不需大型起吊和下沉設(shè)備，尤其適宜于本施工點(diǎn)臺(tái)址處地層土質(zhì)分布比較均勻的粉細(xì)砂(地下孤石分布極少)地質(zhì)條件，同時(shí)，鋼板樁可以重復(fù)利用于本單位管段內(nèi)其他多個(gè)承臺(tái)的同類施工，從經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)性角度來(lái)看，是一種良好的施工方法。

基于此，水深3．2 m范圍內(nèi)采用回填高度3．6 m的滲水性填料筑島，481號(hào)～483號(hào)墩承臺(tái)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(zhǎng)18 m，圍堰平面尺寸為21．6 m×17．6 m，按設(shè)置四道內(nèi)支撐進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。圍堰樁頂標(biāo)高為+2．442 m，第一道內(nèi)支撐標(biāo)高為+1．942 m，第二道內(nèi)支撐標(biāo)高為-1．058 m，第三道內(nèi)支撐標(biāo)高為-3．558 m，第四道內(nèi)支撐標(biāo)高為-6．058 m，封底混凝土厚度為2 m，基坑底標(biāo)高為-9．598 m(即封底混凝土底面標(biāo)高)(見(jiàn)圖1)。

圖1 鋼板樁圍堰施工方案立面圖

3 圍堰結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3． 1 計(jì)算資料

3．1．1 地質(zhì)資料

墩位處筑島面以下地質(zhì)資料:

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

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

3．1．2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

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

3． 2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算［2，3］

計(jì)算過(guò)程中土壓力的計(jì)算采用水土分算原則，忽略粘聚力影響，同時(shí)，土層的物理力學(xué)特征值參考JTJ 024-85公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范。

1)反彎點(diǎn)位置計(jì)算。

工況1:第1道內(nèi)支撐安裝完后，圍堰內(nèi)開(kāi)挖至標(biāo)高-1．558 m處(第2道內(nèi)支撐下50 cm)，準(zhǔn)備安裝第2道內(nèi)支撐時(shí)，此時(shí)第1道內(nèi)支撐受力處于最不利狀態(tài)，計(jì)算如下:

利用鋼板樁內(nèi)外側(cè)土壓力等于0的點(diǎn)作為反彎點(diǎn)位置，假定其離基坑底面的距離y，在y處鋼板樁主動(dòng)土壓力強(qiáng)度等于被動(dòng)土壓力強(qiáng)度:

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

因筑島頂放坡開(kāi)挖至第1道內(nèi)支撐處(標(biāo)高+1．942 m)，此時(shí)鋼板樁外側(cè)主動(dòng)土壓力值Pa為:

基坑底面處鋼板樁外側(cè)主動(dòng)土壓力值為:

假定反彎點(diǎn)進(jìn)入細(xì)砂層內(nèi)y'處，則鋼板樁外側(cè)土壓力強(qiáng)度值(筑島頂面至反彎點(diǎn))P1與鋼板樁內(nèi)側(cè)土壓力強(qiáng)度值(基坑底面至反彎點(diǎn))P2分別為:

外側(cè)與內(nèi)側(cè)土壓力強(qiáng)度值相等:P1=P2，得:y'=0．726 m。

由此，基坑底面距反彎點(diǎn)距離為:y=7．6-5．158+y'=3．17 m。

2)內(nèi)力計(jì)算。

以第1道內(nèi)支撐及開(kāi)挖第1段基坑底為支撐點(diǎn)，由土力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)常規(guī)計(jì)算理論建立鋼板樁簡(jiǎn)支梁受力模型，容易求得第1道內(nèi)支撐處反力R11=149．7 kN(字母下標(biāo)第一個(gè)數(shù)字為工況號(hào)，第二個(gè)數(shù)字為內(nèi)支撐號(hào))、鋼板樁最大彎矩為M1max=90．9 kN·m。

采用相同的分析計(jì)算方法，逐一計(jì)算工況2到工況4反彎點(diǎn)位置及鋼板樁受力情況見(jiàn)表1(這里，工況2指第2道內(nèi)支撐安裝完后，圍堰內(nèi)開(kāi)挖至標(biāo)高-4．058 m處，即第3道內(nèi)支撐下50 cm處;工況3、工況4同理)。

