何 俊

（華亭市交通運(yùn)輸局，甘肅 華亭 741000）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的加大，工程建設(shè)領(lǐng)域的技術(shù)水平也在逐漸提高[1]。鋼板樁在特殊地基設(shè)計(jì)中有較高的性價(jià)比，因此被廣泛應(yīng)用。擬建某特大橋，其地基上層為填筑土，中間層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地質(zhì)十分復(fù)雜。設(shè)計(jì)單位結(jié)合現(xiàn)場施工的規(guī)模及特點(diǎn)，通過方案比選優(yōu)化，提出采用鋼板樁進(jìn)行基坑支護(hù)處理。由于鋼板樁的支護(hù)設(shè)計(jì)可為特殊地質(zhì)條件下各類結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，本文專門就該深基坑鋼板樁支護(hù)設(shè)計(jì)驗(yàn)算進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 工程概況

某特大橋橋墩為（64m+64m）T構(gòu)主墩，墩承臺平面幾何尺寸為18.9m×18.9m，高度為4m，承臺底標(biāo)高為+32.103m。該工程位于安徽省亳州市境內(nèi)。

本段橋址區(qū)地貌單元為黃淮沖積平原，地形平坦，開闊，橋址區(qū)多為耕地、村落、道路?？碧缴疃确秶鷥?nèi)揭示地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml)填筑土、雜填土和素填土、沖積層（Q4al）黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土和粉質(zhì)黏土、上更新統(tǒng)沖積層（Q4al）黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，在鉆探控制深度內(nèi)，地層自上而下為：（1）填筑土：灰褐色、雜色、密實(shí)、稍濕，主要為渦河河堤及既有鐵路線，厚度5m；（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：本段橋址區(qū)分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰褐色、黃褐色，軟塑，含少量有機(jī)質(zhì)，具有腥臭味，呈層狀分布于渦河河床，層厚4.70m。

樁基施工完成后插打鋼板樁，圍堰內(nèi)開挖施工承臺、墩身。鋼板樁采用拉森SP-Ⅳ型鋼板樁，材質(zhì)SY295，長度為12m，圍堰平面尺寸為20.8m×20.8m，在承臺頂部設(shè)置1道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐圍檁和斜撐均采用雙拼工50a型鋼，八字形斜撐，材質(zhì)Q235?；娱_挖深度6m。

2 土壓力計(jì)算及參數(shù)確定

工程中應(yīng)用較為普遍的土壓力計(jì)算公式有：庫侖公式和朗肯公式。庫侖理論假設(shè)粘聚力c＝0，考慮了墻體與土體之間的摩擦作用，并考慮了墻體的傾斜，但對于黏性土必須采用等代摩擦角，層狀土須簡化成勻質(zhì)土才能計(jì)算；而朗肯土壓力理論無論對于砂土、黏土、勻質(zhì)土和層狀土均可適用，也適用于地下水及滲流效應(yīng)的情況，但因未考慮土體與墻體間的摩擦，使被動(dòng)土壓力偏小，主動(dòng)土壓力偏大[2]。

朗肯土壓力公式：

主動(dòng)土壓力系數(shù)：

被動(dòng)土壓力系數(shù)：

根據(jù)設(shè)計(jì)圖提供的地質(zhì)資料，查閱相關(guān)規(guī)范并結(jié)合工程實(shí)踐綜合考慮，土層各物理力學(xué)參數(shù)取值如下：容重19.5kN/m3，摩擦角28°。因土體特征性依據(jù)規(guī)范估取，故不考慮粘聚力影響，以抵消估取數(shù)值的不準(zhǔn)確性[3]。

考慮施工荷載，圍堰開挖過程圍堰邊的地面荷載，包括靜載（堆土、堆物等）和活載（施工荷載、汽車、吊車等），按實(shí)際情況折算成均布荷載q=20kN/m2進(jìn)行計(jì)算。

3 鋼板樁及內(nèi)支撐受力計(jì)算

3.1 最不利工況下的鋼板樁受力

根據(jù)施工工序，最不利工況發(fā)生在圍堰內(nèi)支撐加好后，開挖到承臺底+32.103m，計(jì)算支撐的最大反力和鋼板樁最大內(nèi)力。

最不利工況下，鋼板樁受力如圖1所示。

圖1 鋼板樁受力圖

3.2 計(jì)算反彎點(diǎn)位置距離基坑底的值e

以鋼板樁土壓力等于零的點(diǎn)作為反彎點(diǎn)位置，算出距離基坑底的值e，在e處鋼板樁主動(dòng)土壓力等于被動(dòng)土壓力，即Pp=Pa。

