粉砂土河床水中墩鋼板樁圍堰設計探討

劉 璋

(中鐵二十局集團第一工程有限公司，江蘇蘇州 215000)

0 引言

鋼板樁圍堰是水中墩施工常用的阻水圍護結構。鋼板樁圍堰是水中墩施工成敗的關鍵，涉及到施工人員的人身安全及施工能否順利進行。有些技術人員在一味強調安全的情況下，又出現鋼板樁長度過長、重量增加等問題，造成措施費用增加。

粉砂土河床大多呈松散狀態，圍堰底部以下河床所能提供給鋼板樁的被動土壓力較小，常有一些技術人員在鋼板樁圍堰設計時為保證堰底以下鋼板樁有足夠的被動土壓力，采取增加樁長的做法，增加了施工的難度與措施費。筆者結合海洋鐵路掘苴河大橋水中墩鋼板樁圍堰的設計過程，系統介紹粉砂土河床地質鋼板樁圍堰的設計，對類似工程有一定的參考作用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

掘苴河大橋位于如東站以東，如東縣苴鎮境內，為跨越掘苴河和掘苴路而設。掘苴河河道順直、水流順暢，與線路夾角92°，河面寬86 m，最大水深4.4 m。掘苴河上游150 m左右與長角河相通，為七級航道，最高水通航水位3.01 m，通航凈寬18 m，凈高3.5 m;百年一遇洪水位4.01 m。2009年7月29日測量高水位2.894 m，流速0.5 m/s;8 月25 日測量水位為1.741 m，流速0.2 m/s;10月22日測量水位為1.988 m，基本為靜水。設計平均流量150 m3/s，最大排澇流量282 m3/s。

橋梁起訖里程:DK68+094.465～DK68+251.40，全長:156.935 m。全橋孔跨布置為:4×32 m簡支梁+1-9×4.7 m框架。橋墩基礎為鉆孔灌樁群樁基礎，設計為低樁承臺，圓端形橋墩。每個樁墩基礎設計為5根樁，樁徑1.0 m，承臺尺寸為5.0 m×6.7 m ×2 m。

1.2 水文地質情況

本橋所經地區為長江入海口濱海平原，地層成因主要為沖海積、海沖積，具有海陸相互交替沉積的特點，地層巖性變化較大。地層主要為第四系松散堆積層。河床以下土質以粉土、粉砂為主，松散～稍密、飽和，基本承載力在100 kPa左右。本橋所處氯鹽環境作用等級為L2，環境類別為無影響。

設計院分別在 DK68+125.63線路中心(1號墩附近)與DK68+229.3線路中心(海安臺附近)有一處地質鉆孔，1號墩附近探孔自上而下為粉土，松散，飽和，σ0=100 kPa(2.8 m～ －0.2 m);粉砂，稍密，飽和，σ0=80 kPa(－0.2 m ～ －7.7 m);粉質粘土夾粉砂，軟塑，σ0=120 kPa(－7.7 m ～ －10.4 m);粉砂，中密，飽和，σ0=100 kPa(－10.4 m～－21.30 m)。海安臺附近探孔自上而下為粉質粘土，軟塑，σ0=100 kPa(5.5 m ～2.5 m);粉土，松散，飽和，σ0=100 kPa(2.5 m ～ －0.8 m);粉砂，稍密，飽和，σ0=80 kPa(－0.8 m ～ －5.65 m);粉質粘土夾粉砂，軟塑，σ0=120 kPa(－5.65 m ～ －10.1 m);粉砂，中密，飽和，σ0=100 kPa(－10.1 m ～－23.70 m)。

2 圍堰平面尺寸與標高的確定

2.1 平面幾何尺寸的確定

承臺的幾何尺寸為:5.0 m×6.7 m。考慮模板安裝、鋼板樁圍堰內支撐所需空間，每側加寬1.5 m，圍堰內尺寸確定為8.0 m×9.7 m，見圖1。

圖1 鋼板樁圍堰與承臺及樁位關系圖

2.2 鋼板樁圍堰頂標高

根據水位的觀測情況與施工圖紙提供的水文資料，同時考慮到施工期間處于枯水季節，將鋼板樁圍堰頂標高確定為3.01 m，計算水位取3.01 m。

3 鋼板樁圍堰設計與驗算

3.1 計算模型建立的依據

3號墩完成鉆孔灌注樁后，拆除部分鉆孔操作平臺，打設鋼板樁圍堰，用吸泥機清除承臺與封底混凝土范圍的土方，進行水下混凝土封底。水下混凝土達到設計強度后，邊抽水邊安裝支撐。3號墩處的圍堰深7.319 m(堰頂至封底混凝土頂)。

