Setit河大橋鋼板樁圍堰穩定及防滲淺析

摘 要：Setit河大橋2#，3#，4#，5#橋墩采用鋼板樁圍堰，是蘇丹境內第一座使用了鋼板樁圍堰施工的大橋，針對施工中鋼板樁的穩定及抗滲問題進行了分析研究：（1）針對鋼板樁圍堰的內支撐結構及受力情況，對鋼板樁的穩定進行了分析及計算。（2）針對鋼板樁圍堰的防滲處理，進行了封底砼的計算。（3）論證了鋼板樁施工的可行性，提出了解決方案，使工程能夠順利完成。

關鍵詞：水利工程 鋼板樁 圍堰 穩定 防滲

中圖分類號：TV1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0037-03

蘇丹上阿特巴拉水利樞紐工程跨河橋梁項目包括上阿特巴拉河大橋和賽蒂河大橋，橋長分別為200 m和260 m。上阿特巴拉水利樞紐工程距蘇丹首都公路里程約460 km，建成后將形成一個約30億m2庫容的水庫。賽蒂河大橋孔跨的布置為7孔跨度為30+5×40+30的連續貝雷梁橋。橋梁設計荷載：HL-93 or HS20-44。

主墩采用雙柱式框架墩，蓋梁尺寸為10 m×1.5 m×1.2 m，墩柱直徑為1.2 m。基礎采用2根Ф1.4 m鉆孔灌注樁。上部結構為30+5×40+30 m的連續貝雷梁裝配式公路鋼橋，貝雷梁均由長3.048 m的標準梁段現場拼裝而成，橋面均采用標準的鋼結構橋面板現場拼裝而成。

主要工程項目、數量見表1。

水文、氣象、地質情況。

（1）水文情況：賽蒂河橋址處百年一遇洪水位為496.5 m，百年一遇洪水流量為9800 m3/s。

（2）氣候條件：項目地點為半干旱氣候（semi arid climate），六月下旬到十月有季節性降水，常年高溫，尤其在日間。

（3）地質情況：根據場地巖性特征，橋址區域劃分為12層，各層土的分布為地表覆蓋物，層卵石，層粉砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖等。

1 鋼板樁穩定計算方法

由于2#、3#、4#墩樁系梁底高程為481.8 m，低于現河床水位（485.8 m）4 m，且位于主河床處，采用常規的土石圍堰無法保證樁系梁能處于干地施工狀態，為了保證后續樁頭拆除、樁基檢測、聲測管注漿、墊層砼施工、樁系梁鋼筋綁扎、模板支立、砼澆筑等工序的順利施工，2#、3#、4#墩樁系梁基礎采用單層鋼板樁圍堰，吊車配合振拔機插打鋼板樁的方法進行施工，具體施工工藝如下：鋼板樁運至施工現場后，進行檢查、分類，同時進行鎖口檢查、彎曲、破損、長度檢查，如發現不合格的鋼板樁，應立即進行修整。鋼板樁圍堰開挖至水面以上時，即可進行鋼板樁圍堰內導梁施工，內導梁采用兩榀36a“工”字鋼并排焊接，內導梁位于牛腿之上，牛腿采用12.5#角鋼焊接在鋼板樁上（見鋼板樁圍堰平面圖）。其主要是作為鋼板樁圍堰的內部立體支撐，直接承受鋼板樁傳來的水、土壓力。

以下為鋼板樁穩定計算，圖1為鋼板樁示意圖。

（1）地基為天然與未分級的砂，根據合同文件技術條款查的：粘聚力C=0 kPa，內摩擦角Φ=35°，計算工況為開挖至480.5高程，澆注封底混凝土后，抽干基坑內水，并在486高程加設一道支撐，鋼板樁埋深平均按3 m考慮。

從招標文件中查得含水率w為20%，壓實后濕容重γh=19 kN/m3則壓實后干容重γd=γh/（1+w）=15.83 kN/m3孔隙率n=1-γd/（γwds），沙土比重約為2.67，則孔隙率n=0.41。

浮容重γf=γd-（1-n）γw=15.83-（1-0.41）×10=9.93kN/m3

（2）受力計算。

鋼板樁受外側主動土壓力、內側被動土壓力、內外側靜水壓力、支撐力等形成平衡。

1.1 主動土壓力計算

對485.8以上水位的地基按照γh=19 kN/m3計算，對485.8以下水位的地基按γf=9.93 kN/m3計算取單位寬度1 m的鋼板樁為研究對象，計算簡圖見圖2主動土壓力系數Ka=tan2（45-Φ/2），將Φ=35°代入計算式得Ka=0.271采用郎肯理論進行土壓力計算對于485.8高程以上部分，土壓力強度。

