浅埋钢板桩围堰设计与施工

宋佩超，杨茗钦

(广西路桥工程集团有限公司，广西　南宁　530011)



浅埋钢板桩围堰设计与施工

宋佩超，杨茗钦

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁530011)

为了解决基岩浅埋条件下的钢板桩设计与施工问题，文章结合扶典口西江特大桥5#墩钢板桩围堰工程，介绍了浅埋钢板桩围堰设计方案，并建立平面有限元模型对各工况下的钢板桩围堰结构进行受力变形分析，同时对浅埋钢板桩围堰施工的关键问题进行探讨。实践表明，该围堰结构下洪水影响较小的水域，结构应力及变形均能满足要求。

浅埋钢板桩；深水基础；平面有限元；施工技术

0　引言

钢板桩围堰是一种施工简单、快捷、成本较低的围堰形式，在国内桥梁基础施工中被广泛使用。对于大型钢板桩围堰，需要对其整体结构进行设计，从而保证围堰整体结构的强度、刚度、稳定性，满足施工要求。然而在国内围绕浅埋钢板桩围堰体系特别是在深水基础的应用方面缺乏专门的研究。现结合扶典口西江特大桥5#墩钢板桩围堰工程实例进行钢板桩围堰设计与施工技术研究。

1　工程概况

梧州市环城公路西江大桥建设工程为新建高速公路特大桥。主要工程内容

由1#主桥[(145+270+145)m矮塔斜拉桥]+2#主桥[(131+198+131)m连续刚构桥]+引桥[(11×40)m先简支后连续T梁桥]组成，桥梁全长1 474 m。其中5#墩为分离式承台，位于水中，采用搭设钢平台方式施工桩基，再利用钢平台进行钢板桩施工。5#墩承台底面标高均为-2.0 m，承台厚度为5 m，单个承台结构尺寸均为(14×13×5)m。

根据本工程主桥5#墩承台结构形式、施工环境、工期实际情况，拟避开洪水期施工。5#墩采用浅埋钢板桩围堰施工。

2　水文、地质情况

本项目桥址位于(西江上游)河段，为西江水系。西江为珠江水系的主流，由南盘江、红水河、黔江、浔江、西江五个河段联接而成，每年4～10月的汛期在6.02～18.76 m之间。枯水季平均水深11～20 m，梧州河段航运发达，轮船直通港、澳出海，是广西水上出海口。其中5#墩围堰在施工过程中，由于基岩埋藏较浅，上覆土层厚度较薄，导致钢板桩打入深度不足，主要出露中～上组，岩性为浅灰、灰绿、灰褐色厚、巨厚层状夹中厚层状强～中风化细砂岩、粉砂岩夹石英砂岩、页岩及局部黑色炭质页岩等。根据勘察单位提供的图纸资料，5#墩覆盖层最薄弱的地方厚度为7.70 m，其原地面标高为4.05 m，覆盖层底面标高为-3.75 m。通过现场实际查看，5#墩施工平台附近受水流淘蚀作用影响，河床标高已降至0.0 m左右，覆盖层厚度大大降低，最厚的为4.31 m，最薄的地方仅2.09 m。具体情况如表1～2及图1所示。

表1　5#墩钢板桩进入的土层物理参数表

图1　5#墩浅埋钢板桩围堰土层勘测点分布图

勘测点序号原地面标高(m)通过土层通过土层代号层底标高(m)分层厚度(m)所通过地层描述11.2220.8230.6440.1251.0860.8270.548-0.2491.34100.12砾砂层Qa1+p1-1-2.473.69强风化砂岩εsh33-8.486.01砾砂层Qa1+p1-1-3.274.09强风化砂岩εsh33-10.066.79砾砂层Qa1+p1-1-3.173.81强风化砂岩εsh33-6.883.71砾砂层Qa1+p1-1-1.972.09强风化砂岩εsh33-7.825.85砾砂层Qa1+p1-1-2.773.85强风化砂岩εsh33-7.985.21砾砂层Qa1+p1-1-2.973.79强风化砂岩εsh33-10.227.25砾砂层Qa1+p1-1-2.473.01强风化砂岩εsh33-8.786.31砾砂层Qa1+p1-1-2.472.71强风化砂岩εsh33-7.064.59砾砂层Qa1+p1-1-2.974.31强风化砂岩εsh33-9.066.09砾砂层Qa1+p1-1-2.572.69强风化砂岩εsh33-8.445.87砂砾(Qa1+p1-10):黄色,颗粒不均匀,局部含少量卵石。强风化砂岩εsh33:黄褐色,岩质软,裂隙发育,岩芯多呈砂状,少量碎块状

