盘海特大桥承台钢板桩围堰设计计算

陈 利

1 工程概况

盘(锦)营(口)高铁客运专线盘海特大桥主桥481号～483号墩承台台址处水深约3．2 m，施工期间水位相对稳定，出于该台址附近河域后期新建港口码头、河道通航需要，承台底部设计在水下埋深11．198 m处，承台高度3．5 m，河底土质基本为渗水性粉细砂［1］。

2 施工方案确定

钢板桩围堰对于水下或富含水地质条件下承台围堰施工法插打板桩和吊装不需大型起吊和下沉设备，尤其适宜于本施工点台址处地层土质分布比较均匀的粉细砂(地下孤石分布极少)地质条件，同时，钢板桩可以重复利用于本单位管段内其他多个承台的同类施工，从经济性及技术性角度来看，是一种良好的施工方法。

基于此，水深3．2 m范围内采用回填高度3．6 m的渗水性填料筑岛，481号～483号墩承台施工确定采用拉森钢板桩围堰施工方案。

钢板桩采用拉森Ⅳ型，长18 m，围堰平面尺寸为21．6 m×17．6 m，按设置四道内支撑进行设计验算。围堰桩顶标高为+2．442 m，第一道内支撑标高为+1．942 m，第二道内支撑标高为-1．058 m，第三道内支撑标高为-3．558 m，第四道内支撑标高为-6．058 m，封底混凝土厚度为2 m，基坑底标高为-9．598 m(即封底混凝土底面标高)(见图1)。

图1 钢板桩围堰施工方案立面图

3 围堰结构验算

3． 1 计算资料

3．1．1 地质资料

墩位处筑岛面以下地质资料:

①筑岛回填土:厚度 3．6 m，内摩擦角 φ=14°，容重 γ1=18．0 kN/m3，K1=1．4，主动土压力系数 Ka1=tg2(45°- φ/2)=0．61，被动土压力系数 Kp1=tg2(45°+φ/2)=1．638。

②粉细砂:内摩擦角 φ =32°，容重 γ1=19．5 kN/m3，K2=1．8，主动土压力系数Ka2=tg2(45°-φ/2)=0．307，被动土压力系数Kp1=tg2(45°+ φ/2)=3．255。

3．1．2 结构参数

钢板桩采用拉森Ⅳ型，材质16 Mn，钢板桩长18．0 m，W=2 037 cm3，抗弯容许应力［σw］=250 MPa。

3． 2 结构验算［2，3］

计算过程中土压力的计算采用水土分算原则，忽略粘聚力影响，同时，土层的物理力学特征值参考JTJ 024-85公路桥涵地基与基础设计规范。

1)反弯点位置计算。

工况1:第1道内支撑安装完后，围堰内开挖至标高-1．558 m处(第2道内支撑下50 cm)，准备安装第2道内支撑时，此时第1道内支撑受力处于最不利状态，计算如下:

利用钢板桩内外侧土压力等于0的点作为反弯点位置，假定其离基坑底面的距离y，在y处钢板桩主动土压力强度等于被动土压力强度:

其中，Pb为基坑底面处钢板桩墙后的主动土压力强度值;K为被动土压力修正系数。

因筑岛顶放坡开挖至第1道内支撑处(标高+1．942 m)，此时钢板桩外侧主动土压力值Pa为:

基坑底面处钢板桩外侧主动土压力值为:

假定反弯点进入细砂层内y'处，则钢板桩外侧土压力强度值(筑岛顶面至反弯点)P1与钢板桩内侧土压力强度值(基坑底面至反弯点)P2分别为:

外侧与内侧土压力强度值相等:P1=P2，得:y'=0．726 m。

由此，基坑底面距反弯点距离为:y=7．6-5．158+y'=3．17 m。

2)内力计算。

以第1道内支撑及开挖第1段基坑底为支撑点，由土力学及结构力学常规计算理论建立钢板桩简支梁受力模型，容易求得第1道内支撑处反力R11=149．7 kN(字母下标第一个数字为工况号，第二个数字为内支撑号)、钢板桩最大弯矩为M1max=90．9 kN·m。