式中：γ=19 kN/m3，H=0.7

計算得A點土壓力強度Pa1=3.6 kN/m2 486.5高程到485.8高程段的主動土壓力

式中：γ=19 kN/m3，H=0.7 m

圖中三角形ADE面積即主動土壓力大小，計算得Ea=1.26 kN/m，作用點高程為485.8高程以上0.7/3m對于485.8高程以下部分，增加的土壓力強度

式中：γ=9.93 kN/m3，H=8.3 m計算得B點土壓力強度Pa2=3.6+22.31=25.9 kN/m2增加的土壓力大小Ea=0.5×9.93×8.32= 92.58 kN/m梯形面積ABCD即主動土壓力大小Ea2=（3.6+25.9）×8.3/2=122.43 kN/m。

2.2 外側水壓力計算

水壓力大小

式中：γw=10 kN/m3，H=8.3 m計算得Fw=344.45 kN/m

總主動土壓力大小Ea=1.26+122.43 +344.45=468.14 kN/m總主動土壓力作用位置，以477.5高程為0點，沿高程方向為y方向：

計算得y=2.7 m（圖2）。

2.3 被動土壓力計算（圖3）

被動土壓力系數Kp=tan2（45+Φ/2）

被動土壓力強度

式中：γ=9.93 kN/m3，h=3 m計算得Pp=109.63 kN/m2

被動土壓力

計算得Ep=164.45 kN/m

2.4 內側水壓力計算

Fw=0.5×10×3×3=45 kN/m則總被動土壓力（包含水壓力）大小Ep=164.45+45 =209.45 kN/m作用點位于477.5 m高程以上1 m處

（1）力矩計算。

所有力對鋼板樁底部取矩總主動土壓力力矩Ma=468.14×2.7=1263.98總被動土壓力力矩Mp=209.45×1=209.45根據力矩平衡原理，多余力矩依靠封底混凝土及支撐平衡鋼板樁整體受力見圖4。

Ea=F1+F2+Ep （1）

Ea×2.7=Ep×1+F1×3.5+F2×8.5（2）

取1 m寬為研究對象，Ea=468.14 kN，Ep=209.45 kN

聯立解方程組得F1=228.87 kN，F2= 29.82 kN

工字鋼為36A，截面積為76.3 cm2

工字鋼應力：

工字鋼長度系數按兩端鉸接μ=1

壓桿的柔度

式中：l為工字鋼長邊12.5 m

i為截面慣性半徑為14.4 cm

計算得λ=86.81

工字鋼的允許應力

式中：E為鋼筋的彈性模量，取2.06× 105 MPa

計算得：

，所以采用36A的工字鋼支護是可行的通過以上計算可以得知，鋼板樁是穩定的。

鋼板樁施工時，前一部分采用逐塊插打，后一部分先插打合攏后再插打其余部分鋼板樁。插打次序從上游開始，在下游合攏，每邊由一角插打至另一角。

插打鋼板樁時要嚴格控制好樁的垂直度，尤其是第一根樁要從兩個相互垂直的方向同時控制，確保垂直不偏，插打一塊或幾塊樁穩定后即與導框進行連接。

鋼板樁吊起后用人工扶持，插入前一塊的鎖口后繼續下插，如下插困難時，可用強迫插樁法，即采用將樁吊起插入鎖口后快速放松吊裝繩，借樁自重急速下插，如下插依然困難，則用導鏈或滑車組絞拉或用錘壓樁下插，必要時可以低錘慢打，直至將鋼板樁插打至預定位置。

打樁機具采用50T吊車帶振動打樁機在施工平臺上進行打樁。

2 基坑開挖、防滲及排水

2#、3#、4#墩采用鋼板樁圍堰和水下封底砼進行防滲處理，基礎開挖采用挖掘機進行分層開挖：第一層先挖至水面以上，然后再進行內支撐系統的安裝和焊接，第二層開挖到封底砼底面。

由于鋼板樁施工時每塊鋼板樁的長度不一致，從現場實際情況來看，局部鋼板樁高出地面1～3 m左右，挖掘機進行基坑開挖受場地限制，開挖深度將會受到影響，擬將下游側鋼板樁進行切割處理，即將高出施工平臺的鋼板樁切割到平臺高程，即486.5 m，采用CAT320DL進行開挖。

