桥梁钢板桩围堰设计与检算分析

李 钢

(敦煌铁路有限责任公司，甘肃 敦煌 736200)



桥梁钢板桩围堰设计与检算分析

李 钢

(敦煌铁路有限责任公司，甘肃 敦煌 736200)

以铁路桥墩基础施工中的钢板桩围堰为例，介绍了钢板桩围堰的设计方案，并计算分析了钢板桩围堰的强度和稳定性，确保钢板桩围堰的力学性能满足规范要求。

桥梁工程，钢板桩围堰，基坑，稳定性

0 引言

钢板桩围堰是最常用的一种板桩围堰。钢板桩围堰具有强度高、接合紧密不易漏水、施工简便、可多次重复使用等特点，因此被广泛应用于水中承台基础的施工中。但在实际应用中，应结合工地现场的实际情况认真地做好围堰方案的设计和检算工作，并严格按规范要求进行施工，才能达到安全可靠、保证施工质量的目的[1-8]。

1 钢板桩设计

某特大桥水中墩承台尺寸为14.3 m×10.6 m，厚度为3 m，板桩围堰内轮廓尺寸在承台外轮廓尺寸的基础上外扩1.2 m，为16.7 m×13 m，采用SP-IV型号板桩，板桩长15 m。采用双层围囹，围囹高程分别为+2.56 m，-0.64 m。板桩围堰平面布置图见图1。

钢板桩为SP-IV型，采用16Mn钢材，其技术参数列表如表1所示。

表1 钢板桩技术参数

2 钢板桩的检算

2.1 荷载及工况

1)荷载分析。

钢板桩荷载包括结构自重和土(水)压力。在进行计算时结构自重可由计算软件自行计入，而对于土(水)压力，则主要包括三种：

a.土体自重产生的土压力。土压力按《建筑基坑支护技术规程》进行水土分算考虑，考虑土质差别就小，按照同一土层计入，主动土压力系数Ka=0.65，被动土压力系数Kp=1.6，粉土的重度取19 kN/m3。 被动土压力则按施加受压土弹簧进行模拟。

b.挖机荷载产生的附加土压力。考虑25 t挖机开挖基坑时产生的附加土压力作用。挖机工作状态时总重25 t，考虑0.7的偏载系数。要求挖机作业时履带边缘距离板桩不小于1 m。

c.静水压力。静水压力公式：ew=γwh。

2)荷载组合原则。

各工况考虑两种荷载组合形式，即标准组合和基本组合。荷载组合形式如下：

标准组合=∑恒载+∑活载。基本组合=1.2∑恒载+1.4∑活载。

以上组合中，标准组合计算结果用来评价刚度指标，基本组合计算结果用来评价结构强度指标。

2.2 整体建模计算

1)整体计算模型。根据设计图纸中的结构布置，采用有限元软件建立模型，板桩、围囹、支撑采用梁单元模拟，钢板桩底部铰结，被动土压力采用只受压土弹簧模拟，围囹与板桩之间采用只受压弹簧模拟，支撑与围囹间共节点处理，在牛腿处约束竖向位移模拟其对围囹的支撑作用。考虑到开挖至基坑底，浇筑封底前，结构最不利，进而对此工况进行分析。图2为板桩围堰有限元模型图。

