跨海大桥深水基础钢板桩围堰受力分析及案例计算

时间：2024-08-31

李孝雄，袁枫斌，刘明坤，3

(1.滁州学院地理信息与旅游学院安徽省滁州市 239000；2.中咨华科交通建设技术有限公司北京市 100195；3.浙江大东吴集团有限公司浙江省湖州市313000)

0 引言

钢板桩围堰强度高，容易打入坚硬的土层，具有较好的防水性能，适用于深水施工[1]，按不同的施工需要组成不同形状的围堰，并且可以多次重复使用，节约成本，因此，钢板桩应用广泛[2]。但在水域环境使用钢板桩时，由于围堰内外水头压力差的影响，使得钢板桩围堰受力复杂，在桩身与桩顶易产生较大弯矩及位移，亦可能发生倾覆破坏，当水压力作用下围堰底部发生突涌等现象[3]。

为了保证水域环境下钢板桩围堰的稳定性，钢板桩自身具有较高的强度及变形性能，有足够的入土深度，且在围堰内加内支撑，并使其间距合理[4]。外国学者bulm在1931年对U型钢板桩进行了研究，最终得出钢板桩抗弯刚度的折减规律[5]。Hartmann-Linden等人对于钢板桩的横向弯曲进行研究[6]，当钢板桩截面不对称时会使钢板桩产生横向弯曲，钢板桩墙就会通过一部分的抵抗弯矩来平衡横向弯矩，因而会导致抵抗弯矩变小，这对工程的安全是极为不利的。骆冠勇等对新光大桥钢板桩围堰的设计进行了优化[7]，通过将计算结果与现场的检测数据进行比较，发现两种结果的钢板桩墙位移相差较大，通过分析得出钢板桩计算时对于不同的工况应选取不同的模量。

本文结合某跨海大桥深钢板桩围堰实体工程，运用等值梁法对钢板桩围堰进行受力分析。钢板桩在实际中下端承受土体对其嵌固作用，且上端利用内支撑防止围堰发生倾覆破坏。计算时假设内支撑为刚性支撑，但在实际过程中为弹性支撑，因此，计算中加上钢板桩与内支撑连接处的位移，得出其内力和应力[8-9]。通过计算结果，对依托工程进行钢板桩围堰的稳定性、最大弯矩及整体抗浮进行验算，验证了钢板桩围堰的安全性。

1 工程概况

1.1 桥址区工程地质情况

跨海大桥桥墩采用桩基础，根据地质勘察报告，28#-30#墩地质资料及土层参数见表1。

表1 28#-30#墩土层参数表

28#-30#墩基础主、被动土压力系数及被动土压力修正系数见表2。

表2 28#-30#墩基础主、被动土压力系数及被动土压力修正数

1.2 钢围堰设计资料

(1)根据设计资料，28#-30#墩基础采用钢板桩围堰，钢板桩截面特性值见表3。

表3 钢板桩截面参数特性值表

表4 28#—30#墩板桩围堰材料表

本文采用等值梁法[10]计算钢板桩围堰，等值梁法计算简图如图1。

图1 等值梁法计算简图

q—附加地面荷载强度

c—正负弯矩转折点，即反弯点

X—板桩土压力为零的点到反弯点的距离

P—c点的反力

(3)结构概况

28#-30#墩基础施工运用钢板桩作为围堰的支护结构，钢板桩围堰结构平面图如图2所示，剖面图如图3所示。

图2 钢板桩围堰结构平面图

图3 钢板桩围堰剖面图

图4 工况一计算简图

图5 工况二计算简图

图6 工况三计算简图

2 跨海大桥钢板桩围堰计算

2.1 依托工程计算的三种工况及计算简图

基于钢板桩在施工工程中的三个阶段，将计算分为三种工况:工况一:当内支撑安装后对围堰内开展清淤，并清淤至-4.832 m，计算简图如图4；内支撑安装后，围堰内清淤至-4.832 m，其计算简图如图4；工况二:向围堰内抽水至围堰外水位，浇筑封底混凝土，待其达到强度后，围堰内抽光水，其计算简图如图5；工况三:围堰内浇筑混凝土，并拆除内支撑，其计算简图如图6。

2.2 跨海大桥钢板桩围堰三种工况计算

(1)工况一:清淤至-4.832 m。

1)计算反弯点的位置

反弯点处的主动土压力强度等于被动土压力强度，即:

主动土压力:

被动土压力:

水压力:

2)主动土压力及静水压力计算如下:

其计算模型简化如图7:

图7 工况一计算简化模型

可得到内力图如图8:

图8 工况一内力图

可得Mmax=651.13 KN·m，支座反力为178.92 KN，Fmax=234.41KN

(2)工况二:封底混凝土达到设计强度后对围堰内抽水。本工况计算封底混凝土面取设计面以下0.5 m处，即-5.473 m，主动土压力和静水压力计算如下:

计算模型简化如图9:

图9 工况二计算简化模型

计算可得到弯矩图如下10:

图10 工况二内力图

可得Mmax=368.11KN·m，支座反力为126.08 KN，Fmax=252.17 KN

(3)工况三:围堰内浇筑40 cm厚C25混凝土冠梁。假设等值梁下嵌固点-4.273 m处，主动土压力和静水压力:

计算模型简化如图11:

图11 工况三计算简化模型

可得到弯矩图如图12:

图12 工况三内力图

可得Mmax=347.68 KN·m，支座反力为105.24 KN，Fmax=210.49KN

根据上述工况计算，钢板桩内力及内支撑支撑反力计算结果汇总如表5:

表5 钢板桩内力及内支撑支撑反力

2.3 跨海大桥钢板桩围堰验算

2.3.1 稳定性验算

三种工况下内支撑反力最大的为工况一，F=178.92 KN，内支撑所用为∅630×10 mm钢管。

A=1.95× 102cm2，I=9.36 × 104cm4

回转半径:

长细比:

由此查稳定系数表得φ=0.946，σ=N/(Aφ)＜215 MPa，稳定性满足要求。

2.3.2 钢板桩承受最大弯矩

1 m宽的拉森Ⅳ型钢板桩的各质量特性为:W=2037 cm3，横截面积236 cm2，三种工况中钢板桩最大弯矩为651.13×106KN·m:

215 MPa，安全。

2.3.3 围堰整体抗浮验算

封底混凝土厚度为1.5 m，标号采用C25，尺寸:18.8 m×8.2 m，围堰尺寸:28.8 m×13.2 m，水下C25混凝土设计值ftd=1.27 MPa，考虑为施工阶段混凝土的允许弯拉应力取1.5倍安全系数；钢与混凝土粘结力:一般取100-200 KN/m2，这里取120 KN/m2；混凝土容重:23 KN/m3；

封底混凝土体积:V=1.5×(18.8×8.2-3.14×0.92×16)=170.20 m3

封底混凝土自重:G=23×170.20=3914.6 KN

护筒粘结力:T1=1.5×3.14×1.8×120×16=18086.4 KN

钢板桩与封底混凝土的粘结力:T2=1.5×(18.8+8.2)×2.0×120=9720 KN

封底混凝土底面受水浮力:P=(18.8×8.2-3.14×12×16)×10×7.103=7381.4 KN

根据《地铁设计规范》中规定抗浮安全系数不小于 1.05，此处抗浮系数:，围堰整体抗浮满足要求。