鋼板樁圍堰設(shè)計與有限元分析

畢曉林，張 杰，王 兵，劉海亮，李元一

(中建八局西南公司 成都市 610041)

鋼板樁圍堰是常用的一種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，施工具有機(jī)械化、快速化、施工簡單等特點，具有造價低、強(qiáng)度大、阻水效果好、可回收利用等優(yōu)點，在市政公用工程、橋梁基礎(chǔ)建設(shè)等工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而由于水中施工情況復(fù)雜，鋼板樁圍堰設(shè)計通常需要進(jìn)行計算，圍堰是空間受力體系，并且由于地質(zhì)條件差異，河床面下鋼板樁嵌固模擬與實際情況差異較大，圍堰雖為臨時結(jié)構(gòu)，但其安全性極為重要，須重視其結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和施工質(zhì)量。

1 工程概況

某工程斜拉橋主墩位于沱江河床中，主墩基礎(chǔ)為28根直徑2.5m的鉆孔灌注樁，采用4×7行列式布置，中心間距5.0m，設(shè)計樁長25m。

承臺尺寸34×19×4.5m，位于沱江河道內(nèi)，河道寬度約220m，河床標(biāo)高+427.3m，施工常水位+431.8m，承臺頂與河床基本齊平，承臺底標(biāo)高+422.847m，施工擬采用筑島+鋼板樁圍堰進(jìn)行防護(hù)的施工方案進(jìn)行，筑島頂標(biāo)高+433.120m，圍堰設(shè)防水位+434.0m。

2 地質(zhì)資料

河床頂部為前期施工的約5m厚的土石方筑島平臺，實測壓實度為90%。根據(jù)設(shè)計院提供的地勘報告并結(jié)合鉆孔樁施工過程留取地層芯樣，主墩河床橋墩基礎(chǔ)范圍地質(zhì)及相關(guān)參數(shù)見表1：

表1 土層參數(shù)表

3 圍堰構(gòu)造設(shè)計

3.1 圍堰尺寸擬定

(1)圍堰平面尺寸

圍堰平面凈尺寸考慮承臺模板厚度、人員操作預(yù)留空間、鋼板樁偏位等因素，板樁距承臺邊緣預(yù)留控制在1.0～1.5m范圍，并結(jié)合棧橋尺寸，確定主墩圍堰平面凈尺寸為36m×21.6m。

(2)板樁選擇

圍堰立面尺寸考慮水上外漏安全高度(1m)、施工期間最大水深(7m)、河床以下基坑開挖深度(4.5m承臺+1.0m墊層)、板樁入土深度(4m)、冗余長度(0.5m)，鋼板樁穿越土層主要為卵石土和強(qiáng)風(fēng)化巖。結(jié)合市場上常用鋼板樁規(guī)格及常規(guī)長度，選擇長度18m的拉森IV型鋼板樁。

3.2 圈梁及內(nèi)支撐設(shè)計

圍堰內(nèi)設(shè)置圈梁和內(nèi)支撐，首先估算鋼板樁在三角形載荷下最大跨徑，盡量發(fā)揮板樁自身抗彎強(qiáng)度大的特點，同時限制其撓度，一般不超過跨徑的1/400，通常設(shè)置三道內(nèi)支撐。第一道圍堰一般設(shè)在施工時常水位附近，如果設(shè)置在水位以下過低，則鋼板樁變形過大。第二道圍堰設(shè)在承臺頂面以上0.5m左右，便于下塔柱分段施工，適當(dāng)發(fā)揮土的抗力，節(jié)省圍堰材料。第三道圍堰支撐設(shè)置樁頂1.8m以上預(yù)留空間，便于樁頭鑿除和墊層澆筑。

圍堰采用三層圈梁及內(nèi)支撐。結(jié)合現(xiàn)有材料和型鋼參數(shù)，圈梁擬采用2HN900×300(局部位置貼上下蓋板)，內(nèi)支撐斜撐擬采用2HN700×300，橫撐擬采用Φ820×12鋼管樁；圈梁及內(nèi)支撐材料均為Q235B。

表2 圍堰構(gòu)件參數(shù)表

3.3 圍堰布置型式

結(jié)合上述結(jié)論，鋼圍堰頂高程取值+435.847m，圍堰底高程取值+417.847m，圍堰共設(shè)置三道內(nèi)支撐，三道內(nèi)支撐的標(biāo)高分別為+432.347m、+427.847m、+424.847m，其中第三道內(nèi)支撐為開挖過程臨時支撐，在墊層混凝土澆注達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后拆除。主要施工順序是先安裝鋼板樁并合龍，再進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水作業(yè)，從上至下依次安裝內(nèi)支撐，同時進(jìn)行鋼板樁堵漏，再開挖河床以下基坑。

主墩基礎(chǔ)鋼板樁圍堰布置見圖1、圖2：

3.4 施工方法簡述

主墩基礎(chǔ)的鋼板樁圍堰施工步驟如下:

