水中钢板桩围堰的设计

赵 平

(中国中铁二局第五工程有限公司，四川成都 610031)

1 工程背景

广西沿海铁路，位于北部湾地区，钦州北至北海段正线长度99.474 km。其中南流江双线特大桥长9 773.994 m，墩台共291个。

南流江双线特大桥采用(40+6×65.4+40)m连续梁跨越河流，其水中基础均采用桩基础，根据水文资料，该河流百年一遇最高水位7.81 m。规划为Ⅲ级航道。水中承台参数如表1所示。

图1 地质、水位描述图

表1 主墩处河床、承台高程、水位情况 m

2 钢板桩围堰结构设计

本文中以141号墩为代表对钢板桩围堰结构设计进行阐述，以供同类工程参考。

钢板桩围堰平面图见图2，计算图见图3。

图2 钢板桩围堰平面图

2.1 土压力计算

采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力计算图如图1所示。

图3 围堰的计算图

1)主、被动土压力系数。

粗砂层:Ka1=tg2(45°－φ/2)=0.271。

KP1=tg2(45°+φ/2)=3.69。

砾砂层:Ka2=tg2(45°－φ/2)=0.22。

KP2=tg2(45°+φ/2)=4.599。

2)有效主动土压力计算。

3)孔隙水压力计算。

4)土压力合力计算。

2.2 各工况钢板桩的计算

本工程施工按先插打钢板桩，安装首层钢支撑;再抽水、吸泥，安装第二层钢支撑;依次进行施工。因此分别计算钢支撑在各工况可能出现的最大反力、板桩最小入土深度和钢板桩最大内力。

根据施工顺序，拟定如下三种工况:

工况一:围堰第一道支撑加好后，抽水至第二道支撑下100 cm处时;

工况二:围堰第二道支撑加好后，围堰内吸泥、清淤并抽水至封底混凝土底标高时;

工况三:承台及垫块浇筑完成并达到设计强度，拆除模型回填粗砂至垫块(二级承台)顶标高，拆除第二道全部支撑时。

在计算时，各阶段钢板桩计算长度按等值梁法确定，即从主动土压力与被动土压力相等的截面截断形成等值梁计算支撑反力、钢板桩弯矩和最小入土深度。

2.2.1 工况一的计算

该工况时，有效被动土压力:

粗砂层内摩擦角φ=35°，考虑板桩与土体的摩擦，取钢板桩被动土压力修正系数K=2.0;砾砂层内摩擦角φ=40°，取钢板桩被动土压力修正系数K=2.3(参见建筑施工计算手册)，则:

工况一土压力分布如图4所示，钢板桩受力图如图5所示。

图4 工况一土压力分布图示

设钢板桩上土压力等于零的点离开挖面(H=－2.216 m)的距离为y，据土压力分布图可知:y=0.833 m(土压力为零点)。

图5 工况一钢板桩受力图

截取等值梁计算支撑反力和钢板桩弯矩如下(取1 m宽钢板桩计算):

调查以土壤类型较为复杂的甘肃省为研究区，利用遥感图像和地形数据，结合甘肃省土壤数据和高分辨率遥感图像，综合分析了实地调查数据、遥感信息特征及植被分布情况，并在此基础上建立了适合试验区的土壤遥感分类系统，探讨了遥感技术在甘肃土壤分类中的可行性，以期为研究区域的土壤调查和分类提供新的方法。

经电算:R1=76.3 kN/m，R2=112.1 kN/m，Mmax=159.8 kN·m。求钢板桩最小入土深度t:

设土压力为零的点距钢板桩最小入土深度时底端的距离为x+0.121(单位:m)，根据R2和墙前被动土压力对板桩底端的力矩相等计算，则:

则:x=1.99 m，钢板桩最小入土深度t=3.53 m，实际入土深度为9.3 m，满足要求。

图6 工况二土压力分布图示

2.2.2 工况二的计算

围堰第二道支撑加好后，围堰内吸泥、清淤并抽水至封底混凝土底标高(－6.016 m)时;

有效被动土压力:

砾砂层内摩擦角φ=40°，则:

设钢板桩上土压力等于零的点离挖土面(H=－6.016 m)的距离为y，据土压力分布图可知:y=1.2 m(土压力为零点)。

截取等值梁计算支撑反力和钢板桩弯矩如下(取1 m宽钢板桩计算):

经电算:R1= －9.8 kN/m，R2=360 kN/m，R3=180.4 kN/m，Mmax=244.4 kN·m。

因R1＜0，考虑 R1退出作用，经电算:R1=0 kN/m，R2=343.1 kN/m，R3=187.5 kN/m，Mmax=259.7 kN·m。

计算钢板桩最小入土深度t=5.184 m;实际入土深度为5.484 m，满足要求。

图7 工况二钢板桩受力图

图8 工况三土压力分布图

图9 抗隆起计算图

2.2.3 工况三的计算

承台及垫块浇筑完成并达到设计强度，拆除模型回填粗砂至垫块(二级承台)顶标高，拆除第二道全部支撑。

有效被动土压力:

砾砂层内摩擦角φ=40°，不考虑回填粗砂的被动土压力提高系数，则:

工况三土压力分布图如图8所示。

设钢板桩上土压力等于零的点离回填粗砂顶面(H=－1.716 m)的距离为y，据土压力分布图可知:y=1.523 m。

经电算:R1=78 kN/m，R2=98.7 kN/m，Mmax=164.2 kN·m。

因工况一和工况二满足最小入土深度，则工况三不再检算。

按最不利荷载作用下，钢板桩在各工况下所受的最大弯矩为Mmax=259.7 kN·m。

钢板桩拟采用拉森Ⅳ型，其截面抵抗矩W=2 037 cm3/m;则:

σ =Mmax/W=127.5 ＜［σ］=177 MPa，符合要求。

2.3 基坑土抗隆起验算

围堰在清淤至封底混凝土底标高H=－6.02 m时，需验算坑底的承载力;基坑土抗隆起验算采用滑动圆弧分析法(见图9)，则:

稳定力矩(忽略垂直面AC上土的抗剪强度对土体下滑的阻力):M稳=θ·τ2×R2=π ×σ2tg(φ2)×5.4842=15 855.8 kN·m。

抗隆起安全系数:

2.4 基坑底管涌验算

不发生管涌的条件为:

其中，K为抗管涌安全系数;γ'为基坑底土的浮容重，γ'=20.5 －10=10.5;h'为水位至坑底的距离，h'=6.02+3.5=9.52 m;t为钢板桩入土深度，t=5.484 m;

3 经验与体会

钦北铁路南流江双线特大桥水中墩采用钢板桩围堰施工，安全的完成了水中墩基础的施工，取得了良好的经济效益。钢板桩围堰作为水中施工的重要设备之一，完善的设计将是水中施工安全的重要保障之一。

［1］周水兴，何兆益，邹毅松，等.路桥施工计算手册［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］胡兴国.结构力学［M］.武汉:武汉工业大学出版社，1997.

［3］汪正荣.建筑施工计算手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［4］刘成宇.土力学［M］.北京:中国铁道出版社，1990.

［5］全广远.双壁钢围堰在水中桥中的应用［J］.山西建筑，2012，38(16):214-215.