Setit河大橋鋼板樁圍堰穩(wěn)定及防滲淺析

摘 要：Setit河大橋2#，3#，4#，5#橋墩采用鋼板樁圍堰，是蘇丹境內(nèi)第一座使用了鋼板樁圍堰施工的大橋，針對(duì)施工中鋼板樁的穩(wěn)定及抗?jié)B問(wèn)題進(jìn)行了分析研究：（1）針對(duì)鋼板樁圍堰的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及受力情況，對(duì)鋼板樁的穩(wěn)定進(jìn)行了分析及計(jì)算。（2）針對(duì)鋼板樁圍堰的防滲處理，進(jìn)行了封底砼的計(jì)算。（3）論證了鋼板樁施工的可行性，提出了解決方案，使工程能夠順利完成。

關(guān)鍵詞：水利工程 鋼板樁 圍堰 穩(wěn)定 防滲

中圖分類號(hào)：TV1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（a）-0037-03

蘇丹上阿特巴拉水利樞紐工程跨河橋梁項(xiàng)目包括上阿特巴拉河大橋和賽蒂河大橋，橋長(zhǎng)分別為200 m和260 m。上阿特巴拉水利樞紐工程距蘇丹首都公路里程約460 km，建成后將形成一個(gè)約30億m2庫(kù)容的水庫(kù)。賽蒂河大橋孔跨的布置為7孔跨度為30+5×40+30的連續(xù)貝雷梁橋。橋梁設(shè)計(jì)荷載：HL-93 or HS20-44。

主墩采用雙柱式框架墩，蓋梁尺寸為10 m×1.5 m×1.2 m，墩柱直徑為1.2 m。基礎(chǔ)采用2根Ф1.4 m鉆孔灌注樁。上部結(jié)構(gòu)為30+5×40+30 m的連續(xù)貝雷梁裝配式公路鋼橋，貝雷梁均由長(zhǎng)3.048 m的標(biāo)準(zhǔn)梁段現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成，橋面均采用標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)橋面板現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成。

主要工程項(xiàng)目、數(shù)量見(jiàn)表1。

水文、氣象、地質(zhì)情況。

（1）水文情況：賽蒂河橋址處百年一遇洪水位為496.5 m，百年一遇洪水流量為9800 m3/s。

（2）氣候條件：項(xiàng)目地點(diǎn)為半干旱氣候（semi arid climate），六月下旬到十月有季節(jié)性降水，常年高溫，尤其在日間。

（3）地質(zhì)情況：根據(jù)場(chǎng)地巖性特征，橋址區(qū)域劃分為12層，各層土的分布為地表覆蓋物，層卵石，層粉砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖，層砂巖，層泥巖等。

1 鋼板樁穩(wěn)定計(jì)算方法

由于2#、3#、4#墩樁系梁底高程為481.8 m，低于現(xiàn)河床水位（485.8 m）4 m，且位于主河床處，采用常規(guī)的土石圍堰無(wú)法保證樁系梁能處于干地施工狀態(tài)，為了保證后續(xù)樁頭拆除、樁基檢測(cè)、聲測(cè)管注漿、墊層砼施工、樁系梁鋼筋綁扎、模板支立、砼澆筑等工序的順利施工，2#、3#、4#墩樁系梁基礎(chǔ)采用單層鋼板樁圍堰，吊車配合振拔機(jī)插打鋼板樁的方法進(jìn)行施工，具體施工工藝如下：鋼板樁運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后，進(jìn)行檢查、分類，同時(shí)進(jìn)行鎖口檢查、彎曲、破損、長(zhǎng)度檢查，如發(fā)現(xiàn)不合格的鋼板樁，應(yīng)立即進(jìn)行修整。鋼板樁圍堰開(kāi)挖至水面以上時(shí)，即可進(jìn)行鋼板樁圍堰內(nèi)導(dǎo)梁施工，內(nèi)導(dǎo)梁采用兩榀36a“工”字鋼并排焊接，內(nèi)導(dǎo)梁位于牛腿之上，牛腿采用12.5#角鋼焊接在鋼板樁上（見(jiàn)鋼板樁圍堰平面圖）。其主要是作為鋼板樁圍堰的內(nèi)部立體支撐，直接承受鋼板樁傳來(lái)的水、土壓力。

