板桩围堰在渡槽墩台基坑工程中的应用技术研究

张昀保，马振波，朱亚飞，张心欣

(1.河北省水利科学研究院，石家庄 050057； 2.南水北调中线干线工程建设管理局 河北分局，石家庄 050000)

1 工程概况

某渡槽工程，墩台位于河道内。桥墩承台平面尺寸为20.6 m×9.8 m，高为3.0 m，承台下设 14 根直径为1.5 m 钻孔灌注桩，用于传递上部荷载。承台底标高-7.753 m,承台顶标高 -4.753 m，河床面标高-4.73 m。基坑处土层分层情况及力学参数详见表1。

表1 土层力学参数表

考虑施工场地的水文地质条件，基坑围堰选择拉森IVw型钢板桩进行支护，材质 SY295，钢板桩宽600 mm、高210 mm、厚18 mm、截面积为135.3 cm2。钢板桩容许应力[σ]=295 MPa

基坑深度为14.053 m，单根钢板桩总长度为 29 m，长高比较大。围堰外围的平面尺寸为 23.64 m×12.54 m，围堰顶高程为 +5.0 m，围堰底高程为-24.0 m，内支撑需要设置4道。封底混凝土厚 1.3 m。

第一道内支撑标高2.50 m，与桩顶间距2.5 m，共设3根。内支撑圈梁采用 2HM588*300 型钢, 截面积3.85×104mm2，斜向支撑采用φ530×8 mm 钢管，垂直对撑采用 2HM588*300 型钢。

第二道内支撑标高-1.00 m，与第一道间距3.5 m，共设3根。圈梁内支撑采用 2HM700*300型钢，截面积(4.71×104mm2)，以下同。

第三道内支撑标高-4.00 m，与第二道间距3 m，共设3根。

第四道内支撑标高-6.50 m，与第三道间距2.50 m，共设5根。

钢板桩的入土深度不应小于钢板桩的0.5倍，嵌固深度在钢板桩位移为零的位置，嵌固深度取基坑开挖后钢板桩嵌入土体的深度：

D=总长-基坑深度=29-14.053=14.947 m>0.5×29 m

围堰总体立面布置图见图1。

图1 围堰总体立面布置图

2 围堰结构的计算

2.1 土压力计算

为了进行钢板桩围堰的力学分析，首先要进行土压力的计算。考虑基坑周围的施工情况，取超载q=5.28 kPa。土压力采用水土合算公式：

(1)

土压力计算值见图2。

图2 土压力分布图(单位：kPa)及内支撑内力 计算简图(单位：kN)

2.2 内支撑的内力校核

采用分担面积法对内支撑进行内力计算，简化计算结构，将钢板桩简化为悬臂梁，土压力简化为三角分布荷载，内支撑简化为集中力Q。计算大小为各内支撑所分担的面积。

Q1=(0.1+(7.28+46.93)*4.05/2)*23.64/3=865.82 kN

Q2=(46.93+78.75)*3.25/2*23.64/3=1 609.33 kN

Q3=((78.75+100.58)*2.23/2+(54.43+61.5)*0.52/2)*23.64/3=1 813.15 kN

Q4=(61.5+113.2)*3.8/2*23.64/5=1 569.36 kN

支撑材料2HM588*300 型钢的抗力[1]为5 024.3 kN，满足要求。

2.3 钢板桩的抗剪强度校核

采用分担面积法，钢板桩剪应力T为：

T1=(0.1+(7.28+29.8)*2.3/2)*23.64/3=336.81 kN

T2=T1-Q1=336.81-865.82= -529.01 kN

T3=T2+∑S2*D2=529.01+(29.8+64.06)*3.5/2*23.64/3=765.32 kN

T4=T3-Q2=765.32-1609.33=-844.01 kN

T5=T4+(64.06+93.43)*3/2*23.64/3=1017.52 kN

T6=T5-Q3=1017.52-1813.15=-795.63 kN

T7=T6+((93.43+100.58)*0.73/2+(54.43+78.51)*1.77/2)*23.64/3=689.48 kN

T8=T7-Q4=689.48-1569.37=-879.88 kN

T9=T8+(78.51+113.2)*2.55/2*23.64/3=1046.23 kN

由上可知，Tmax=1 046.23 kN，钢板桩宽度B为600 mm，厚度t为18 mm，进行抗剪强度校核：

(2)

计算结果满足剪切强度要求。

2.4 钢板桩的正应力验算

根据弯矩、剪力的微积分关系可知，弯矩不利位置为剪力图内各剪力突变处、剪力图的零点处，即集中力处与剪力图零点处。经计算，钢板桩的弯矩分布图见图3。

图3 结构的弯矩

从图3中可知，最不利弯矩位置位于第三道、第四道中点处，弯矩M=2 986.1 kN·m

带入正应力的强度条件式：

σ=My/Wz=2 986.1×1 000×0.018÷56 700÷108=94.80 MPa<[σ]=295 MPa

(3)