(1)樁基施工結(jié)束后在筑島平臺安裝靜壓植樁機(jī)，植入定位樁及反力樁；

(2)依次植入鋼板樁直至合龍；

(3)在+432.347m處安裝第一道內(nèi)支撐，進(jìn)行承臺基坑開挖；

(4)圍堰內(nèi)開挖至+427.3m，在+427.847m處安裝第二道內(nèi)支撐；

(5)圍堰內(nèi)開挖至+424.3m，在+424.847m處安裝第三道內(nèi)支撐;

(6)圍堰內(nèi)開挖至+421.847m，及時澆注100cm厚C25混凝土墊層；

(7)待墊層混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆除第三道內(nèi)支撐，破除樁頭進(jìn)行承臺施工;

(8)承臺施工后在其頂面與鋼板樁間回填中粗砂，并在承臺頂四周澆注50cm厚混凝土冠梁作為臨時支撐;

(9)拆除第二道內(nèi)支撐；

(10)待主墩塔柱底節(jié)施工出水后，拆除第一道內(nèi)支撐；最后依次拔出鋼板樁。

4 鋼圍堰有限元模型分析及結(jié)果

4.1 建立模型

采用容許應(yīng)力法對鋼板樁圍堰進(jìn)行計算。利用MIDAS/Civil軟件按照施工階段法對主墩基礎(chǔ)的鋼板樁圍堰進(jìn)行有限元分析，鋼板樁圍堰的入土(巖)約束條件按照m值法加設(shè)。

圍堰施工采用的材料均為鋼材，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)取值。

荷載組合取靜水壓力+土壓力+水流力。

鋼板樁圍堰計算模型如圖3。

4.2 工況分析

設(shè)防水位為+434.0m，圍堰第一層圈梁及內(nèi)支撐在設(shè)防水位以下安裝。按照施工工序，主墩基礎(chǔ)的鋼板樁圍堰分為以下五種計算工況：

工況一：開挖至+432.0m標(biāo)高，安裝第一層圈梁及內(nèi)支撐。

工況二：然后抽水至標(biāo)高+427.347m(此時開始圍堰設(shè)防水位為+434.0m)。

工況三：安裝第二層圈梁及內(nèi)支撐，然后抽水至標(biāo)高+424.347m。

工況四：安裝第三層圈梁及內(nèi)支撐，然后抽水至標(biāo)高+421.847m，施工100cm厚墊層混凝土。

工況五：墊層混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，拆除第三層圈梁及內(nèi)支撐，施工承臺混凝土。

各種工況分別建模計算，以工況五為例，建模分析圖示及結(jié)果如下：

(1)鋼板樁應(yīng)力計算圖示如圖4。

(2)鋼板樁位移計算圖示如圖5。

(3)圈梁及內(nèi)支撐應(yīng)力計算圖示如圖6。

(4)圈梁及內(nèi)支撐變形計算圖示如圖7。

各工況計算結(jié)果統(tǒng)計表如表3。

4.3 鋼板樁入巖深度計算

鋼板樁在基巖頂面處的最大剪力248.0kN，鋼板樁在基巖頂面處的最大彎矩181.6kN·m。

表3

鋼板樁入巖深度按照《港口工程嵌巖樁設(shè)計與施工規(guī)程》(JTJ285-2000)中4.3.2進(jìn)行計算。

鋼板樁入巖深度計算：h=1.4m<4.0m，滿足要求。

4.4 圈梁及內(nèi)支撐穩(wěn)定性驗算

圈梁最大軸力N=3070.9kN，最大彎矩My=659.3kn.m，圈梁面內(nèi)、面外計算長度均為4.2m，其回轉(zhuǎn)半徑為ix=363.7mm，iy=163.2mm，長細(xì)比為λx=11.5, λy=25.7，查b類截面穩(wěn)定系數(shù)為φx=0.99，φy=0.951,截面面影響系數(shù)η=0.7，等效彎矩系數(shù)βmx=βmy=1.0，βtx=βty=1.0，

結(jié)算結(jié)果表明，圈梁穩(wěn)定性滿足要求，同理可計算得出內(nèi)支撐穩(wěn)定性亦滿足要求。

4.5 驗算結(jié)果

通過對主墩圍堰進(jìn)行有限元數(shù)值分析，強(qiáng)度和變形、穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，圍堰結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度及壓桿穩(wěn)定基本滿足要求。根據(jù)地質(zhì)資料、現(xiàn)場施工情況及計算數(shù)據(jù)，鋼板樁端嵌巖約束可以形成，圍堰抗傾覆穩(wěn)定滿足要求。圍堰底部為巖石，圍堰底抗?jié)B流穩(wěn)定性滿足要求。

5 結(jié)束語

根據(jù)工程基礎(chǔ)資料，結(jié)合工程特點和實際情況，在沱江中選擇鋼板樁圍堰施工主墩承臺，合理選擇構(gòu)件型式、規(guī)格、布置方式等，并采用有限元進(jìn)行驗算，各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求，實踐證明應(yīng)用效果良好，鋼板樁圍堰的應(yīng)用，順利地完成了主體工程施工，并安全度過汛期，類似工程可參考借鑒。