钢板桩支护-淮安大运河深水基坑受力分析案例

拉森钢板桩是一种可重复利用的施工材料,其优点为：强度高，容易打入坚硬土层；可在深水中施工，必要时加斜支撑成为一个围笼。防水性能好；能按需要组成各种外形的围堰，并可多次重复使用，因此，它的用途广泛。尤其在深水桥梁基础施工中发挥着重要作用。以下结合淮安市通甫路大运河桥工程的施工实际,介绍拉森钢板桩在深水施工的受力计算,以确保深水施工的安全性、便捷性和高效性。

1　工程概况

淮安市通甫路大桥起讫于延安东路,横跨京杭大运河,终止于正大路,是连接运河南北交通的重要交通道路,大运河桥主桥为双塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥,桥面上索塔高26m,其跨度为100m + 160m +100m,主墩桩基为21 根<1. 8m 钻孔灌注桩, 桩长72m。承台为矩形尺寸,截面为31m×12. 2m,承台厚度4m;承台顶标高为4. 33m,底标高为0. 33m,施工现场实测原地面标高为+ 10. 68m,钢板桩施工时先卸载掉1m高度的土方以减少土压力。

2   地质水文情况

根据设计提供的资料,桥址处土层分布尚有规律,土层具体参数如表1所示。现在实测大运河通航水位9. 3m, 根据现场调查和了解, 往年汛期最高水位为9. 7m。由于承台的1 /3部分位于大运河河道内,基坑处运河内水深接近5m,不具备直接筑岛围堰并进行开挖的条件,所以决定采用钢板桩围护支撑辅助施工。

3　围堰的计算依据及布置

3. 1　计算依据

本计算主要依据表1中的土层参数和大运河的水

文状况,围堰设计时地面标高按+ 9. 68m考虑,围堰设

计时计算水位按埋深1m (即+ 8. 68m)考虑。

3. 2　钢板桩布置

表1　各土层地质资料参数

编号土层名称各土层

底标高/m

容重/

( kN /m3 )

内摩擦角/

°

粘聚力/

kPa

① 耕土或素填土+ 6. 84 19. 4 0 0

② 青灰色、灰色亚砂土+ 6. 14 19. 5 19 7

③ 青灰色、灰黄色粘土+ 2. 74 19. 9 17 46

④ 灰黄色亚粘土+ 0. 34 19. 3 16 28

⑤ 黄色、黄灰色亚砂土- 0. 06 19. 8 24 9

⑥ 黄色粘土- 34. 9 20. 0 19 67

根据承台施工处的地质水文资料和施工现场的地

形情况,钢板桩具体布置如图1、2所示。

4　钢板桩围堰设计及计算

4. 1　土压力计算法分析

本工程钢板桩插打范围内的土主要为粘土、亚粘土,若按常规考虑,对于粘土、亚粘土应采用不考虑水的渗流效应的水土合算法计算(即以土的饱和重度代替有效土压力计算式中的有效重度,以求得包括水压力在内的土压力) ,但在内摩擦角φ≠0 的情况下,计算误差随φ的增大而增大,且由于水的渗流确实存在,经实际证明,按此方法计算的土压力偏小。所以,不管对于何种土质,只要水的渗流现象存在,均应采用考虑水的渗流效应的水土分算法(即土压力为按土的浮容重计算的有效土压力与土体间孔隙水的水压力) ,但由于目前没有土的渗流系数等参数,且不考虑水的渗流时,计算结果偏安全,所以本工程土压力计算采用不考虑水的渗流效应的水土分算法。计算得钢板桩所受主动土压力如图3所示。

图3　钢板桩所受主动土压力示意

4. 2各施工工况及内力计算

在钢板桩围堰施工时,按上层支撑已安装,并挖土、抽水(吸泥)至待安装支撑下2500px处,计算各支撑在各阶段可能出现的最大反力和钢板桩最大内力;

根据施工工序,分为3个工况: ①工况1　围堰第1道支撑加好后,挖土、抽水到+ 3. 83m标高时; ②工况2　围堰第2 道支撑加好后,挖土、抽水到+ 0. 03m 标高时; ③工况3　围堰内垫层混凝土浇注并达到强度后。由于基坑底为粘土且厚度较深,不考虑封底混凝土,只

考虑浇注混凝土垫层满足承台钢筋施工即可。

上述3个工况中,工况1、2为最不利工况,所以取工况1、2进行计算。在计算时,各阶段钢板桩计算长度按等值梁法确定,从主动土压力与被动土压力相等的反弯矩截面(即净土压力为零或弯矩为零)截断形成等值梁计算支撑反力和钢板桩弯矩。

1)工况1　围堰第1道支撑( + 9. 68m)加好后,挖土、抽水到+ 3. 83m 标高时, 有效被动土压力h =5. 85m时, Pp’ = 124. 3kN /m2。