计算结果满足强度条件。

2.5 圈梁的强度验算

2.5.1 圈梁的抗剪强度计算

根据土压力的分布图，第三道内支撑的土压力为最大，取第三道内支撑处的圈梁计算圈梁的强度验算。

在第三道内支撑处，Q3=1 813.15 kN，根据二分担法，第三道内支撑处所承担的的土压力化为分布荷载，大小为：

q=3×Q3/围堰外围长度=3×1 813.15/23.64=230.1 kN/m

图4为圈梁的结构简图。

经计算,圈梁的剪力计算值见图5。

图4 圈梁的结构简图

图5 圈梁的剪力图

计算得出圈梁的最大剪力为1 697.2 kN，剪应力为：

τ=T/S=1 697.2×103/192.5×104=88.17 MPa<[τ]=110 MPa

(4)

计算结果满足抗剪强度校核。

2.5.2 圈梁的正应力验算

圈梁的弯矩计算值见图6。

表6 圈梁的弯矩图(单位：kN·m)

计算得出圈梁的最大弯矩为6 235.4 kN·m，则：

σ=My÷Wx=6 235.4÷4 020÷106=15.51 MPa<[σ]=170 MPa

(5)

计算结果满足正应力的强度校核。

2.6 封底混凝土抗浮验算

围堰进行混凝土封底是有效防止水头差产生的水压力从底部渗入的措施。由于封底混凝土体积较大，会产生较大的向上浮力，需要进行抗浮验算[2]。封底混凝土平面尺寸为22.6 m×11.2 m，厚度1.3 m，采用C25，其容重γ=24 kN/m3。桩基钢护筒外径为1.5 m，共14根，钢与混凝土黏结力取200 kN/·m3。

封底混凝土体积：

V=1.3×(22.8×11.2-3.14×0.752×14)=299.8 m3

封底混凝土自重：

G=24×299.8=7 195.7 kN

护筒黏结力：

T1=1.3×3.14×1.5×200×14=17 144.4 kN

钢板桩围堰黏结力：

T2=1.3×2×(22.8×11.2)×200=17 680 kN

封底混凝土底部到水面的距离为：

4.8+9.053 m

封底混凝土底面受水浮力：

P=(22.8×11.2-3.14×0.752×14)×10×(4.8+9.053)=18 862.57 kN

G+T1+T2=7 195.7+17 144.4+17 680=42 020.1 kN>P=31 949.5 kN

(6)

计算结果表明，围堰整体抗浮满足要求。

3 整体验算

3.1 整体稳定验算

利用理正6.0深基坑软件，采用瑞典条分法验算整体稳定性。计算所建立的整体倾覆破裂面见图7，计算结果见表1。工况一：抽水至水平面处；在+2.5 m处加支撑一；工况二：抽水至河底面，施加内支撑二；工况三：加内支撑三；工况四：开挖至基坑底部处，并加内支撑四。

图7 整体倾覆破裂面图

抗倾覆稳定条件公式：

(7)

Mp=Mp1+Mp2

式中：Ma为倾覆力矩，大小为坑外主动土压力对桩底取距；Mp1为抗倾覆弯矩，等于内支撑的抗力对桩底取距，此处选用内支撑的抗力进行验算；Mp2为抗倾覆力矩，等于坑内的被动土压力对桩底取距(坑内水压力与坑外水压力抵消三角形部分)。

整体稳定性验算结果见表2。

表2 整体稳定性验算结果

以上计算均大于规范允许值1.2，各工况满足整体抗倾覆验算。

3.2 抗隆起验算

计算所用的抗隆起验算图见图8。

图8 抗隆起验算图

根据基坑抗隆起计算公式[2]：

(8)

Ks=1.162≥=1.15,满足规范要求。

4 基坑的施工过程

首先完成钢板桩的插打，然后拼装圈梁并下放到位；利用低潮位进行围堰内支撑的施工。抽水至水平面0.0 m处，在+2.5 m安装内支撑一；抽水至河底处-4.73 m处，在-1.0 m安装内支撑二；在-4.0 m处安装内支撑三；加水吸泥至第四道内支撑处，在-6.5 m安装第四道内支撑；继续抽水吸泥至封底混凝土底面-9.053 m，浇筑封底混凝土底部标高-9.053，高为1.3 m，待混凝土达到设计强度后，并打14根钻孔桩。

拆除第四道内支撑，对承台进行施工，承台高度为3 m，平面尺寸略小于基坑尺寸。在承台与钢板桩周围的空隙间回填2.5 m的砂土混合物，并在顶部浇筑0.5 m高砼冠梁，用于维持围堰的稳定。 待砼冠梁达到强度后，拆除第三道内支撑； 选择潮水为低水位时，注水至围堰外水位高度，平衡内外水压力差，拆除第二道与第一道内支撑。

进行围堰钢板桩拆除，按照先下游、再两侧、后上游的拆除顺序，选择下游易拆除的钢板桩振动几分钟使其松动，拔出1～2 m，以同样的方式将所有的钢板桩松动拔高1～2 m，再依此顺序拔除钢板桩。

5 结 论

针对某渡槽墩台基坑工程，依据基坑场地的水文工程地质情况，选择钢板桩围堰结构作为本设计的支护方案。采用理论计算和理正计算相结合的方式，对钢板桩、内支撑、圈梁进行了强度校核和抗力校核，同时进行了封底混凝土抗浮验算、整体抗倾覆稳定性验算、抗隆起验算，并介绍了钢板桩基坑支护的施工要点。