以下為鋼板樁穩(wěn)定計(jì)算，圖1為鋼板樁示意圖。

（1）地基為天然與未分級(jí)的砂，根據(jù)合同文件技術(shù)條款查的：粘聚力C=0 kPa，內(nèi)摩擦角Φ=35°，計(jì)算工況為開(kāi)挖至480.5高程，澆注封底混凝土后，抽干基坑內(nèi)水，并在486高程加設(shè)一道支撐，鋼板樁埋深平均按3 m考慮。

從招標(biāo)文件中查得含水率w為20%，壓實(shí)后濕容重γh=19 kN/m3則壓實(shí)后干容重γd=γh/（1+w）=15.83 kN/m3孔隙率n=1-γd/（γwds），沙土比重約為2.67，則孔隙率n=0.41。

浮容重γf=γd-（1-n）γw=15.83-（1-0.41）×10=9.93kN/m3

（2）受力計(jì)算。

鋼板樁受外側(cè)主動(dòng)土壓力、內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力、內(nèi)外側(cè)靜水壓力、支撐力等形成平衡。

1.1 主動(dòng)土壓力計(jì)算

對(duì)485.8以上水位的地基按照γh=19 kN/m3計(jì)算，對(duì)485.8以下水位的地基按γf=9.93 kN/m3計(jì)算取單位寬度1 m的鋼板樁為研究對(duì)象，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tan2（45-Φ/2），將Φ=35°代入計(jì)算式得Ka=0.271采用郎肯理論進(jìn)行土壓力計(jì)算對(duì)于485.8高程以上部分，土壓力強(qiáng)度。

式中：γ=19 kN/m3，H=0.7

計(jì)算得A點(diǎn)土壓力強(qiáng)度Pa1=3.6 kN/m2 486.5高程到485.8高程段的主動(dòng)土壓力

式中：γ=19 kN/m3，H=0.7 m

圖中三角形ADE面積即主動(dòng)土壓力大小，計(jì)算得Ea=1.26 kN/m，作用點(diǎn)高程為485.8高程以上0.7/3m對(duì)于485.8高程以下部分，增加的土壓力強(qiáng)度

式中：γ=9.93 kN/m3，H=8.3 m計(jì)算得B點(diǎn)土壓力強(qiáng)度Pa2=3.6+22.31=25.9 kN/m2增加的土壓力大小Ea=0.5×9.93×8.32= 92.58 kN/m梯形面積ABCD即主動(dòng)土壓力大小Ea2=（3.6+25.9）×8.3/2=122.43 kN/m。

2.2 外側(cè)水壓力計(jì)算

水壓力大小

式中：γw=10 kN/m3，H=8.3 m計(jì)算得Fw=344.45 kN/m

總主動(dòng)土壓力大小Ea=1.26+122.43 +344.45=468.14 kN/m總主動(dòng)土壓力作用位置，以477.5高程為0點(diǎn)，沿高程方向?yàn)閥方向：

計(jì)算得y=2.7 m（圖2）。

2.3 被動(dòng)土壓力計(jì)算（圖3）

被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp=tan2（45+Φ/2）

被動(dòng)土壓力強(qiáng)度

式中：γ=9.93 kN/m3，h=3 m計(jì)算得Pp=109.63 kN/m2

被動(dòng)土壓力

計(jì)算得Ep=164.45 kN/m

2.4 內(nèi)側(cè)水壓力計(jì)算

Fw=0.5×10×3×3=45 kN/m則總被動(dòng)土壓力（包含水壓力）大小Ep=164.45+45 =209.45 kN/m作用點(diǎn)位于477.5 m高程以上1 m處

（1）力矩計(jì)算。

所有力對(duì)鋼板樁底部取矩總主動(dòng)土壓力力矩Ma=468.14×2.7=1263.98總被動(dòng)土壓力力矩Mp=209.45×1=209.45根據(jù)力矩平衡原理，多余力矩依靠封底混凝土及支撐平衡鋼板樁整體受力見(jiàn)圖4。