2)主要计算结果。板桩围堰主要施工阶段的计算结果如表2所示。

表2 板桩施工阶段计算结果

综上，板桩各个构件都满足要求。

2.3 支撑钢管稳定性检算

标准组合作用下，支撑钢管最不利状态下内力计算结果如表3所示。

表3 支撑钢管最不利状态下内力计算结果

2.3.1 2Ⅰ40b稳定性计算

1)平面内稳定性计算：

《钢结构设计规范》规定，需要按下式进行支撑钢管弯矩作用平面内的稳定性验算：

2Ⅰ40b支撑钢管平面内稳定性验算：

2)平面外稳定性计算：

《钢结构设计规范》规定，需要按下式进行支撑钢管弯矩作用平面外的稳定性验算：

代入数据可得：σ=135 MPa

2.3.2 φ529×8稳定性计算

1)平面内稳定性计算：

《钢结构设计规范》规定，需要按下式进行支撑钢管弯矩作用平面内的稳定性验算：

俗话说：“书中自有黄金屋，书中自有颜如玉。”最令我开心的既不是去旅游，也不是品尝美食，而是在图书馆中遨游。

φ529×8支撑钢管平面内稳定性验算：

代入数据可得：σ=182MPa<215MPa，则φ529×8支撑钢管稳定性满足要求。

2)平面外稳定性计算：

《钢结构设计规范》规定，需要按下式进行支撑钢管弯矩作用平面外的稳定性验算：

代入数据可得：σ=173 MPa

2.4 基坑抗隆起稳定性检算

基坑抗隆起稳定性计算简图见图3。

按开挖至基坑底工况：基坑外泥面按+3.9 m考虑，基坑内泥面按-4.437 m考虑。板桩底标高为-10.9 m。

基坑抗隆起稳定性评价系数：

其中，D为基坑底面至挡土构件底面的土层厚度；h为基坑开挖深度；γm1为基坑外挡土构件底面以上土的重度,kN/m3，多层土取各层土按厚度加权的平均重度；γm2为基坑内挡土构件底面以上土的重度,kN/m3，多层土取各层土按厚度加权的平均重度；Nc,Nq均为承载力系数；c,φ分别为挡土构件底面以下土的粘聚力、内摩擦角；q为为基坑外侧土上均布荷载，考虑挖机荷载；Khe为抗隆起安全系数，安全等级为三级的支护结构取1.4。

经计算基坑抗隆起稳定性系数：Fs=1.42>Khe=1.4。

基坑不会发生隆起现象。

2.5 嵌固稳定性检算

围堰嵌固稳定性计算简图见图4。

其中，Epk为基坑内侧被动土压力合力作用标准值；Eak为基坑外侧主动土压力合力作用标准值；zp2为基坑内侧被动土压力合力作用点至支点的距离；za2为基坑外侧主动土压力合力作用点至支点的距离；Kem为嵌固稳定安全系数，对于三级支撑式支挡结构，不应小于1.15。

因此嵌固稳定性满足设计要求。

2.6 基坑底部管涌检算

其中，K为管涌安全系数；h′为水位到基坑底的距离；γ′为土层浮容重。

实际插入深度为5.9 m>4 m，基坑底部不会发生管涌。

3 结语

通过对钢板桩围堰的检算可知，钢板桩围堰结构的强度和稳定性均满足相关规范的要求。在钢板桩围堰施工过程中，及时安装支撑和围囹，保证在施工期间的河道水位不得高于目前水位。同时对其施工质量进行了严格的控制，确保了工程的施工质量和安全要求。从施工的效果来看，钢板桩围堰在整个桥墩施工过程中保持了良好的状态，最终的效果也达到了预期要求。

[1] 谢子山.丙洲大桥承台钢板桩围堰的设计与施工[J].黑龙江科技信息,2008(28):223.

[2] 戴 汕,杨明军.单排钢板桩围堰施工工艺[J].水运工程,2007(7):81-84.

[3] 崔 浩.钢板桩围堰的设计与施工[J].公路,2008(2):68-71.

[4] 王君堂,郜满珍. 钢板桩围堰的设计与施工[J].山西建筑,2007,33(4)：129-130.

[5] 李迎九.钢板桩围堰施工技术[J].桥梁建设,2011(2):76-79.

[6] 何红民.密质细砂地质单层钢板桩围堰渗漏防治措施[J].城市建筑,2015(27):246-248.

[7] 温利强,高顺平.浅谈钢板桩围堰的设计与施工[J].山西建筑,2010，36(2):129-130.

[8] 阮泽莲,吴 炜.厦漳跨海大桥Ⅱ标主墩钢板桩围堰设计[J].水运工程,2011(8):24-27.

Analysis on the design and calculation of the bridge steel sheet pile cofferdam

Li Gang

(Dunhuang Railway Co., Ltd, Dunhuang 736200, China)

Taking the steel sheet pile cofferdam in railway bridge pier foundation construction as an example, the paper introduces the design scheme of steel sheet pile cofferdam, calculates and analyzes the strength and stability of steel sheet pile cofferdam, with a view to meet mechanical performance demands of steel sheet pile cofferdam.

bridge engineering, steel sheet pile cofferdam, foundation, stability

1009-6825(2016)34-0172-03

2016-09-28

李 钢(1972- ),男，工程师

U443.162

A