圍堰計算模型考慮靜水壓力、動水壓力、河床底的土壓力等。根據施工順序，混凝土內支撐考慮封底混凝土的受力。對各種工況時鋼板樁安全、圍堰底管涌、圍堰整體抗浮進行驗算，設計鋼板樁的入土深度、封底混凝土厚度、支撐的方式。

3.2 鋼板樁選型

根據現場情況結合我公司水中墩施工經驗綜合考慮，擬選擇拉森Ⅲ型鋼板樁，查《橋涵》表5-14(人民交通出版社)，拉森Ⅲ型鋼板樁寬400 mm，高123.5 mm，每延米62.0 kg，每延米寬斷面模量 1 363 cm3，［σ］=180 MPa。

3.3 地質相關參數與支撐位置確定

圍堰下部為粉砂土，褐灰色，稍密，飽和，基本承載力σ0=80 kPa，查《橋梁施工工程師手冊》表3-9，γ =19.0 kN/m3，γ'=9.0 kN/m3，φ =24°。

第一層支撐中心設置在標高2.50 m處，第二層支撐設置在標高0.00 m處，第三層支撐設置在標高－1.900 m處。

3.4 封底混凝土厚度設計

在圍堰封底抽水后，封底素混凝土將受到產生的向上最大水壓力的作用，要求封底混凝土不應出現折裂致使圍堰穿孔，即封底混凝土抗彎滿足要求。

1)按照周邊簡支支撐的雙向板，承受均布荷載時，計算跨中彎矩。

參考《路橋施工計算手冊》附錄二中雙向板在均布荷載作用下的內力及變形參數:

lx=2.90 m，ly=4.60 m，lx/ly=0.630，查表 ax=0.077 8，ay=0.025 94;

q= γ·h=10 ×7.319=73.2 kN/m;

Mx=axql2=0.077 8 ×73.2 ×2.92=47.89 kN·m;

My=ayql2=0.025 94 ×73.2 ×2.92=15.97 kN·m。

2)封底厚度h計算。封底混凝土擬采取C25混凝土，查《路橋施工計算手冊》附表3-8，C25混凝土設計抗拉強度Rl=1.55 MPa，擬在達到設計強度的80%時開始抽水，因此Rl=1.55×80%=1.24 MPa。

其中，k為安全系數，取1.5;M為取跨中彎矩的最大值;b為最大彎矩方向，4.6 m。

根據計算結果，參考以往工程的經驗，封底混凝土厚度取1.0 m。

3.5 一般沖刷計算

采用《路橋施工計算手冊》表4-28安德烈也夫公式計算一般沖刷深度:

其中，V1為當水深為1 m時，裸露出來的河灘土的容許不沖刷流速，m/s，查表4-29，取0.4 m/s;Bn為河道壓縮后河灘部分寬度，m，取60 m;Qn為河道壓縮后河灘部分通過的流量，因掘苴河流量受限于掘苴河閘，壓縮后河道斷面依然大于河閘斷面，因此流量與河閘流量相等，取150 m3/s;hmax為設計斷面沖刷前的最大水深，取7.309 m;hj為設計沖刷前的平均水深，取5.300 m;hp=7.2 m，因此，不考慮一般沖刷深度。

3.6 動水壓力計算

動水壓力為作用水面以下1/3水深處的集中力。動水壓力是由板樁一定入土深度所取得的被動土壓力來平衡的。

其中，P為每延米鋼板樁壁上的動水壓力總值，kN;H為水深，m，取 5.319 m;v為水流速度，采用平均流速，m/s，取 0.5 m/s;g為重力加速度，取9.81 m/s2;B為板樁寬度，取1 m;γ為水的容重，kN/m3;K 為系數，槽形鋼板樁圍堰 K=18.0～20.0，該處取19.0。