表1 各工況內(nèi)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(kāi)挖過(guò)程中，樁所受的外力主要包括樁側(cè)背的土體側(cè)壓力及停置于圍堰外側(cè)進(jìn)行施工作業(yè)的挖掘機(jī)具引起的土體壓力。近似地將外力分配到圍堰的內(nèi)支撐上，由于圍堰的內(nèi)支撐是逐層設(shè)置的，設(shè)置好的內(nèi)支撐將平衡下一層土體開(kāi)挖時(shí)引起的附加側(cè)壓力，因此，確定樁的最小入土深度可通過(guò)對(duì)基坑面以下t/2點(diǎn)處取彎矩平衡的方法求得(見(jiàn)圖2)。

圖2 計(jì)算樁的最小入土深度示意圖

對(duì)基坑面以下t/2點(diǎn)處取矩列平衡方程:

其中，Ri為各道內(nèi)支撐反力，即反力R1～R4的數(shù)值;Li為各道內(nèi)支撐到基坑面以下t/2點(diǎn)處的距離;Sj為樁側(cè)背分布力面積所代表的各個(gè)合力，即如圖2所示的兩個(gè)梯形、一個(gè)矩形所代表分布力的合力;Fj為樁側(cè)背分布力的合力到基坑面以下t/2點(diǎn)處的距離。

由此求得樁的最小入土深度理論值t1為:

說(shuō)明:這里所得的最小入土深度t是充分考慮了圍堰開(kāi)挖施工過(guò)程中挖掘機(jī)等機(jī)具設(shè)備等作業(yè)荷載以及逐層開(kāi)挖、逐道設(shè)置內(nèi)支撐的實(shí)際施工情況而得到的相對(duì)準(zhǔn)確值。由于在開(kāi)挖過(guò)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(dǎo)致流砂情況發(fā)生而改變圍堰開(kāi)挖過(guò)程中的受力狀態(tài);其次，樁在基坑以下部分的真實(shí)嵌固點(diǎn)與假定的基坑面以下t/2點(diǎn)處存在一定的小偏差;第三，基坑內(nèi)的水頭與圍堰外側(cè)水頭差隨開(kāi)挖及特殊工序的回注水導(dǎo)致圍堰內(nèi)外側(cè)水頭差的不定性影響等，所有這些對(duì)最小入土深度值都是有影響的。因此，取安全系數(shù)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(tái)鋼板樁圍堰高18 m，實(shí)際入土深度為6 m，滿足要求。

4)鋼板樁抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。

由表1及力學(xué)理論計(jì)算經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)度驗(yàn)算指標(biāo)，鋼板樁的抗彎強(qiáng)度σ為:

驗(yàn)算結(jié)論:鋼板樁圍堰施工方案安全可行。

5)內(nèi)支撐強(qiáng)度驗(yàn)算。

為防止鋼板樁圍堰在施工過(guò)程中整體與局部失穩(wěn)，在圍堰內(nèi)設(shè)置4道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)為:內(nèi)支撐為4道2Ⅰ40b型及3Ⅰ50b型工字鋼組合受壓構(gòu)件，軸向容許應(yīng)力［σ］=160 MPa，抗彎容許應(yīng)力［σw］=170 MPa，剪應(yīng)力［τ］=95 MPa。

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

4 結(jié)語(yǔ)

盤營(yíng)高鐵客運(yùn)專線盤海特大橋主橋481號(hào)～483號(hào)墩承臺(tái)鋼板樁圍堰開(kāi)挖、支護(hù)施工過(guò)程中，圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，構(gòu)件無(wú)明顯變形，進(jìn)一步證明了上述設(shè)計(jì)計(jì)算方案的合理性。

［1］ 盤(錦)營(yíng)(口)高鐵客運(yùn)專線盤海特大橋施工設(shè)計(jì)圖［Z］．天津:中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2009．

［2］ 凌治平，易經(jīng)武．基礎(chǔ)工程［M］．北京:人民交通出版社，2004:7．

［3］ 趙志縉．簡(jiǎn)明深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000:4．

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