3.3 鋼板樁內(nèi)力計(jì)算

圖2 鋼板樁受力計(jì)算簡圖（kN/m）

采用midas建立計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果見圖3～6。

圖3 彎矩圖（kN·m）

圖4 剪力圖（kN）

圖5 反力圖（kN）

3.4 鋼板樁受力計(jì)算

拉森SP-Ⅳ型鋼板樁截面抗彎模量為2270cm3,鋼材材質(zhì)為SY295，[σ]＝210MPa[4]。

由計(jì)算分析知：鋼板樁的最大彎矩為144.1kN·m。

鋼板樁的最大組合應(yīng)力：

抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 內(nèi)支撐受力計(jì)算

上述最不利工況下，計(jì)算得到內(nèi)支撐的最大反力為54.8kN，采用midas建模對支撐圍檁進(jìn)行加載，計(jì)算內(nèi)支撐在外荷載及自重作用下的受力情況，圍檁支撐示意圖如圖7所示。該工程中圍檁采用雙拼工50a型鋼，內(nèi)支撐采用雙拼工50a型鋼。材質(zhì)為Q235鋼材，[σ]＝140MPa；采用midas建模，施加荷載及邊界條件，如圖8所示。

圖7 圍檁支撐示意圖

圖8 內(nèi)支撐加載模型（kN/m）

計(jì)算結(jié)果見圖9～圖14。

圖9 內(nèi)支撐變形圖（mm）

圖10 圍檁彎矩圖（kN·m）

圖11 圍檁組合應(yīng)力圖（MPa）

圖12 斜撐軸力圖（kN）

圖13 斜撐彎矩圖（kN·m）

圖14 斜撐組合應(yīng)力圖（MPa）

由以上計(jì)算可知：內(nèi)支撐圍檁最大組合應(yīng)力為54.7MPa，斜支撐最大組合應(yīng)力為22.4MPa，均小于[σ]＝140MPa，強(qiáng)度滿足要求。

4 鋼板樁入土深度和坑底土抗隆起驗(yàn)算

4.1 鋼板樁入土深度驗(yàn)算

通過計(jì)算知，土壓力零點(diǎn)處鋼板樁剪力為：Q0=90.6kN，則鋼板樁有效嵌固深度為，最小入土深度：t=t0+e=4.3m＜5.8m,滿足要求。

4.2 坑底土抗隆起驗(yàn)算

最不利工況下，即開挖到承臺底+32.103m時(shí)，必須計(jì)算基底的承載力，若基底承載力不足，將導(dǎo)致坑底土的隆起。

該工程基底抗隆起計(jì)算參照普朗德爾Prandtl和太沙基Terzaghi的承載力公式[5-6]，并將樁墻底面的平面作為極限承載力的基準(zhǔn)面，承載力安全系數(shù)的驗(yàn)算公式如下：

Nc和Nq按照普朗德爾Prandtl公式，Nc=(Nq-1)/tanφ，Nq=tan2(45°+φ/2)·eπtanφ

式中：

c——粘聚力，kPa；

φ——內(nèi)摩擦角，°；

γ——容重，kN/m3；

t——支護(hù)入土深，m；

h——開挖基坑高，m；

q——地面荷載，kPa。

滿足抗隆起穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)方案較好地解決了淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土支護(hù)，且鋼板樁設(shè)計(jì)方案具有很明顯的優(yōu)勢，防水效果較好。有軟臥下層情況下，須驗(yàn)算軟臥下層的承載力，支護(hù)應(yīng)穿透軟臥下層。通過計(jì)算主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力，而確定主動(dòng)土壓力系數(shù)和被動(dòng)土壓力系數(shù)。從最不利工況下的鋼板樁受力計(jì)算、反彎點(diǎn)位置的土壓力、鋼板樁內(nèi)力計(jì)算、鋼板樁受力計(jì)算、內(nèi)支撐受力計(jì)算等方面進(jìn)行鋼板樁及內(nèi)支撐受力計(jì)算。通過鋼板樁入土深度驗(yàn)算，最小入土深度為4.3m，滿足要求。通過坑底土抗隆起驗(yàn)算，穩(wěn)定性滿足抗隆起要求。