3　浅埋钢板桩围堰设计

3.1材料选择

钢板桩牌号选用：热轧钢板桩拉森Ⅳ型400×170，壁厚15.5 mm，钢板桩截面参数：截面面积：242.5 cm2；惯性矩：38 600 cm3。围楞：第一至第三层2Ⅰ56 a、第四层为263 a；内支撑管：主钢管采用φ609×10，φ500×10mm组成，角撑和斜撑采用φ500×10mm。

3.2结构设计

通过增加内支撑层数，增强钢板桩整体强度、刚度、稳定性需求。

通过增加角撑，减少对撑数量处理措施，提供较大的施工工作面，在缩短工期的同时降低工程造价，如图2所示。

图2　内支撑布置形式图

钢板桩围堰每边至承台距离平面尺寸≥1.5m，既保证操作空间，又保证开挖时不扰动内侧钢板桩围堰的土质状态。

在进行围堰抽砂工作时，相对本项目工况而言，堆积在围堰外侧的砂不超过+2m标高。

3.3结构计算

5#墩钢板桩围堰平面结构尺寸为34m×16m，见图3～4。

图3　钢板桩围堰立面图

图4　钢板桩围堰侧面图

钢板桩材料选用Q345，取容许应力210MPa；围楞、工字钢均为Q235钢，组合应力容许值145MPa，剪应力85MPa。采用平面有限元方法进行钢板桩结构建模计算，在计算过程中，由于覆盖层为砾砂强透水层，采取水土分算的方式计算。

朗肯土压力公式：

(1)

(2)

动水压力作用于钢围堰上的流水压力可按公式(3)计算(公路桥涵设计通用规范4.3.8)：

(3)

式中：

P——流水压力(kN)；

A——钢围堰阻水面积(m2)，通常计算至一般冲刷线处；

γ——水的容重，一般取10kN/m3；

g——标准自由落体加速度(9.8 m/s2)；

v——计算时采用的流速(m/s)；

(在冬季枯水期常水位情况下，西江航道内流水流速为2.5 m/s)

K——围堰形状系数，其值如下：

方形1.5；

矩形(长边与水流平行)1.3；

圆形0.8；

尖端形0.7；

圆端形0.6。

其作用合力位于水面下1/3水深处，呈倒三角形分布。

P=1.3×15.6×7×10×2.52/(2×9.8)=452.68 kN；

等效重度g=2P/B(H水面-H水底)2=1.18 kN/m；

均布压力P0=g×(H水面-H水底)=8.26 kN/m。

3.4工况分析

根据钢板桩围堰施工特点，把围堰施工分为4种工况，各工况荷载取值详见表3。

表3　5#墩承台钢板桩围堰荷载统计表

工况一：钢板桩插打完成，安装第一道支撑。工况1的状态正是围堰内水位低于第一道支撑，即将安装第二道支撑之时。此时钢板桩受围堰内、外水压力作用。此工况1主要须验算钢板桩和第一道支撑在围堰内、外水压力、主动土压力、被动土压力、动水压力作用下的受力安全性。外侧、内侧水压分别按9 m、5.4 m计算，见图5。

图5　工况一钢板桩围堰计算简图

工况二：第二道支撑安装时围堰内部水位低于第二道支撑。此时钢板桩受围堰外水压力作用。由于桩底嵌入岩层，且有内支撑，围堰在钢板桩、内支撑受力安全的情况下应是稳定的，因此，此工况主要验算钢板桩和内支撑受内外水压力、主动土压力、被动土压力、动水压力的受力安全性。外侧水压按9 m、内侧水压按3 m计算，两道支撑间距3 m，见图6。

