【摘 要】軟基地區(qū)位于河床上的結(jié)構(gòu)物基坑開挖深度≥2m時(shí)，采用常規(guī)支護(hù)，既不能止水，又加大施工成本且存在嚴(yán)重的安全隱患，因此選取拉森鋼板樁圍堰作為支護(hù)措施。為保證拉森鋼板樁圍堰的安全性，根據(jù)其受力情況，采用MIDAS軟件對(duì)拉森鋼板樁圍堰和圍檁進(jìn)行建模計(jì)算分析，選取4個(gè)工況進(jìn)行荷載計(jì)算分析，對(duì)最不利工況引起的強(qiáng)度、變形進(jìn)行計(jì)算，對(duì)拉森鋼板的入土深度驗(yàn)算，圍堰整體抗浮、基坑土體隆起驗(yàn)算。

【關(guān)鍵詞】水中墩承臺(tái)；拉森鋼板樁；MIDAS軟件；強(qiáng)度；變形；入土深度；抗??；隆起；止水

1 工程概況

浦陽江特大橋采用75+135+75m連續(xù)梁跨越浦陽江，連續(xù)梁44#墩位于浦陽江東江堤，45#墩位于浦陽江河床上，46#墩位于河灘中。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)、適用、安全方面考慮，水中45#墩承臺(tái)開挖采用28.5m拉森VIw型鋼板樁圍堰進(jìn)行施工，拉森鋼板樁之間咬合緊密，咬合之間采用橡膠墊止水，必要時(shí)采用水溶性聚氨脂止水。

豎向設(shè)置兩道鋼圍檁，第一道鋼圍檁采用雙拼I40a工字鋼，對(duì)撐、斜撐采用φ325×8mm鋼管。第二道鋼圍檁采用雙拼HN700×300mm型鋼，對(duì)撐、斜撐采用φ700×12mm鋼管，具體布置詳見圖1。圍檁與每根拉森鋼板樁之間空隙需打入木楔式鋼板抵緊。轉(zhuǎn)角處需設(shè)置專用角構(gòu)件，管道安裝需調(diào)整對(duì)撐間距并及時(shí)回頂。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

由施工圖紙可知，45#墩處第一層土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層高為27m，土層的基本承載力為60kPa，天然土容重為17.6KN/m3，內(nèi)摩擦角為4.54°，凝聚力為9.82kPa，壓縮模量為3.1MPa。鋼板樁頂標(biāo)高為6.5m，施工水位標(biāo)高為5.50m，河床底標(biāo)高為3.694m，基坑底標(biāo)高為-6.263m。拉森鋼板樁設(shè)計(jì)兩道圍檁，第一道圍檁標(biāo)高為5.0m，第二道圍檁標(biāo)高為0.5m。拉森鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)尺寸為20.2×15.4m，拉森鋼板樁擬采用28.5m長(zhǎng)拉森IVw型鋼板樁，材質(zhì)為SY295，屈服點(diǎn)為295MPa，容許應(yīng)力[σ]=240 MPa。

3 拉森鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.2 施工步驟

拆除四周鉆孔平臺(tái)，在靠近承臺(tái)側(cè)定位樁上焊接牛腿，安裝第一道內(nèi)支撐作為鋼板樁插打?qū)驀鷻_→插打鋼板樁至合攏→圍堰內(nèi)清淤、水下吸泥至0.000m，在+0.500m處水下安裝第二道內(nèi)支撐→水下吸泥并澆筑封底砼→待砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，鑿樁頭，施工承臺(tái)→拆除承臺(tái)模板，在承臺(tái)與鋼板樁空隙間回填砂、土混合物，頂部澆筑0.4m高砼冠梁→待0.4m高砼冠梁達(dá)到強(qiáng)度后，拆除第二道內(nèi)支撐→圍堰內(nèi)繼續(xù)注水至圍堰外水位，拆除第一道內(nèi)支撐→拔除鋼板樁。

