跨海大桥深水基础钢板桩围堰受力分析及案例计算

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。

3 结论

本文通过运用等值梁法对某跨海大桥深水基础钢板桩围堰进行受力分析，得到以下结论:

(1)结合跨海大桥桥址区地质及钢板桩资料，运用等值梁法对钢板桩围堰进行计算，钢板桩围堰内支撑最大反力处应力小于允许应力215 Mpa，抗弯强度小于钢板桩允许抗弯强度值215 Mpa，抗浮系数大于1.05，跨海大桥深水基础钢板桩围堰在实际中处于安全状态。

(2)钢板桩在施工过程中应充分考虑施工周期内最大水流对其冲击力，为了能够更加真实的反映钢板桩的受力情况，应在钢板桩支撑处加最大强制支座位移，但本文未考虑这一因素的影响。因而计算结果偏于安全。