鋼板樁圍堰力學(xué)性能驗(yàn)算

楊 仕 彬

(中鐵十四局集團(tuán)公司四公司，山東 濟(jì)南　250000)

1　概述

所謂的圍堰是指在水利工程建設(shè)中，為建造永久性水利設(shè)施，修筑臨時(shí)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)。為了保證承臺(tái)開(kāi)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(gè)封閉空間，防止水土進(jìn)入，為橋墩承臺(tái)創(chuàng)造一個(gè)干燥的水下承臺(tái)施工條件，以便于在圍堰內(nèi)排水、開(kāi)挖基坑、修筑建筑物。鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)和安全性關(guān)系到橋墩承臺(tái)的順利施工，因此，鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算必須通過(guò)嚴(yán)密的計(jì)算和嚴(yán)格的檢測(cè)，來(lái)確保橋梁施工的安全[1-8]。

2　鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)形式

某特大跨河橋梁為16 m+24 m+16 m的連續(xù)剛構(gòu)橋，中橋0號(hào)橋墩承臺(tái)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(nèi)輪廓尺寸距離承臺(tái)外輪廓尺寸的基礎(chǔ)上向外延伸1.5 m，為13.3 m×11.9 m，鋼板樁采用SP-Ⅳ型號(hào)板樁，板樁長(zhǎng)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(duì)撐采用φ609×14 mm鋼管；圍囹采用3Ⅰ45a。板樁圍堰平面布置圖見(jiàn)圖1。

3　鋼板樁圍堰的驗(yàn)算

3.1　基本參數(shù)

根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，依據(jù)提供的地勘資料，板樁圍堰涉及土層的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m取值5 000 kN/m4。鋼板樁為SP-Ⅳ型，采用16Mn鋼材。

3.2　計(jì)算模型

板樁、圍囹、支撐采用梁?jiǎn)卧ㄟ^(guò)結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)處理，結(jié)構(gòu)計(jì)算幾何模型如圖2所示。

3.3　荷載及工況

1)結(jié)構(gòu)自重。

結(jié)構(gòu)自重由有限元軟件自行計(jì)入。

2)土壓力。

a.土體自重。

按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，土壓力按水土合算考慮，因?yàn)橥临|(zhì)差別很小，按照同一土層計(jì)入，主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=0.361，被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp=2.76，粉土的重度取值20 kN/m3。被動(dòng)土壓力按施加受壓土彈簧模擬。土彈簧的支撐剛度K根據(jù)計(jì)算求得。

b.挖機(jī)荷載的附加土壓力。

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

3)工況。

工況一：基坑挖到底部標(biāo)高且未澆筑混凝土前。

工況二：承臺(tái)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(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；

標(biāo)準(zhǔn)組合=1.2∑恒載+1.4∑活載。

標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算結(jié)果用來(lái)評(píng)價(jià)剛度指標(biāo)，基本組合計(jì)算結(jié)果用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)。

3.4　鋼板樁圍堰的驗(yàn)算

鋼板樁圍堰的受力分析是保證承臺(tái)開(kāi)挖施工和澆筑混凝土順利進(jìn)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(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)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(yīng)力計(jì)算、圍囹的應(yīng)力計(jì)算、支撐的應(yīng)力計(jì)算、支撐穩(wěn)定性的計(jì)算、基坑抗隆起穩(wěn)定性的驗(yàn)算。

3.4.1工況一主要計(jì)算結(jié)果

開(kāi)挖至墊層混凝土底部處，未澆筑混凝土前，鋼板樁的應(yīng)力、圍囹的應(yīng)力、支撐的應(yīng)力如圖3所示。

板樁的強(qiáng)度：σmax=189 MPa

支撐體系的強(qiáng)度：σmax=55 MPa

圍囹的強(qiáng)度：σmax=95 MPa

綜上，板樁圍堰的強(qiáng)度滿足要求。

3.4.2工況二主要計(jì)算結(jié)果

承臺(tái)澆筑完成后拆除橫撐，工況二同工況一的計(jì)算一樣。

板樁的強(qiáng)度：σmax=188 MPa

支撐體系強(qiáng)度：σmax=26 MPa

圍囹的強(qiáng)度：σmax=84 MPa

3.4.3支撐穩(wěn)定性的驗(yàn)算

支撐鋼管在基本組合作用下，最不利狀態(tài)內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3．集資詐騙罪。一些P2P網(wǎng)貸平臺(tái)弄虛作假，通過(guò)虛構(gòu)借款事項(xiàng)、投資項(xiàng)目，提供假證明文件，隱瞞公司的抗風(fēng)險(xiǎn)能力和運(yùn)營(yíng)情況以及資金流向，使投資者基于錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)進(jìn)行投資……這些行為實(shí)際上是想將投資款據(jù)為己有，將籌集到的資金用于別處，如房地產(chǎn)或是股票市場(chǎng)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將給投資者帶來(lái)巨大損失。著名的優(yōu)易貸、淘金貸和e租寶事件等，都是涉嫌集資詐騙罪。［5］

表1　支撐鋼管最不利內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果

φ609×14穩(wěn)定性驗(yàn)算：

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)支撐鋼管彎矩作用的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算：

角支撐鋼管穩(wěn)定性驗(yàn)算：

計(jì)算長(zhǎng)度l0=μl=11 000 mm，γx=1.15，βmx=1.0。

代入數(shù)據(jù)可得：σ=53 MPa<215 MPa，則φ609×14支撐穩(wěn)定性滿足要求。

基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算受力圖如圖4所示。

按開(kāi)挖至基坑底工況：基坑外立面按+43.92 m考慮，基坑內(nèi)立面按+34.42 m考慮。板樁底標(biāo)高為+28.87 m。

基坑抗隆起穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)：

Nc,Nq按下式計(jì)算：

基坑抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)：Fs=4.75>Khe=1.4。

基坑不會(huì)發(fā)生隆起現(xiàn)象。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼板樁圍堰的檢算可知，鋼板樁圍堰的力學(xué)性能滿足相關(guān)規(guī)范的要求，體系是安全的。由于水中環(huán)境復(fù)雜，在水下施工具有危險(xiǎn)性。而鋼板樁圍堰的采用，為水下橋墩承臺(tái)施工提供了一個(gè)干燥、安全的封閉環(huán)境，既保證了圍堰內(nèi)部基坑開(kāi)挖和澆筑混凝土，又減小了水下施工的危險(xiǎn)性，最大限度的提高了施工的安全性。鋼板樁圍堰廣泛運(yùn)用于橋梁深水基礎(chǔ)低樁承臺(tái)施工的防水圍堰，具有施工速度快、效率高、力學(xué)性能好、防水性能優(yōu)異、施工質(zhì)量高、成本低、能重復(fù)使用、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

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