3.3 拉森鋼板樁工況荷載計(jì)算

拉森鋼板樁及圍檁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性采用MIDAS軟件計(jì)算，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)計(jì)算時(shí)取1m寬單位寬度鋼板樁。 計(jì)算主動(dòng)土壓力時(shí)不考慮土的粘聚力（c=0）。 彎矩為零的位置約束設(shè)置為鉸接，故等值梁相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)支梁，方便計(jì)算，鋼板樁在封底砼面以下0.5m處固結(jié)，在MIDAS中限制全部約束，土壓力計(jì)算采用不考慮水滲流效應(yīng)的水土分算法，即鋼板樁承受孔隙水壓力、有效主動(dòng)土壓力及有效被動(dòng)土壓力。

根據(jù)施工步驟分四個(gè)工況荷載計(jì)算：

工況一：第一道內(nèi)支撐安裝完成后，圍堰內(nèi)清淤、水下吸泥至0.0m。

工況二：第二道內(nèi)支撐安裝完成后，水下吸泥清淤至-6.263m。

工況三：封底砼達(dá)到強(qiáng)度后，抽光圍堰內(nèi)的水。

工況四：承臺(tái)、墩身施工完成后回填砂土并在頂部澆筑40cm厚C25砼冠梁，拆除第二道支撐。以上各工況計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

根據(jù)以上四個(gè)工況分別進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算可知，工況二拉森鋼板樁應(yīng)力最大為210.56Mpa，拉森鋼板樁彎矩最大為568.5KN·m。工況四時(shí)第一道圍檁支撐反力最大為65.3KN，工況三第二道圍檁支撐反力最大為446.2KN。各工況計(jì)算圖分別見圖3-6，計(jì)算結(jié)果見表1。

3.4 拉森鋼板樁入土深度計(jì)算

對(duì)拉森鋼板樁OC段進(jìn)行應(yīng)力分析，由Midas分析結(jié)果可知，工況二作用于拉森鋼板樁上時(shí)其產(chǎn)生的彎矩值最大，為其最不利工況，可知工況二作用時(shí)拉森鋼板樁的反力圖和分析簡(jiǎn)圖如圖7、8：

由靜力平衡 ，可知O點(diǎn)處的剪力為110.8KN，則可求出拉森鋼板樁反彎點(diǎn)以下OC段的嵌固深度為：

對(duì)嵌固深度進(jìn)行放大，取放大系數(shù)1.1，則可知拉森IVw型鋼板樁實(shí)際嵌固深度為：

工況二作用時(shí)拉森鋼板樁的計(jì)算長(zhǎng)度為20.635m，則拉森IVw型鋼板樁的總長(zhǎng)為20.635+7.748=28.383m，則取拉森IVw型鋼板樁總長(zhǎng)取28.5m。

3.5 圍檁設(shè)計(jì)計(jì)算

3.5.1 第一道圍檁計(jì)算

由上表1可知，第一道圍檁承受的最大支撐反力為65.3KN，采用雙拼Ⅰ40a工字鋼，斜撐和對(duì)撐采用φ325×8mm鋼管。圍檁平面尺寸20.2×15.4m，橫橋向長(zhǎng)度為5.1m+5.2m+5.1m，縱橋向長(zhǎng)度為5.16m+0.62m+4.32m++4.32m+0.62m+5.16m，在鋼管和鋼管的相交處焊接牛腿設(shè)置豎向支撐， Midas中建?？傻闷鋺?yīng)力分析模型圖見圖9，其余計(jì)算圖見圖10-12。

3.5.1.1 強(qiáng)度計(jì)算

由以上計(jì)算結(jié)果可知，第一道圍檁的最大位移為3mm，圍檁圈梁的最大組合應(yīng)力為84.7MPa<215MPa，φ325×8mm鋼管的最大組合應(yīng)力為63.1 MPa<215MPa，滿足規(guī)范要求。

3.5.1.2 穩(wěn)定性計(jì)算

分析結(jié)果中鋼管的軸力圖見圖13：

按最不利截面分析其穩(wěn)定性，φ325×8mm鋼管的最不利截面為A類截面，其回轉(zhuǎn)半徑，則其長(zhǎng)細(xì)比，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C可知，φ325×8mm鋼管截面的穩(wěn)定系數(shù)。

