鋼板樁圍堰力學性能驗算

楊 仕 彬

(中鐵十四局集團公司四公司，山東 濟南　250000)

1　概述

所謂的圍堰是指在水利工程建設中，為建造永久性水利設施，修筑臨時性圍護結構。為了保證承臺開挖施工和澆筑混凝土，必須修筑鋼板樁圍堰。鋼板樁圍堰的作用就是利用鋼板樁形成一個封閉空間，防止水土進入，為橋墩承臺創造一個干燥的水下承臺施工條件，以便于在圍堰內排水、開挖基坑、修筑建筑物。鋼板樁圍堰的設計和安全性關系到橋墩承臺的順利施工，因此，鋼板樁圍堰的設計和驗算必須通過嚴密的計算和嚴格的檢測，來確保橋梁施工的安全[1-8]。

2　鋼板樁圍堰的結構形式

某特大跨河橋梁為16 m+24 m+16 m的連續剛構橋，中橋0號橋墩承臺尺寸為10.3 m×8.9 m×2.5 m，平面形狀為矩形。鋼板樁圍堰內輪廓尺寸距離承臺外輪廓尺寸的基礎上向外延伸1.5 m，為13.3 m×11.9 m，鋼板樁采用SP-Ⅳ型號板樁，板樁長12 m。采用兩層圍囹，圍囹高程分別為+40.37 m，+37.62 m，兩層斜撐、對撐采用φ609×14 mm鋼管；圍囹采用3Ⅰ45a。板樁圍堰平面布置圖見圖1。

3　鋼板樁圍堰的驗算

3.1　基本參數

根據JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規程規定，依據提供的地勘資料，板樁圍堰涉及土層的水平反力系數的比例系數m取值5 000 kN/m4。鋼板樁為SP-Ⅳ型，采用16Mn鋼材。

3.2　計算模型

板樁、圍囹、支撐采用梁單元通過結構空間有限元軟件建模分析，鋼板樁底部鉸接，圍囹與板樁之間采用只受壓彈簧模擬，支撐與圍囹間共節點處理，結構計算幾何模型如圖2所示。

3.3　荷載及工況

1)結構自重。

結構自重由有限元軟件自行計入。

2)土壓力。

a.土體自重。

按《建筑基坑支護技術規程》，土壓力按水土合算考慮，因為土質差別很小，按照同一土層計入，主動土壓力系數Ka=0.361，被動土壓力系數Kp=2.76，粉土的重度取值20 kN/m3。被動土壓力按施加受壓土彈簧模擬。土彈簧的支撐剛度K根據計算求得。

b.挖機荷載的附加土壓力。

挖機工作狀態時總重25 t，偏載系數為0.7，所以要求挖機作業時履帶邊緣距離板樁不小于1 m?？紤]25 t挖機開挖基坑時產生的附加土壓力作用。

3)工況。

工況一：基坑挖到底部標高且未澆筑混凝土前。

工況二：承臺澆筑完成四周填土后，圍堰橫撐拆除后。

組合原則:

每種工況有兩種荷載的組合形式，即標準組合和基本組合。荷載組合形式如下：

標準組合=∑恒載+∑活載；

標準組合=1.2∑恒載+1.4∑活載。

標準組合計算結果用來評價剛度指標，基本組合計算結果用來評價結構強度指標。

3.4　鋼板樁圍堰的驗算

鋼板樁圍堰的受力分析是保證承臺開挖施工和澆筑混凝土順利進行的前提條件，則鋼板樁圍堰體系的安全直接影響著橋梁的正常施工，因此，對鋼板樁圍堰進行受力分析是十分必要的。鋼板樁圍堰的受力分析包括：鋼板樁的應力計算、圍囹的應力計算、支撐的應力計算、支撐穩定性的計算、基坑抗隆起穩定性的驗算。

3.4.1工況一主要計算結果

開挖至墊層混凝土底部處，未澆筑混凝土前，鋼板樁的應力、圍囹的應力、支撐的應力如圖3所示。

板樁的強度：σmax=189 MPa

支撐體系的強度：σmax=55 MPa

圍囹的強度：σmax=95 MPa

綜上，板樁圍堰的強度滿足要求。

3.4.2工況二主要計算結果

承臺澆筑完成后拆除橫撐，工況二同工況一的計算一樣。

板樁的強度：σmax=188 MPa

支撐體系強度：σmax=26 MPa

圍囹的強度：σmax=84 MPa

3.4.3支撐穩定性的驗算

支撐鋼管在基本組合作用下，最不利狀態內力的計算結果如表1所示。

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表1　支撐鋼管最不利內力的計算結果

φ609×14穩定性驗算：

《鋼結構設計規范》規定，對支撐鋼管彎矩作用的穩定性進行驗算：

角支撐鋼管穩定性驗算：

計算長度l0=μl=11 000 mm，γx=1.15，βmx=1.0。

代入數據可得：σ=53 MPa<215 MPa，則φ609×14支撐穩定性滿足要求。

基坑抗隆起穩定性驗算受力圖如圖4所示。

按開挖至基坑底工況：基坑外立面按+43.92 m考慮，基坑內立面按+34.42 m考慮。板樁底標高為+28.87 m。

基坑抗隆起穩定性評價系數：

Nc,Nq按下式計算：

基坑抗隆起穩定性系數：Fs=4.75>Khe=1.4。

基坑不會發生隆起現象。

4　結語

通過對鋼板樁圍堰的檢算可知，鋼板樁圍堰的力學性能滿足相關規范的要求，體系是安全的。由于水中環境復雜，在水下施工具有危險性。而鋼板樁圍堰的采用，為水下橋墩承臺施工提供了一個干燥、安全的封閉環境，既保證了圍堰內部基坑開挖和澆筑混凝土，又減小了水下施工的危險性，最大限度的提高了施工的安全性。鋼板樁圍堰廣泛運用于橋梁深水基礎低樁承臺施工的防水圍堰，具有施工速度快、效率高、力學性能好、防水性能優異、施工質量高、成本低、能重復使用、經濟環保的優點。

參考文獻:

[1]蔡龍.萍州大橋8#墩鋼板樁圍堰施工方案計算及土彈簧簡化計算方法研究[D].長沙：湘潭大學,2015.

[2]湯勁松,熊保林.鋼板樁圍堰設計的土壓力計算方法探討[J].巖土工程學報,2014,36(S2):36-41.

[3]杜闖,丁紅巖,張浦陽,等.鋼板樁圍堰有限元分析[J].巖土工程學報,2014,36(S2):159-164.

[4]潘泓,王加利,曹洪,等.鋼板樁圍堰在不同施工工序下的變形及內力特性研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(11):2316-2324.

[5]湯勁松,熊保林.深水基礎大規模超長鋼板樁圍堰施工過程安全性分析[J].中國鐵道科學,2013,34(3):32-39.

[6]蔣鵬程,陳讓利.思賢窖特大橋鋼板樁圍堰設計與監測[J].鐵道建筑,2012(8):11-15.

[7]景兆德.京滬高速鐵路濟南黃河大橋鋼板樁圍堰設計與施工技術[J].鐵道標準設計,2010(4):47-50.

[8]陳長明.強涌潮地區拉森Ⅵ型鋼板樁圍堰施工計算[J].橋梁建設,2009(5):49-52.