考虑板桩与土体的摩擦,被动土压力系数取K =1. 5,则h = 5. 85m时, Pp = 186. 45 kN /m2。计算支撑反力和钢板桩弯矩如图4所示。

图4　工况1支撑反力和钢板桩弯矩

2)工况2　围堰第2道支撑( + 4. 83m)加好后,挖土、抽水到+ 0. 03m 标高时, 有效被动土压力h =9. 65m时, Pp’ = 2 ×67 ×1. 402 = 187. 9 kN /m2。

考虑板桩与土体的摩擦,被动土压力系数取K =1. 58,则h = 9. 65m时, Pp = 296. 8 kN /m2。计算支撑反力和钢板桩弯矩如图5所示。

各道支撑在3个工况下的最大反力作为圈梁的设计依据, 则第1、2 道支撑的支撑反力依次为: R1 =78. 1kN /m, R2 = 318. 5 kN /m。

钢板桩在各工况下所受的最大弯矩: Mmax =197. 4kN·m,钢板桩拟采用拉森Ⅵ型, 其惯性矩为1417500px4 ,钢材材质为SY295,则:

σ =MmaxW= 73. 1 MPa < 0. 6 ×295 = 177 MPa,符合要求。

4. 3　钢板桩的最小入土深度

钢板桩的最小入土深度包括钢板桩上弯矩为零点的入土深度(即主、被动土压力相等点)和为克服弯矩零点钢板桩剪力所需的被动土深度。有上面计算可知在基坑开挖到位时,坑底处被动土压力已大于主动土压力,此时坑底处钢板桩所受剪力为196kN。则钢板桩的最小入土深度为4. 76 m < 5. 06m,满足要求。

4. 4　坑底土抗隆起验算

围堰内开挖到+ 0. 03m标高处,须验算坑底的承载力,如承载力不足,将导致坑底土的隆起。本工程坑底抗隆起验算采用滑动圆滑分析法,以坑底O为圆心, 以钢板桩入土深度OB 为半径作圆交坑底水平线于E、F, 再由E作垂直平行线交河床面于D (见图6) 。经计算,抗滑力矩= 6 070. 42kN·m,滑动力矩= 1 203. 93kN ·m。安全系数K = 6 070. 42 /1 203. 93 = 5. 04 > 1. 2,可满足坑底抗隆起验算要求。

4. 5　内支撑的设计计算

本工程中支撑圈梁采用H588 型钢,支撑钢管采用<530mm ×8mm和<630mm ×12mm。

4. 5. 1工况1

第1道支撑经有限元软件SAP2000建模并计算,计算结果如下。

1)可知圈梁最不利荷载出现在长边圈梁上, mmax

= 220.5kN·m, Nmax = 539. 4kN。则σ = 83. 5MPa≤f,强度符合要求。

2)长斜支撑钢管所受最大轴力N = 263. 2kN,计算长度l = 9. 7 m,由λ = l / i =52. 4,查表得:φ = 0. 877,则:σ =N / (φA) = 22. 9MPa≤f,整体稳定性符合要求。

3)短斜支撑钢管所受最大轴力N = 373. 8kN,计算长度l = 4. 1 m,由λ = l / i =22. 2,查表得:φ = 0. 977,图6　坑底隆起示意

则:σ =N / (φA) = 29. 2 MPa≤f,整体稳定性符合要求。

　4)直支撑钢管所受最大轴力N = 698. 1kN,计算长度l = 5 m,由λ = l / i = 27,查表得:φ = 0. 966,σ = N /(φA) = 55. 1 MPa≤f,整体稳定性符合要求。

4. 5. 2工况2

对第2道支撑经有限元软件SAP2000 建模并计算,结果如下。

1)由计算可知,圈梁最不利荷载出现在长边圈梁上, mmax = 848. 1kN ·m, Nmax = 2 199. 6kN, 则, σ =164MPa≤f,强度符合要求。

2)长斜支撑钢管所受最大轴力N = 1 092. 3kN,计算长度l = 9. 7m,由λ = l / i =44. 4,查表得:φ = 0. 9,则:σ =N / (φA) = 52.1MPa≤f,整体稳定性符合要求。

3)短斜支撑钢管所受最大轴力N = 1 498. 9kN,计算长度l = 4. 1 m,由λ = l / i =18. 8,查表得:φ = 0. 983,则:σ =N / (φA) = 65.4MPa≤f,整体稳定性符合要求。

4)直支撑钢管所受最大轴力N = 2 835. 8kN,计算长度l = 5m,由λ = l / i = 22. 9,查表得:φ = 0. 975,则:σ = N / (φA ) = 124. 8 MPa≤f,整体稳定性符合要求。

5　结语

淮安市通甫路大运河桥工程主桥墩深基坑采用拉森钢板桩支护施工,上述支护体系能确保深基坑稳定、安全,在安全、质量、美观、快捷等方面都达到良好的效果,相信这项技术措施在深水基础施工中将得以广泛的应用。

参考文献:

[ 1 ] 　地基处理手册[M ]. 北京:中国建筑工业出版社,1988.

[ 2 ] 　深基坑支护工程实例[M ]. 北京:中国建筑工业出版社,1996.