李孝雄，袁楓斌，劉明坤，3

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

0 引言

鋼板樁圍堰強度高，容易打入堅硬的土層，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，并且可以多次重復使用，節(jié)約成本，因此，鋼板樁應用廣泛[2]。但在水域環(huán)境使用鋼板樁時，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]。外國學者bulm在1931年對U型鋼板樁進行了研究，最終得出鋼板樁抗彎剛度的折減規(guī)律[5]。Hartmann-Linden等人對于鋼板樁的橫向彎曲進行研究[6]，當鋼板樁截面不對稱時會使鋼板樁產(chǎn)生橫向彎曲，鋼板樁墻就會通過一部分的抵抗彎矩來平衡橫向彎矩，因而會導致抵抗彎矩變小，這對工程的安全是極為不利的。駱冠勇等對新光大橋鋼板樁圍堰的設計進行了優(yōu)化[7]，通過將計算結果與現(xiàn)場的檢測數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)兩種結果的鋼板樁墻位移相差較大，通過分析得出鋼板樁計算時對于不同的工況應選取不同的模量。

本文結合某跨海大橋深鋼板樁圍堰實體工程，運用等值梁法對鋼板樁圍堰進行受力分析。鋼板樁在實際中下端承受土體對其嵌固作用，且上端利用內(nèi)支撐防止圍堰發(fā)生傾覆破壞。計算時假設內(nèi)支撐為剛性支撐，但在實際過程中為彈性支撐，因此，計算中加上鋼板樁與內(nèi)支撐連接處的位移，得出其內(nèi)力和應力[8-9]。通過計算結果，對依托工程進行鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性、最大彎矩及整體抗浮進行驗算，驗證了鋼板樁圍堰的安全性。

1 工程概況

1.1 橋址區(qū)工程地質情況

跨海大橋橋墩采用樁基礎，根據(jù)地質勘察報告，28#-30#墩地質資料及土層參數(shù)見表1。

表1 28#-30#墩土層參數(shù)表

28#-30#墩基礎主、被動土壓力系數(shù)及被動土壓力修正系數(shù)見表2。

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

1.2 鋼圍堰設計資料

(1)根據(jù)設計資料，28#-30#墩基礎采用鋼板樁圍堰，鋼板樁截面特性值見表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]計算鋼板樁圍堰，等值梁法計算簡圖如圖1。

圖1 等值梁法計算簡圖

q—附加地面荷載強度

c—正負彎矩轉折點，即反彎點

X—板樁土壓力為零的點到反彎點的距離

P—c點的反力

(3)結構概況

28#-30#墩基礎施工運用鋼板樁作為圍堰的支護結構，鋼板樁圍堰結構平面圖如圖2所示，剖面圖如圖3所示。

圖2 鋼板樁圍堰結構平面圖

圖3 鋼板樁圍堰剖面圖

圖4 工況一計算簡圖

圖5 工況二計算簡圖

圖6 工況三計算簡圖

2 跨海大橋鋼板樁圍堰計算

2.1 依托工程計算的三種工況及計算簡圖

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

2.2 跨海大橋鋼板樁圍堰三種工況計算

(1)工況一:清淤至-4.832 m。

1)計算反彎點的位置

反彎點處的主動土壓力強度等于被動土壓力強度，即:

主動土壓力:

被動土壓力:

水壓力:

2)主動土壓力及靜水壓力計算如下:

其計算模型簡化如圖7:

圖7 工況一計算簡化模型

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:封底混凝土達到設計強度后對圍堰內(nèi)抽水。本工況計算封底混凝土面取設計面以下0.5 m處，即-5.473 m，主動土壓力和靜水壓力計算如下:

計算模型簡化如圖9:

圖9 工況二計算簡化模型

計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。假設等值梁下嵌固點-4.273 m處，主動土壓力和靜水壓力:

計算模型簡化如圖11:

圖11 工況三計算簡化模型

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)上述工況計算，鋼板樁內(nèi)力及內(nèi)支撐支撐反力計算結果匯總如表5:

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算

2.3.1 穩(wěn)定性驗算

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

回轉半徑:

長細比:

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 圍堰整體抗浮驗算

封底混凝土厚度為1.5 m，標號采用C25，尺寸:18.8 m×8.2 m，圍堰尺寸:28.8 m×13.2 m，水下C25混凝土設計值ftd=1.27 MPa，考慮為施工階段混凝土的允許彎拉應力取1.5倍安全系數(shù)；鋼與混凝土粘結力: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

護筒粘結力: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)《地鐵設計規(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):，圍堰整體抗浮滿足要求。

3 結論

本文通過運用等值梁法對某跨海大橋深水基礎鋼板樁圍堰進行受力分析，得到以下結論:

(1)結合跨海大橋橋址區(qū)地質及鋼板樁資料，運用等值梁法對鋼板樁圍堰進行計算，鋼板樁圍堰內(nèi)支撐最大反力處應力小于允許應力215 Mpa，抗彎強度小于鋼板樁允許抗彎強度值215 Mpa，抗浮系數(shù)大于1.05，跨海大橋深水基礎鋼板樁圍堰在實際中處于安全狀態(tài)。

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