橋梁鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與檢算分析

李 鋼

(敦煌鐵路有限責(zé)任公司，甘肅 敦煌 736200)

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橋梁鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與檢算分析

李 鋼

(敦煌鐵路有限責(zé)任公司，甘肅 敦煌 736200)

以鐵路橋墩基礎(chǔ)施工中的鋼板樁圍堰為例，介紹了鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)方案，并計(jì)算分析了鋼板樁圍堰的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保鋼板樁圍堰的力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。

橋梁工程，鋼板樁圍堰，基坑，穩(wěn)定性

0 引言

鋼板樁圍堰是最常用的一種板樁圍堰。鋼板樁圍堰具有強(qiáng)度高、接合緊密不易漏水、施工簡便、可多次重復(fù)使用等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于水中承臺基礎(chǔ)的施工中。但在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合工地現(xiàn)場的實(shí)際情況認(rèn)真地做好圍堰方案的設(shè)計(jì)和檢算工作，并嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行施工，才能達(dá)到安全可靠、保證施工質(zhì)量的目的[1-8]。

1 鋼板樁設(shè)計(jì)

某特大橋水中墩承臺尺寸為14.3 m×10.6 m，厚度為3 m，板樁圍堰內(nèi)輪廓尺寸在承臺外輪廓尺寸的基礎(chǔ)上外擴(kuò)1.2 m，為16.7 m×13 m，采用SP-IV型號板樁，板樁長15 m。采用雙層圍囹，圍囹高程分別為+2.56 m，-0.64 m。板樁圍堰平面布置圖見圖1。

鋼板樁為SP-IV型，采用16Mn鋼材，其技術(shù)參數(shù)列表如表1所示。

表1 鋼板樁技術(shù)參數(shù)

2 鋼板樁的檢算

2.1 荷載及工況

1)荷載分析。

鋼板樁荷載包括結(jié)構(gòu)自重和土(水)壓力。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)自重可由計(jì)算軟件自行計(jì)入，而對于土(水)壓力，則主要包括三種：

a.土體自重產(chǎn)生的土壓力。土壓力按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行水土分算考慮，考慮土質(zhì)差別就小，按照同一土層計(jì)入，主動土壓力系數(shù)Ka=0.65，被動土壓力系數(shù)Kp=1.6，粉土的重度取19 kN/m3。 被動土壓力則按施加受壓土彈簧進(jìn)行模擬。

b.挖機(jī)荷載產(chǎn)生的附加土壓力。考慮25 t挖機(jī)開挖基坑時(shí)產(chǎn)生的附加土壓力作用。挖機(jī)工作狀態(tài)時(shí)總重25 t，考慮0.7的偏載系數(shù)。要求挖機(jī)作業(yè)時(shí)履帶邊緣距離板樁不小于1 m。

c.靜水壓力。靜水壓力公式：ew=γwh。

2)荷載組合原則。

各工況考慮兩種荷載組合形式，即標(biāo)準(zhǔn)組合和基本組合。荷載組合形式如下：

標(biāo)準(zhǔn)組合=∑恒載+∑活載。基本組合=1.2∑恒載+1.4∑活載。

以上組合中，標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算結(jié)果用來評價(jià)剛度指標(biāo)，基本組合計(jì)算結(jié)果用來評價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)。

2.2 整體建模計(jì)算

1)整體計(jì)算模型。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的結(jié)構(gòu)布置，采用有限元軟件建立模型，板樁、圍囹、支撐采用梁單元模擬，鋼板樁底部鉸結(jié)，被動土壓力采用只受壓土彈簧模擬，圍囹與板樁之間采用只受壓彈簧模擬，支撐與圍囹間共節(jié)點(diǎn)處理，在牛腿處約束豎向位移模擬其對圍囹的支撐作用。考慮到開挖至基坑底，澆筑封底前，結(jié)構(gòu)最不利，進(jìn)而對此工況進(jìn)行分析。圖2為板樁圍堰有限元模型圖。

2)主要計(jì)算結(jié)果。板樁圍堰主要施工階段的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 板樁施工階段計(jì)算結(jié)果

綜上，板樁各個(gè)構(gòu)件都滿足要求。

2.3 支撐鋼管穩(wěn)定性檢算

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，支撐鋼管最不利狀態(tài)下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 支撐鋼管最不利狀態(tài)下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

2.3.1 2Ⅰ40b穩(wěn)定性計(jì)算

1)平面內(nèi)穩(wěn)定性計(jì)算：

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，需要按下式進(jìn)行支撐鋼管彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性驗(yàn)算：