由上圖可知鋼管最大軸力為462.3KN，φ325×8mm鋼管截面面積為78.42cm2，則穩(wěn)定性驗(yàn)算公式，則可知其穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.5.2 第二道圍檁計(jì)算

由上表1可知，第二道圍檁承受的最大支撐反力為446.2KN，采用雙拼HN700×300型鋼，斜撐和對(duì)撐采用φ700×12mm鋼管。圍檁平面尺寸20.2×15.4m，橫橋向長(zhǎng)度為5.1m+5.2m+5.1m，縱橋向長(zhǎng)度為5.16m+0.62m+4.32m++4.32m+0.62m+5.16m，在鋼管和鋼管的相交處焊接牛腿設(shè)置豎向支撐， Midas中建?？傻闷鋺?yīng)力分析模型圖見圖14，其余計(jì)算圖見圖15-17。

3.5.2.1 強(qiáng)度計(jì)算

由以上計(jì)算結(jié)果可知，第二道圍檁的最大位移為6mm，圍檁圈梁的最大組合應(yīng)力為142.9MPa<215MPa，鋼管的最大組合應(yīng)力為139.1 MPa<215MPa，滿足規(guī)范要求。

3.5.2.2 穩(wěn)定性計(jì)算

分析結(jié)果中鋼管的軸力圖見圖18。

按最不利截面分析其穩(wěn)定性，φ700×12mm鋼管的最不利截面為A類截面，其回轉(zhuǎn)半徑，則其長(zhǎng)細(xì)比，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C可知，φ325×8mm鋼管截面的穩(wěn)定系數(shù)。

由上圖可知鋼管最大軸力為3042.8KN，φ700×12mm鋼管截面面積為259.37cm2，則穩(wěn)定性驗(yàn)算公式，則可知其穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.5.3 支座強(qiáng)制位移驗(yàn)算

將第二道圍檁的最大位移6mm以支座強(qiáng)制位移的形式加到工況三的鋼板樁有限元模型中，彎矩計(jì)算結(jié)果見圖19，反力計(jì)算結(jié)果見圖20。

由計(jì)算結(jié)果可知其最大彎矩為17.6KN·m小于上述表1中工況二鋼板樁的最大彎矩568.5KN·m，則拉森鋼板樁的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4 圍堰整體抗浮驗(yàn)算

封底混凝土采用C30，厚1.5m，圍堰尺寸20.2×15.4m。水下混凝土抗折設(shè)計(jì)值1.75MPa，考慮施工階段1.5倍的安全系數(shù)，其抗折容許值為1.17MPa。

鉆孔樁樁徑2.2m，鋼護(hù)筒外徑2.4m，承臺(tái)樁數(shù)12根，鋼與混凝土的粘結(jié)力一般取100-200kPa，取150 kPa，混凝土容重24KN/m3。

則封底混凝土體積為：

則可知基坑抗浮穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

5 基坑底土抗隆起驗(yàn)算

根據(jù)普朗特爾及太沙基的地基承載力計(jì)算公式，其驗(yàn)算公式如下：

則可知坑底土體抗隆起滿足規(guī)范要求。

【結(jié)束語】

根據(jù)水中承臺(tái)的施工步驟對(duì)拉森鋼板樁圍堰進(jìn)行計(jì)算分析，得出鋼板樁的強(qiáng)度、剛度和入土深度均滿足施工的需要，并且有較大的安全系數(shù)和滿意的止水效果，對(duì)圍堰的抗浮、基底坑底的隆起檢算，使圍堰始終處于安全的狀態(tài)。采用拉森鋼板樁圍堰（費(fèi)用約285萬）對(duì)比投標(biāo)時(shí)的雙壁鋼圍堰（費(fèi)用為697.2萬），大幅降低了施工成本。

參考文獻(xiàn)：

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[4]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB_50007-2011

[5]《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》