采用相同的分析计算方法，逐一计算工况2到工况4反弯点位置及钢板桩受力情况见表1(这里，工况2指第2道内支撑安装完后，围堰内开挖至标高-4．058 m处，即第3道内支撑下50 cm处;工况3、工况4同理)。

表1 各工况内支撑反力及钢板桩最大弯矩值

3)钢板桩最小入土深度。

围堰开挖过程中，桩所受的外力主要包括桩侧背的土体侧压力及停置于围堰外侧进行施工作业的挖掘机具引起的土体压力。近似地将外力分配到围堰的内支撑上，由于围堰的内支撑是逐层设置的，设置好的内支撑将平衡下一层土体开挖时引起的附加侧压力，因此，确定桩的最小入土深度可通过对基坑面以下t/2点处取弯矩平衡的方法求得(见图2)。

图2 计算桩的最小入土深度示意图

对基坑面以下t/2点处取矩列平衡方程:

其中，Ri为各道内支撑反力，即反力R1～R4的数值;Li为各道内支撑到基坑面以下t/2点处的距离;Sj为桩侧背分布力面积所代表的各个合力，即如图2所示的两个梯形、一个矩形所代表分布力的合力;Fj为桩侧背分布力的合力到基坑面以下t/2点处的距离。

由此求得桩的最小入土深度理论值t1为:

说明:这里所得的最小入土深度t是充分考虑了围堰开挖施工过程中挖掘机等机具设备等作业荷载以及逐层开挖、逐道设置内支撑的实际施工情况而得到的相对准确值。由于在开挖过程中还有许多不定因素的影响，比如，一方面，丰富的地下水容易导致流砂情况发生而改变围堰开挖过程中的受力状态;其次，桩在基坑以下部分的真实嵌固点与假定的基坑面以下t/2点处存在一定的小偏差;第三，基坑内的水头与围堰外侧水头差随开挖及特殊工序的回注水导致围堰内外侧水头差的不定性影响等，所有这些对最小入土深度值都是有影响的。因此，取安全系数K=1．5，修正最小入土深度得到最终的入土深度值t为:

承台钢板桩围堰高18 m，实际入土深度为6 m，满足要求。

4)钢板桩抗弯强度验算。

由表1及力学理论计算经验可知，工况4为最不利施工情况。

取表1中各工况下最大弯矩中的最大值 max［90．9，193．2，293．0，416．4］=416．4 kN·m 作为钢板桩抗弯强度验算指标，钢板桩的抗弯强度σ为:

验算结论:钢板桩围堰施工方案安全可行。

5)内支撑强度验算。

为防止钢板桩围堰在施工过程中整体与局部失稳，在围堰内设置4道内支撑，内支撑结构参数为:内支撑为4道2Ⅰ40b型及3Ⅰ50b型工字钢组合受压构件，轴向容许应力［σ］=160 MPa，抗弯容许应力［σw］=170 MPa，剪应力［τ］=95 MPa。

由表1中各道内支撑处反力及材料抗压指标，利用轴心或偏心受压构件基本计算公式，易得内支撑满足受力要求。

4 结语

盘营高铁客运专线盘海特大桥主桥481号～483号墩承台钢板桩围堰开挖、支护施工过程中，围堰结构稳定，构件无明显变形，进一步证明了上述设计计算方案的合理性。

［1］ 盘(锦)营(口)高铁客运专线盘海特大桥施工设计图［Z］．天津:中铁第四勘测设计院，2009．

［2］ 凌治平，易经武．基础工程［M］．北京:人民交通出版社，2004:7．

［3］ 赵志缙．简明深基坑工程设计施工手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2000:4．

［4］ 马建勇，胡世浩．低桩承台钢板桩围堰施工关键技术浅议［J］．山西建筑，2009，35(17):271-278．