Ea=F1+F2+Ep （1）

Ea×2.7=Ep×1+F1×3.5+F2×8.5（2）

取1 m寬為研究對(duì)象，Ea=468.14 kN，Ep=209.45 kN

聯(lián)立解方程組得F1=228.87 kN，F(xiàn)2= 29.82 kN

工字鋼為36A，截面積為76.3 cm2

工字鋼應(yīng)力：

工字鋼長(zhǎng)度系數(shù)按兩端鉸接μ=1

壓桿的柔度

式中：l為工字鋼長(zhǎng)邊12.5 m

i為截面慣性半徑為14.4 cm

計(jì)算得λ=86.81

工字鋼的允許應(yīng)力

式中：E為鋼筋的彈性模量，取2.06× 105 MPa

計(jì)算得：

，所以采用36A的工字鋼支護(hù)是可行的通過(guò)以上計(jì)算可以得知，鋼板樁是穩(wěn)定的。

鋼板樁施工時(shí)，前一部分采用逐塊插打，后一部分先插打合攏后再插打其余部分鋼板樁。插打次序從上游開(kāi)始，在下游合攏，每邊由一角插打至另一角。

插打鋼板樁時(shí)要嚴(yán)格控制好樁的垂直度，尤其是第一根樁要從兩個(gè)相互垂直的方向同時(shí)控制，確保垂直不偏，插打一塊或幾塊樁穩(wěn)定后即與導(dǎo)框進(jìn)行連接。

鋼板樁吊起后用人工扶持，插入前一塊的鎖口后繼續(xù)下插，如下插困難時(shí)，可用強(qiáng)迫插樁法，即采用將樁吊起插入鎖口后快速放松吊裝繩，借樁自重急速下插，如下插依然困難，則用導(dǎo)鏈或滑車組絞拉或用錘壓樁下插，必要時(shí)可以低錘慢打，直至將鋼板樁插打至預(yù)定位置。

打樁機(jī)具采用50T吊車帶振動(dòng)打樁機(jī)在施工平臺(tái)上進(jìn)行打樁。

2 基坑開(kāi)挖、防滲及排水

2#、3#、4#墩采用鋼板樁圍堰和水下封底砼進(jìn)行防滲處理，基礎(chǔ)開(kāi)挖采用挖掘機(jī)進(jìn)行分層開(kāi)挖：第一層先挖至水面以上，然后再進(jìn)行內(nèi)支撐系統(tǒng)的安裝和焊接，第二層開(kāi)挖到封底砼底面。

由于鋼板樁施工時(shí)每塊鋼板樁的長(zhǎng)度不一致，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看，局部鋼板樁高出地面1～3 m左右，挖掘機(jī)進(jìn)行基坑開(kāi)挖受場(chǎng)地限制，開(kāi)挖深度將會(huì)受到影響，擬將下游側(cè)鋼板樁進(jìn)行切割處理，即將高出施工平臺(tái)的鋼板樁切割到平臺(tái)高程，即486.5 m，采用CAT320DL進(jìn)行開(kāi)挖。

由于受到挖掘機(jī)有效挖掘深度的影響（基坑深度為6 m），剩余部分基坑開(kāi)挖采用砂石泵抽砂進(jìn)行，即采用邊抽砂邊注水的施工方法，砂石泵基本配置如下：

電機(jī)功率：30 kW有效揚(yáng)程：13 m吸程：7.5 m功率：180 m3/h

封底砼采用C20砼，厚度為1.0 m，封底砼頂標(biāo)高低于樁系梁底標(biāo)高30 cm，以利于進(jìn)行找平。排水?dāng)M采用大功率污水泵，具體配置將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選用。

鋼板樁圍堰施工示意圖如圖5。

封底砼施工結(jié)束后，根據(jù)鋼板樁圍堰內(nèi)外的水、土壓力差作用，驗(yàn)算封底砼所受作用力情況。

由于有封底砼，因此這時(shí)不考慮涌砂、管涌、基底隆起現(xiàn)象，只驗(yàn)算整體抗浮穩(wěn)定和強(qiáng)度。

整體抗浮驗(yàn)算：

由于鋼板樁圍堰內(nèi)抽干水后，內(nèi)外水壓力差形成的力將對(duì)其產(chǎn)生向上的浮力，將由圍堰自重、支護(hù)自重、圍堰與土的摩阻力及混凝土自重來(lái)平衡。

