某特大橋深基坑鋼板樁支護設計驗算研究

何 俊

（華亭市交通運輸局，甘肅 華亭 741000）

0 引言

隨著我國基礎設施建設規模的加大，工程建設領域的技術水平也在逐漸提高[1]。鋼板樁在特殊地基設計中有較高的性價比，因此被廣泛應用。擬建某特大橋，其地基上層為填筑土，中間層為淤泥質粉質黏土，地質十分復雜。設計單位結合現場施工的規模及特點，通過方案比選優化，提出采用鋼板樁進行基坑支護處理。由于鋼板樁的支護設計可為特殊地質條件下各類結構的基礎優化設計提供參考，本文專門就該深基坑鋼板樁支護設計驗算進行經驗總結。

1 工程概況

某特大橋橋墩為（64m+64m）T構主墩，墩承臺平面幾何尺寸為18.9m×18.9m，高度為4m，承臺底標高為+32.103m。該工程位于安徽省亳州市境內。

本段橋址區地貌單元為黃淮沖積平原，地形平坦，開闊，橋址區多為耕地、村落、道路。勘探深度范圍內揭示地層為第四系全新統人工堆積層（Q4ml)填筑土、雜填土和素填土、沖積層（Q4al）黏土、淤泥質粉質黏土、粉土和粉質黏土、上更新統沖積層（Q4al）黏土、粉質黏土、細砂。根據巖土工程勘察報告，在鉆探控制深度內，地層自上而下為：（1）填筑土：灰褐色、雜色、密實、稍濕，主要為渦河河堤及既有鐵路線，厚度5m；（2）淤泥質粉質黏土：本段橋址區分布有淤泥質粉質黏土，灰褐色、黃褐色，軟塑，含少量有機質，具有腥臭味，呈層狀分布于渦河河床，層厚4.70m。

樁基施工完成后插打鋼板樁，圍堰內開挖施工承臺、墩身。鋼板樁采用拉森SP-Ⅳ型鋼板樁，材質SY295，長度為12m，圍堰平面尺寸為20.8m×20.8m，在承臺頂部設置1道內支撐，內支撐圍檁和斜撐均采用雙拼工50a型鋼，八字形斜撐，材質Q235。基坑開挖深度6m。

2 土壓力計算及參數確定

工程中應用較為普遍的土壓力計算公式有：庫侖公式和朗肯公式。庫侖理論假設粘聚力c＝0，考慮了墻體與土體之間的摩擦作用，并考慮了墻體的傾斜，但對于黏性土必須采用等代摩擦角，層狀土須簡化成勻質土才能計算；而朗肯土壓力理論無論對于砂土、黏土、勻質土和層狀土均可適用，也適用于地下水及滲流效應的情況，但因未考慮土體與墻體間的摩擦，使被動土壓力偏小，主動土壓力偏大[2]。

朗肯土壓力公式：

主動土壓力系數：

被動土壓力系數：

根據設計圖提供的地質資料，查閱相關規范并結合工程實踐綜合考慮，土層各物理力學參數取值如下：容重19.5kN/m3，摩擦角28°。因土體特征性依據規范估取，故不考慮粘聚力影響，以抵消估取數值的不準確性[3]。

考慮施工荷載，圍堰開挖過程圍堰邊的地面荷載，包括靜載（堆土、堆物等）和活載（施工荷載、汽車、吊車等），按實際情況折算成均布荷載q=20kN/m2進行計算。

3 鋼板樁及內支撐受力計算

3.1 最不利工況下的鋼板樁受力

根據施工工序，最不利工況發生在圍堰內支撐加好后，開挖到承臺底+32.103m，計算支撐的最大反力和鋼板樁最大內力。

最不利工況下，鋼板樁受力如圖1所示。

圖1 鋼板樁受力圖

3.2 計算反彎點位置距離基坑底的值e

以鋼板樁土壓力等于零的點作為反彎點位置，算出距離基坑底的值e，在e處鋼板樁主動土壓力等于被動土壓力，即Pp=Pa。

3.3 鋼板樁內力計算

圖2 鋼板樁受力計算簡圖（kN/m）

采用midas建立計算模型，計算結果見圖3～6。

圖3 彎矩圖（kN·m）

圖4 剪力圖（kN）

圖5 反力圖（kN）

3.4 鋼板樁受力計算

拉森SP-Ⅳ型鋼板樁截面抗彎模量為2270cm3,鋼材材質為SY295，[σ]＝210MPa[4]。

由計算分析知：鋼板樁的最大彎矩為144.1kN·m。

鋼板樁的最大組合應力：

抗彎強度滿足設計要求。

3.5 內支撐受力計算

上述最不利工況下，計算得到內支撐的最大反力為54.8kN，采用midas建模對支撐圍檁進行加載，計算內支撐在外荷載及自重作用下的受力情況，圍檁支撐示意圖如圖7所示。該工程中圍檁采用雙拼工50a型鋼，內支撐采用雙拼工50a型鋼。材質為Q235鋼材，[σ]＝140MPa；采用midas建模，施加荷載及邊界條件，如圖8所示。

圖7 圍檁支撐示意圖

圖8 內支撐加載模型（kN/m）

計算結果見圖9～圖14。

圖9 內支撐變形圖（mm）

圖10 圍檁彎矩圖（kN·m）

圖11 圍檁組合應力圖（MPa）

圖12 斜撐軸力圖（kN）

圖13 斜撐彎矩圖（kN·m）

圖14 斜撐組合應力圖（MPa）

由以上計算可知：內支撐圍檁最大組合應力為54.7MPa，斜支撐最大組合應力為22.4MPa，均小于[σ]＝140MPa，強度滿足要求。

4 鋼板樁入土深度和坑底土抗隆起驗算

4.1 鋼板樁入土深度驗算

通過計算知，土壓力零點處鋼板樁剪力為：Q0=90.6kN，則鋼板樁有效嵌固深度為，最小入土深度：t=t0+e=4.3m＜5.8m,滿足要求。

4.2 坑底土抗隆起驗算

最不利工況下，即開挖到承臺底+32.103m時，必須計算基底的承載力，若基底承載力不足，將導致坑底土的隆起。

該工程基底抗隆起計算參照普朗德爾Prandtl和太沙基Terzaghi的承載力公式[5-6]，并將樁墻底面的平面作為極限承載力的基準面，承載力安全系數的驗算公式如下：

Nc和Nq按照普朗德爾Prandtl公式，Nc=(Nq-1)/tanφ，Nq=tan2(45°+φ/2)·eπtanφ

式中：

c——粘聚力，kPa；

φ——內摩擦角，°；

γ——容重，kN/m3；

t——支護入土深，m；

h——開挖基坑高，m；

q——地面荷載，kPa。

滿足抗隆起穩定性要求。

5 結束語

本設計方案較好地解決了淤泥質粉質黏土支護，且鋼板樁設計方案具有很明顯的優勢，防水效果較好。有軟臥下層情況下，須驗算軟臥下層的承載力，支護應穿透軟臥下層。通過計算主動土壓力和被動土壓力，而確定主動土壓力系數和被動土壓力系數。從最不利工況下的鋼板樁受力計算、反彎點位置的土壓力、鋼板樁內力計算、鋼板樁受力計算、內支撐受力計算等方面進行鋼板樁及內支撐受力計算。通過鋼板樁入土深度驗算，最小入土深度為4.3m，滿足要求。通過坑底土抗隆起驗算，穩定性滿足抗隆起要求。