基于水下承臺深基坑鋼板樁圍堰的計算與設(shè)計

文／曾君 武漢市漢陽市政建設(shè)集團有限公司 湖北武漢 430000

1、基本情況

1.1 研究的目的與意義

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，水上橋梁施工數(shù)量也不斷增多，傳統(tǒng)的筑島圍堰、土袋圍堰、鋼筋混凝土圍堰及鎖扣鋼管柱圍堰由于影響生態(tài)環(huán)境、止水效果及成本高等因素已經(jīng)無法使用?，F(xiàn)階段城市河湖水上圍堰一般采用鋼板樁圍堰或雙壁鋼圍堰，鋼板樁圍堰作為城市河湖水上圍堰主要施工方法，具有強度高、防水性能好、施工工期短、經(jīng)濟適用、綠色環(huán)保等優(yōu)點。本文以徑河五路跨徑河橋水上鋼板樁圍堰施工為依托，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對鋼板樁圍堰主體、圍檁及內(nèi)支撐等進行結(jié)構(gòu)計算，優(yōu)化布置，為相關(guān)城市跨河湖水上橋梁施工水上圍堰設(shè)計計算提供參考。

1.2 工程簡介

某跨河橋位于過徑河通道中部，工程南、北接城市主干路交叉口，全長349.922m，其中橋梁部分長約287.3m，路基部分長62.622m，路線平面為直線，與徑河正交。橋梁跨徑布置為2×(4×35)m 等寬寬橋。全橋共計2 個橋臺和7 個橋墩，最深基坑P6 各參數(shù)為：承臺尺寸(長＊寬＊高)12.2＊7.6＊3.0，承臺頂高程13.815，承臺底高程10.815，水位18.44，湖底/地面高程14.85，水深3.59m，坑內(nèi)土深4.035m，基坑深度7.625m。以最深基坑P6 為例，進行深基坑水上鋼板樁圍堰的設(shè)計計算分析。

2、理論計算

拉森鋼板樁支護邊線為承臺輪廓線向四周分別外擴1.5m 作為支護外邊線，基坑深7.625m，基坑支護采用12 m 拉森IV 型鋼板樁，圍檁及斜撐采用400＊400＊13＊21H型鋼，橫向支撐為直徑377＊12mm 鋼管。具體鋼板樁圍堰平面圖如圖1：

圖1 水中承臺鋼板樁支護平面圖和立面圖

2.1 地質(zhì)參數(shù)及材料特性

（1）地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報告，鋼圍堰涉及工程地質(zhì)計算參數(shù)如下：

①水：頂標(biāo)高18.44m，底標(biāo)高14.85m，厚度3.59m，γ=10kN/m；

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：頂標(biāo)高14.85m，底標(biāo)高14.35 m，厚度0.5m，γ=10kN/m，C=8kPa，φ=4°；

③層：頂標(biāo)高14.35m，底標(biāo)高3.15m，厚度1.2m，γ=19.3kN/m，C=18kPa，φ=10°；

④層：頂標(biāo)高13.15m，底標(biāo)高7.15m，厚度6m，γ=19.6kN/m，C=28kPa，φ=14°；

⑤層：頂標(biāo)高7.15m，底標(biāo)高2.35m，厚度4.8m，γ=20.5kN/m，C=54kPa，φ=15°。

（2）鋼板樁截面特性

鋼板樁選用拉森IV 型鋼板樁，截面參數(shù)為：b=400mm，h=170mm，t=15.5mm，面積A=96.99cm，重量=76.1kg/m，慣性矩I=4670cm，截面矩W=2270cm。

（3）圍堰各構(gòu)件截面參數(shù)

圍檁/角撐：截面型式為400＊400H 型鋼，Q235，截面面積A=214.54cm，慣性矩=65361.58cm；內(nèi)支撐：截面型式為377＊12，Q235，截面面積A=137.6cm，慣性矩=22939.76cm。Q235 材料彈性模量 E=206GP a,許用應(yīng)力[σ]=210MPa,剪切應(yīng)力[τ]=160MPa,密度ρ =7.8×10kg/m。