代入式中，P=12.88 kN。

3.7 鋼板樁入土深度的設計

根據計算模型建立的依據，圍堰入土深度計算取水下清基完成，水下封底混凝土前，此時僅完成圍堰頂第一層支撐。堰內水位為2.00 m，堰外水位3.00 m。以每延米寬鋼板樁進行計算。此時鋼板樁承受靜水壓力、河床底的主動土壓力、流水的動水壓力。令樁端距封底混凝土頂面距離為t。

應用朗金理論求主動土壓力系數Ka與被動土壓力系數Kp。

靜水壓力公式:p=γ·h，主動土壓力公式:pa=γ·hKa。繪出鋼板樁受力圖見圖2。

圖2 鋼板樁圍堰受力圖

根據彎矩平衡原理求得t=2.8 m。

為了確保安全，實際入土深度取計算值的1.2倍，即取t=3.4 m。為確保安全，選用鋼板樁長度為15 m，鋼板樁實際入土深度為6.7 m。

將入土深度t=2.8 m代入以上各式，根據靜力平衡方程求得Ra=47.31 kN。

3.8 各工況時鋼板樁圍堰的驗算

1)工況一:吸泥機清基完畢，水下混凝土封底前，圍堰僅完成第一層支撐。為簡化計算，同時提高圍堰的安全系數，對鋼板樁圍堰進行驗算，將圖2簡化為跨徑8.81 m，承受梯形荷載的簡支梁，見圖3。

圖3 工況一受力圖

根據靜力平衡方程得:Ra=47.31 kN，Rb=69.66 kN。

從受力圖可以看出，最大彎矩發生在2段～3段，令最大彎矩發生在距 A 點0.5+x處，得梁彎矩方程:M1= －5.05x2+29.33x+38.20。

解方程得，x=2.904 m，此時鋼板樁的彎矩為最大值M1=80.79 MPa。

2)工況二:水下混凝土封底強度達到設計強度的80%，抽水至第二層支撐下50 cm，安裝第二層支撐前，將水下混凝土封底簡化為集中力支撐，支撐點距封底頂面以下0.5 m處。根據堰內外的靜水壓力與土壓力繪制工況二狀態下鋼板樁受力圖，見圖4。

為方便計算，將合力圖簡化為兩跨的簡支梁，B點支撐承擔相鄰兩跨各半跨的壓力與部分動水壓力，得Rb=122.00 kN。

以第一跨為簡支，對B點取矩，得Ra=18.18 kN。

同理，以第二跨為簡支，對B取矩，得Pc=97.86 kN。

圖4 工況二鋼板樁圍堰受力圖

從受力圖可以看出，最大彎矩發生在B段～C段下部的梯形段，令最大彎矩發生在距C點x處，得梁彎矩方程:M1=－2.817x3－17.56x2+97.86x。

對彎矩方程兩側微分，M'1= －8.451x2－35.12x+97.86。

取微分方程等于0時，x=1.91 m，此時梁的彎矩為最大值M1=103.22 kN·m。

3)工況三:抽水至第三層支撐下50 cm，安裝第三層支撐前，將水下混凝土封底簡化為支撐，支撐點距封底頂以下0.5 m處。根據堰內外的靜水壓力與土壓力繪制工況三狀態下鋼板樁受力圖，見圖5。

圖5 工況三鋼板樁圍堰受力圖

為方便計算，將合力圖簡化為三跨的簡支梁，B，C點支撐承擔相鄰兩跨各半跨的壓力與部分動水壓力，得Rb=71.99 kN，Rc=121.44 kN。以第一跨為簡支，對B點取矩，得Ra=21.99 kN。

同理，以第三跨為簡支，對得C取矩，得Pd=86.18 kN。

從受力圖可以看出，最大彎矩發生在CD段下部的梯形段，令最大彎矩發生在距 D點x處，得梁彎矩方程:M1=－2.8x3－27.31x2+86.18x。

對彎矩方程兩側微分:

取微分方程等于0時，x=1.315 m，此時梁的彎矩為最大值M1=59.73 kN·m。

4)工況四:將圍堰內水抽完，圍堰的受力情況見圖6。

圖6 工況四鋼板樁圍堰受力圖

計算方法與工況三相同，得 Rb=71.99 kN，Rc=126.0 kN，Ra=21.99 kN，Pd=107.19 kN。

列出彎矩方程:M1= －8.915x3－26.6x2+107.19x。

對彎矩方程兩側微分，取微分方程等于0時，x=1.24 m，此時梁的彎矩為最大值M1=75.02 kN·m。

從各工況受力情況看，鋼板樁最大彎矩發生在工況二時，最大彎矩為M1=103.22 kN·m。

因此，采用拉森Ⅲ型鋼板樁受力滿足要求。

4 各層支撐設計

選取各工況受力情況，支撐受力最大時進行設計，受力長度取9.7 m。各層支撐簡圖與受力圖見圖7。

4.1 第一層支撐

第一層支撐受力最大發生在工況一受力情況下，承受均布荷載47.31 kN/m。

根據受力圖計算:

圖7 各層支撐受力簡圖

選用工字鋼作為橫梁，工字鋼容許彎曲應力［σw］=140 MPa。

查《路橋施工計算手冊》附表3-31，選用1根Ⅰ36a工字鋼，Wx=877.6 cm3。

［σw］=140 MPa，長 l=2.83 m。

由受力圖根據靜力平衡方程得:Ra=324.56 kN。

則組合焊接后圖慣性矩:Iy=2×(218+31.42×6.12)=2 774 cm4，則組合后的回轉半徑

4.2 第二層支撐

第二層支撐受力最大發生在工況二受力情況下，承受均布荷載122.0 kN/m。同第一層支撐計算相同，得:Ra=Rb=591.7 kN。

根據第一層支撐的計算原理，第二層橫梁選用2根Ⅰ36a工字鋼，斜撐選用兩根28a槽鋼對焊而成。

4.3 第三層支撐

第三層支撐受力最大發生在工況三受力情況下，承受均布荷載126.0 kN/m。同第一層支撐計算相同，得:Ra=Rb=611.1 kN。

根據第一層支撐的計算原理，第二層橫梁選用2根Ⅰ36a工字鋼，斜撐選用兩根32a槽鋼對焊而成。

4.4 水下封底混凝土強度驗算

水下混凝土在工況四時承受壓力最大，每米封底混凝土承受最大壓力107.19 kN，查《路橋施工計算手冊》附表3-8，［Ra］=14.5 MPa。

5 圍堰抗浮驗算

1)鋼板樁自重。共89片鋼板樁，每根長15 m，拉森Ⅲ型鋼板樁每根每延米62 kg/m，總重:827.7 kN。

2)支撐自重。共10根9.7 m長Ⅰ36a工字鋼，10根7.3 m長Ⅰ36a工字鋼，每根每延米62 kg/m，總重:96 kN。

共20根1.83 m長28槽鋼橫撐，每延米長31.4 kg/m，總重:11.5 kN。

支撐總重:107.5 kN。

3)混凝土自重:8×9.7×1×23=1 784.8 kN。

4)鋼板樁與土的容許摩阻力。

查《路橋施工計算手冊》表11-58，粉砂土容許力τi=20 kPa。

鋼板樁與土接觸面積:(6.7+9.68)×(9.7+8)×2=580 m2。

摩阻力:580×20=11 600 kN。

5)總浮力:8×9.7×(3.01+5.309)×10=6 455 kN。

6)根據建筑施工計算手冊公式3-173計算整體抗浮穩定安全系數:1.05。

因此，圍堰整體抗浮滿足要求。

6 結語

筆者通過掘苴河大橋3號墩鋼板圍堰設計的介紹，對鋼板樁圍堰的設計做了系統介紹，計算時充分考慮了封底混凝土的水平支撐作用，有效的減少了鋼板樁長度，降低了施工難度與措施費用。

圖8 圍堰排水后情況

掘苴河大橋3號墩的施工順利完成，見圖8。驗證了筆者所采取設計思路與工況選擇符合現場實際，希望對類似工程起到一定參考作用。

［1］交通部第一公路工程總公司.橋涵(上下冊)［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］周水興，何兆益，鄒毅松.路基施工計算手冊［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］楊文淵，徐 犇.橋梁施工工程師手冊［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［4］JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程［S］.

［5］掘苴河大橋施工圖(海洋施修-37)［Z］.