2Ⅰ40b支撐鋼管平面內(nèi)穩(wěn)定性驗(yàn)算：

2)平面外穩(wěn)定性計(jì)算：

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，需要按下式進(jìn)行支撐鋼管彎矩作用平面外的穩(wěn)定性驗(yàn)算：

代入數(shù)據(jù)可得：σ=135 MPa

2.3.2 φ529×8穩(wěn)定性計(jì)算

1)平面內(nèi)穩(wěn)定性計(jì)算：

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，需要按下式進(jìn)行支撐鋼管彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性驗(yàn)算：

俗話說：“書中自有黃金屋，書中自有顏如玉。”最令我開心的既不是去旅游，也不是品嘗美食，而是在圖書館中遨游。

φ529×8支撐鋼管平面內(nèi)穩(wěn)定性驗(yàn)算：

代入數(shù)據(jù)可得：σ=182MPa<215MPa，則φ529×8支撐鋼管穩(wěn)定性滿足要求。

2)平面外穩(wěn)定性計(jì)算：

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，需要按下式進(jìn)行支撐鋼管彎矩作用平面外的穩(wěn)定性驗(yàn)算：

代入數(shù)據(jù)可得：σ=173 MPa

2.4 基坑抗隆起穩(wěn)定性檢算

基坑抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算簡圖見圖3。

按開挖至基坑底工況：基坑外泥面按+3.9 m考慮，基坑內(nèi)泥面按-4.437 m考慮。板樁底標(biāo)高為-10.9 m。

基坑抗隆起穩(wěn)定性評價(jià)系數(shù)：

其中，D為基坑底面至擋土構(gòu)件底面的土層厚度；h為基坑開挖深度；γm1為基坑外擋土構(gòu)件底面以上土的重度,kN/m3，多層土取各層土按厚度加權(quán)的平均重度；γm2為基坑內(nèi)擋土構(gòu)件底面以上土的重度,kN/m3，多層土取各層土按厚度加權(quán)的平均重度；Nc,Nq均為承載力系數(shù)；c,φ分別為擋土構(gòu)件底面以下土的粘聚力、內(nèi)摩擦角；q為為基坑外側(cè)土上均布荷載，考慮挖機(jī)荷載；Khe為抗隆起安全系數(shù)，安全等級為三級的支護(hù)結(jié)構(gòu)取1.4。

經(jīng)計(jì)算基坑抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)：Fs=1.42>Khe=1.4。

基坑不會發(fā)生隆起現(xiàn)象。

2.5 嵌固穩(wěn)定性檢算

圍堰嵌固穩(wěn)定性計(jì)算簡圖見圖4。

其中，Epk為基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力合力作用標(biāo)準(zhǔn)值；Eak為基坑外側(cè)主動土壓力合力作用標(biāo)準(zhǔn)值；zp2為基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力合力作用點(diǎn)至支點(diǎn)的距離；za2為基坑外側(cè)主動土壓力合力作用點(diǎn)至支點(diǎn)的距離；Kem為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，對于三級支撐式支擋結(jié)構(gòu)，不應(yīng)小于1.15。

因此嵌固穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

2.6 基坑底部管涌檢算

其中，K為管涌安全系數(shù)；h′為水位到基坑底的距離；γ′為土層浮容重。

實(shí)際插入深度為5.9 m>4 m，基坑底部不會發(fā)生管涌。

3 結(jié)語

通過對鋼板樁圍堰的檢算可知，鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。在鋼板樁圍堰施工過程中，及時(shí)安裝支撐和圍囹，保證在施工期間的河道水位不得高于目前水位。同時(shí)對其施工質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，確保了工程的施工質(zhì)量和安全要求。從施工的效果來看，鋼板樁圍堰在整個(gè)橋墩施工過程中保持了良好的狀態(tài)，最終的效果也達(dá)到了預(yù)期要求。

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Analysis on the design and calculation of the bridge steel sheet pile cofferdam

Li Gang

(Dunhuang Railway Co., Ltd, Dunhuang 736200, China)

Taking the steel sheet pile cofferdam in railway bridge pier foundation construction as an example, the paper introduces the design scheme of steel sheet pile cofferdam, calculates and analyzes the strength and stability of steel sheet pile cofferdam, with a view to meet mechanical performance demands of steel sheet pile cofferdam.

bridge engineering, steel sheet pile cofferdam, foundation, stability

1009-6825(2016)34-0172-03

2016-09-28

李 鋼(1972- ),男，工程師

U443.162

A