图6　工况二钢板桩围堰计算简图

工况三：第三道支撑安装时围堰内部水位低于第三道支撑，此时钢板桩受围堰外水压力作用。由于桩底嵌入岩层，且有内支撑，围堰在钢板桩、内支撑受力安全的情况下应是稳定的，因而此工况主要验算钢板桩和内支撑受外水压力、主动土压力、被动土压力、动水压力的受力安全性。外侧水压按9 m计算，第二道与第三道支撑间距3 m，见图7。

图7　工况三钢板桩围堰计算简图

工况四：第四道支撑安装时围堰内部水位低于第四道支撑，像封底后抽水。此时钢板桩受围堰外水压力作用。由于桩底嵌入岩层，且有内支撑，围堰在钢板桩、内支撑受力安全的情况下应是稳定的，因而此工况主要验算钢板桩和内支撑受外水压力、主动土压力、被动土压力、动水压力的受力安全性。外侧水压按9 m计算，第四道与第三道支撑间距3 m，见图8。

图8　工况四钢板桩围堰计算简图

根据上述工况分别对钢板桩、内支撑建立平面有限元模型进行受力分析，见图9～10及表4。

图9　钢板桩围堰受力分析方法示意图

图10　围堰内支撑受力分析方法示意图

项目工况一组合应力(MPa)挠度(mm)工况二组合应力(MPa)挠度(mm)工况三组合应力(MPa)挠度(mm)工况四组合应力(MPa)挠度(mm)钢板桩101.82.689.54.2102.82.51603.5内支撑562.6764.21132.51143.5

4　施工问题及处理措施

由于浅埋钢板桩覆盖层较薄，导致钢板桩打入深度不足，因此若不采取有效措施，施工中容易出现踢脚、管涌、渗水、冲刷等问题。

根据有限元计算结果，围堰体系位移满足规范及使用要求，但钢板桩底部实际支撑情况与有限元计算假定并不一致，钢板桩可能因为嵌固深度不够而使桩底位移过大，发生踢脚现象。

为了防止因嵌固深度不足可能引起“踢脚”“管涌”“渗水”破坏，本项目同时采用以下方案：

(1)将围堰扩宽1.5 m，钢板桩内部放坡。

(2)增加支撑层数至4层。

(3)沿着内侧钢板桩使用静压注浆法，使被动区土体固结，以提高土体强度和侧向抗力作用。

实施效果表明：采用以上三种措施对防止“踢脚”“管涌”“渗水”破坏取得了良好的效果。但项目在前期调研中，对洪水带来的冲刷影响考虑不足，导致5#浅埋钢板桩防冲刷效果不好。

5　结语

(1)在浅埋钢板桩设计时，采用角支撑减少对撑数量的方式可以提供较大工作面，方便施工，大大减少了内支撑工程量，在缩短工期的同时降低工程造价。

(2)钢板桩围堰整体受力状态与支撑的间距有很大关系，最大位移基本都是发生在最下面一层内支撑与开挖面中间。

(3)通过扩宽围堰平面尺寸，增加内支撑层数，静压灌浆法，可以克服因嵌固深度不足引起的管涌、渗水等问题，为浅埋钢板桩施工设计与施工提供方法参考。

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[3]葛俊颖.桥梁工程软件Midas Civil 使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

[4]彭玉来.拉森钢板桩基坑支护施工工艺[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2010(4)：41-42.

Design and Construction of Shallow-buried Steel-sheet Pile Cofferdam

SONG Pei-chao，YANG Ming-qin

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

To solve the design and construction problems of steel-sheet piles under shallow-buried bedrock conditions，and in combination with the steel-sheet pile cofferdam project of Fudiankou Xijiang Super-large Bridge #5 Pier，this article introduced the shallow-buried steel-sheet pile cofferdam design program，established the plane FEM model to conduct the stress and deformation analysis of steel-sheet pile cofferdam structure under each work condition，and discussed the key issues in the construction of shallow-buried steel-sheet pile cofferdam.Practices showed that the structural stress and deformation of water area in this cofferdam structure which is less affected by the flood can meet the requirements.

Shallow-buried steel-sheet pile；Deep-water foundation；Plane finite element；Construction technology

U443.16+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.005

1673-4874(2016)07-0017-06

2016-05-29

宋佩超(1988—)，助理工程师，研究方向：公路桥梁施工技术；

杨茗钦(1991—)，助理工程师，主要从事公路桥梁施工管理工作。