由于受到挖掘機有效挖掘深度的影響（基坑深度為6 m），剩余部分基坑開挖采用砂石泵抽砂進行，即采用邊抽砂邊注水的施工方法，砂石泵基本配置如下：

電機功率：30 kW有效揚程：13 m吸程：7.5 m功率：180 m3/h

封底砼采用C20砼，厚度為1.0 m，封底砼頂標高低于樁系梁底標高30 cm，以利于進行找平。排水擬采用大功率污水泵，具體配置將根據現場實際情況選用。

鋼板樁圍堰施工示意圖如圖5。

封底砼施工結束后，根據鋼板樁圍堰內外的水、土壓力差作用，驗算封底砼所受作用力情況。

由于有封底砼，因此這時不考慮涌砂、管涌、基底隆起現象，只驗算整體抗浮穩定和強度。

整體抗浮驗算：

由于鋼板樁圍堰內抽干水后，內外水壓力差形成的力將對其產生向上的浮力，將由圍堰自重、支護自重、圍堰與土的摩阻力及混凝土自重來平衡。

按封底砼澆筑完畢且進行排水后（未考慮30 cm的找平層）的最不利情況進行考慮：

計算安全系數：K=PK總抗浮力/Pf浮力

Pf上浮力計算如下：

浮力面積：Auplift=12.5 m×4.5 m-2×3.14×（1.40/2）2

=53.17 m2

封底砼底高程=481.8-0.30-1.00

=480.50 m

△h=485.80-480.50=5.30 m

Pf上浮力=Fuplift=5.3 to/ sm2×53.17 m2=281.8to

PK總抗浮力計算如下：

PK總抗浮力=G混凝土+P摩阻力

G混凝土=Fuwc=2.3 to/m3×53.17 m2×1.0m=122.30 to

P摩阻力=λ·L·∑fi·hi

=0.4×34×30×10

=408 to

PK總抗浮力=122.30 to+408

to=530.3 to

式中，λ為抗拔容許摩阻力與受壓容許阻力的比例系數，一般取0.4～0.7；

L為支護與土體接觸外壁周長；

fi為支護側各土層的容許摩阻力，按最不利情況考慮，即全部按粉細砂層考慮，取值30 kPa；

hi為支護側各土層的厚度，取平均值為10 m；

安全系數K=530.3/281.80=1.88>1.05 安全

封底混凝土強度驗算：

封底混凝土板在上浮力（靜水壓力）作用下的內力，可以近視地簡化為簡支單向板計算。封底層頂因靜水壓力作用產生的彎曲拉應力f為：

f=1/8×qL2/W=L2/8×{（rW×（h+d）-rc×d）/（d2/6）}

=（3L2/4d2）×{rW×（h+d）-rc×d}≤{f}

=（3×4.52/4×12）×{1×（4.3+1）-2.3×1}

=45.56 kN/m2=0.045 mPa<1.2 mPa

L為基坑底小邊尺寸q為封底砼底面靜水壓力；W為封底砼每1 m寬截面的抗彎模量（m3）；h為封底砼頂面處水頭（m）；d為假定的封底砼最小厚度；rw為水的重度（kN/m3）；rc為砼的重度（kN/m3）；{f}為封底砼容許抗彎彎曲強度，一般采用C15或C20砼，考慮荷載作用時時間較短，可分別取1200～1500 kPa。綜合上述的分析及計算來看，采用1 m厚的C20封底砼是切實可行的。

4 鋼板樁拔除

樁系梁及墩柱施工結束后，開始鋼板樁拔除施工。鋼板樁拔除前，先將圍堰內的支撐拆除，然后略加錘擊使鋼板樁與水下砼脫離黏結，再選擇一組或一塊較易拔除的鋼板樁，錘擊振動后拔高1～2 m，使其松動，再從下游開始分兩側向上游挨次拔除，對樁尖打卷及鎖口變形的樁，可加大拔樁設備的能力，將相鄰的樁一齊拔出。拔出的鋼板樁應清刷干凈、修補整理，堆放時應按鋼板樁類型、長度分類碼放，以便下一個墩身的施工。

5 結論

（1）Setit河大橋2#、3#、4#橋墩鋼板樁圍堰工程已成功實施，分析計算結果與工程實際情況吻合較好。（2）封底砼為水下澆筑，施工時應注意控制封底砼的澆筑高度和質量，宜分2次澆筑成型。（3）因海外項目咨詢工程師對施工流程和工序審核較為嚴格，合理和正確的計算可為方案的順利審批和實施贏得時間。

參考文獻

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