2.2 荷載計算

（1）水壓力計算

水壓力公式：

其中，γ為水的重度（10kN/m）；h 為水深度。

本次計算中，鋼板樁長15m，高出水面1.0m，入土深度6.4m。水面高出淤泥面3.59m，根據(jù)式，水壓力荷載最大35.9KN/m。

（2）土壓力計算

2.3 鋼板樁最小入土深度

以深入基坑底部x 處為鋼板樁最小入土深度，則鋼板樁受力如圖2：

圖2 鋼板樁受力結(jié)構(gòu)圖

以A 點取矩，令M=0，可得：

帶入數(shù)據(jù)可求得：x=0.73，為滿足條件，取安全系數(shù)1.2，可得最小入土深度為0.88m。至此鋼板樁總長度為：L=l+H+1.2x=9.51m，因此選取12m 長鋼板樁進行驗算。

2.4 鋼板樁及圍檁支撐計算

（1）鋼板樁驗算

（2）圍檁及撐筒驗算

對圍堰長邊來說，以支撐業(yè)力為圍檁線荷載，計算圍檁結(jié)構(gòu)強度：

對稱結(jié)構(gòu)，取一半進行分析，令M=0，可求得支業(yè)力F=286.34kN，F(xiàn)=246.57kN，同時求得結(jié)構(gòu)最大彎矩（中點處）為224kNm，可得其最大應(yīng)力：σ=M/ W=68.54MP，滿足要求。

對圍堰短邊來說，以支撐業(yè)力為圍檁線荷載，計算圍檁結(jié)構(gòu)強度：

求得支業(yè)力F= F=371.64kN，求得結(jié)構(gòu)最大彎矩（中點處）為241.60kNm，可得其最大應(yīng)力：σ=M/ W=72.32MP，滿足要求。

其撐筒業(yè)力為F=286.34kN，可得其應(yīng)力為：σ=F/A=20.81MP，滿足要求。

3、Midas Civil 有限元分析

3.1 整體建模

根據(jù)圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立水下承臺支護整體模型。其中，鋼板樁按整體板單元建立，厚度15.5mm；圍檁、支撐為梁單元。水壓力按流體壓力荷載施加至鋼板樁單元外側(cè)，按最大深度3.59m 施加。土壓力等效為流體壓力施加，等效為一層土層處理，土層平均重度19.44 kN/m，加載高度按4.03m 施加:（圖3）

圖3 圍堰水壓力及土壓力的布置圖

3.2 基坑圍堰計算結(jié)果

（1）鋼板樁計算結(jié)果

工況：水、土組合，鋼板樁有效應(yīng)力59.7Mpa＜210 MPa，最大剪切應(yīng)力30.7MPa＜160MPa，滿足要求。（圖4）

圖4 圍堰鋼板樁應(yīng)力分布圖

（2）圍檁計算結(jié)果

圍檁400＊400 型鋼：

工況：水、土組合，組合最大彎曲應(yīng)力為106.1Mpa＜210MPa，最大剪切應(yīng)力64.7MPa＜160MPa，滿足要求。

（3）內(nèi)支撐計算結(jié)果

內(nèi)支撐應(yīng)力最大值為32.7MPa＜210MPa滿足要求。

結(jié)語：

（1）由理論計算得到鋼板樁應(yīng)力為60.76 MPa，與之對應(yīng)的模型分析結(jié)果為59.7 MPa，結(jié)果基本一致；理論計算得到的圍檁及撐筒的值均比模型分析要小20%～30%，這是由于兩種方法模型簡化不一致導(dǎo)致的。理論計算的模型是以單體為計算對象，采用單位桿單元計算，這種計算模型計算在一定程度上簡化了受力模式，但是缺少結(jié)構(gòu)整體的考慮。尤其是圍檁的計算，整體圍檁是平面二維受力結(jié)構(gòu)但理論計算簡化單以桿件計算，缺少了圍檁長邊和短邊的受力耦合，這一點在斜撐的長短邊受力不同（長邊斜撐F=246.57kN，短邊F=F=371.64kN）中可以體現(xiàn)出來。相同桿件的應(yīng)力在同一方向應(yīng)是一致，如果出現(xiàn)不同必定導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布，這種計算模型就是錯誤的。

（2）單以桿件單元計算理論公式完全可以做到精確，建模計算在整體性來說是精準(zhǔn)的，但是在鋼板樁的選型、計算入土深度方面完成不了。整體來說理論計算主要針對鋼板樁個體，可以精確計算入土深度，對鋼板樁的選型具有決定性作用；模型計算具備整體性，能精確計算各個單元應(yīng)力狀態(tài)，但需要先確定材料選用及鋼板樁長度。