按封底砼澆筑完畢且進(jìn)行排水后（未考慮30 cm的找平層）的最不利情況進(jìn)行考慮：

計(jì)算安全系數(shù)：K=PK總抗浮力/Pf浮力

Pf上浮力計(jì)算如下：

浮力面積：Auplift=12.5 m×4.5 m-2×3.14×（1.40/2）2

=53.17 m2

封底砼底高程=481.8-0.30-1.00

=480.50 m

△h=485.80-480.50=5.30 m

Pf上浮力=Fuplift=5.3 to/ sm2×53.17 m2=281.8to

PK總抗浮力計(jì)算如下：

PK總抗浮力=G混凝土+P摩阻力

G混凝土=Fuwc=2.3 to/m3×53.17 m2×1.0m=122.30 to

P摩阻力=λ·L·∑fi·hi

=0.4×34×30×10

=408 to

PK總抗浮力=122.30 to+408

to=530.3 to

式中，λ為抗拔容許摩阻力與受壓容許阻力的比例系數(shù)，一般取0.4～0.7；

L為支護(hù)與土體接觸外壁周長(zhǎng)；

fi為支護(hù)側(cè)各土層的容許摩阻力，按最不利情況考慮，即全部按粉細(xì)砂層考慮，取值30 kPa；

hi為支護(hù)側(cè)各土層的厚度，取平均值為10 m；

安全系數(shù)K=530.3/281.80=1.88>1.05 安全

封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算：

封底混凝土板在上浮力（靜水壓力）作用下的內(nèi)力，可以近視地簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支單向板計(jì)算。封底層頂因靜水壓力作用產(chǎn)生的彎曲拉應(yīng)力f為：

f=1/8×qL2/W=L2/8×{（rW×（h+d）-rc×d）/（d2/6）}

=（3L2/4d2）×{rW×（h+d）-rc×d}≤{f}

=（3×4.52/4×12）×{1×（4.3+1）-2.3×1}

=45.56 kN/m2=0.045 mPa<1.2 mPa

L為基坑底小邊尺寸q為封底砼底面靜水壓力；W為封底砼每1 m寬截面的抗彎模量（m3）；h為封底砼頂面處水頭（m）；d為假定的封底砼最小厚度；rw為水的重度（kN/m3）；rc為砼的重度（kN/m3）；{f}為封底砼容許抗彎彎曲強(qiáng)度，一般采用C15或C20砼，考慮荷載作用時(shí)時(shí)間較短，可分別取1200～1500 kPa。綜合上述的分析及計(jì)算來(lái)看，采用1 m厚的C20封底砼是切實(shí)可行的。

4 鋼板樁拔除

樁系梁及墩柱施工結(jié)束后，開(kāi)始鋼板樁拔除施工。鋼板樁拔除前，先將圍堰內(nèi)的支撐拆除，然后略加錘擊使鋼板樁與水下砼脫離黏結(jié)，再選擇一組或一塊較易拔除的鋼板樁，錘擊振動(dòng)后拔高1～2 m，使其松動(dòng)，再?gòu)南掠伍_(kāi)始分兩側(cè)向上游挨次拔除，對(duì)樁尖打卷及鎖口變形的樁，可加大拔樁設(shè)備的能力，將相鄰的樁一齊拔出。拔出的鋼板樁應(yīng)清刷干凈、修補(bǔ)整理，堆放時(shí)應(yīng)按鋼板樁類型、長(zhǎng)度分類碼放，以便下一個(gè)墩身的施工。

5 結(jié)論

（1）Setit河大橋2#、3#、4#橋墩鋼板樁圍堰工程已成功實(shí)施，分析計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際情況吻合較好。（2）封底砼為水下澆筑，施工時(shí)應(yīng)注意控制封底砼的澆筑高度和質(zhì)量，宜分2次澆筑成型。（3）因海外項(xiàng)目咨詢工程師對(duì)施工流程和工序?qū)徍溯^為嚴(yán)格，合理和正確的計(jì)算可為方案的順利審批和實(shí)施贏得時(shí)間。

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