钢板桩围堰是通过钢板桩逐根插打, 钢板桩之间互相咬接, 最终闭合成一个整体, 可以挡住外侧的水土, 成为深水区域建设桥梁一种有效的方法。钢板桩具有插打便捷、强度高、易拔除、质量小、防水性好等优点, 多年来在工程实践中得到大力发展。

根据规范要求, 钢板桩围堰设计时, 应对施工过程中单块、组拼及整体围堰在各工况下强度、刚度进行验算。但在实际工程应用中, 考虑到围堰是临时结构、用来辅助施工, 所以围堰的设计和施工都由施工单位自行完成。而一般来说, 施工单位的计算分析水平有限, 再加上不同的钢板桩围堰工程地质条件、结构形式、外荷载情况等诸多不同, 既有工程的成果不具有很好的借鉴作用, 使得在围堰施工过程中工程事故时有发生。常见的问题包括: (1) 结构布置不合理在施工过程中要对结构进行多次改造, 既延缓施工进度又增大成本; (2) 结构物的强度、刚度、稳定性不足施工时会使整个结构物被压扁变形或上浮失稳, 甚至被冲垮, 造成人员、财产损失。这些工程问题大多是因为在设计时结构荷载有误或在施工过程中方法不当造成。因此, 结合具体工程开展详细的钢板桩围堰支护结构计算分析, 对结构稳定、施工顺利进行具有重要的理论意义与实用价值。

枫江特大桥 (88+160+88) m为预应力混凝土大跨连续刚构桥, 桥址于DK106+083.71—DK106+263.84处跨越枫江, 正宽153m, 河流与线路大里程夹角为60°, 设计水位2.1m, 测时水位0.17m。4, 5号主墩采用钻孔桩基础, 桩径2m, 桩数20根, 4号墩桩长68m, 5号墩桩长77m, 采用C35 (H1) 混凝土;承台尺寸长×宽×高为24.3m×19.05m×5m, 采用C35 (H1) 混凝土;4, 5号主墩为双肢薄壁墩, 高20, 19.5m, 采用C45混凝土, 墩梁结合处下5m采用C55混凝土, 边墩为圆端形实体墩。

地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水, 基岩裂隙水分布不均, 富水差异很大, 主要有以下类型: (1) 风化裂隙水; (2) 构造裂隙水。根据水质试验分析结果, 按照TB10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》判定:地表水有化学侵蚀性, 化学侵蚀环境等级为H1, 无盐类结晶破坏、无氯盐侵蚀;地下水有化学侵蚀性, 化学侵蚀环境等级为H1, 无盐类结晶破坏、无氯盐侵蚀。

该桥梁4-5号墩承台平面尺寸为24.3m×19.05m, 承台厚5m。根据该处承台的地质条件、施工水位、工期要求等因素, 4-5号墩承台采用钢板桩围堰法进行施工。钢板桩桩长21m, 围堰顶高程2.600m, 围堰平面尺寸为26.3m×21.05m, 共设置3道内支撑, 封底混凝土厚1.5m, 钢板桩围堰的设计简图如图1所示。

承台采用二次浇筑施工, 主要施工步骤如下:插打钢板桩;抽水吸泥到第1道内支撑下方0.5m处, 安装第1层圈梁及内支撑;继续挖土至第2道内支撑下方0.5m处, 安装第2层圈梁及内支撑;继续挖土至第3道内支撑下方0.5m处, 安装第3层圈梁及内支撑;继续吸泥 (保持围堰内水位位于第3道内支撑处) 至封底混凝土底, 水下灌注封底混凝土;待封底混凝土达到一定强度后抽干围堰内水, 施工第1层承台, 待承台混凝土达到设计强度后抄垫承台与钢板桩之间空隙, 拆除第3层内支撑;继续施工上承台;再次回填基坑至承台表面处, 施工墩身。

本文采用MIDAS/Civil软件建立钢板桩围堰有限元计算模型, 钢板桩、内支撑、围堰均采用梁单元进行模拟, 封底混凝土采用板壳单元进行模拟。钢板桩与钢板桩、钢板桩与圈梁、钢板桩与封底混凝土及圈梁与内支撑之间的连接均为铰接;土体对封底混凝土底面的约束作用采用只受压的面弹性支撑模拟;钢板桩底部采用固定铰支座模拟;钢板桩围堰在河床面的封底混凝土的周围土体对钢板桩的约束作用采用单向弹簧模拟;封底混凝土至桩底间土体对钢板桩的约束作用采用双向弹簧模拟。

计算分析时的荷载主要考虑水压力、主动土压力等。围堰结构所受的侧面压力与土层分布以及地下水位有关。在河床以上范围内按静水压力计算, 在河床以下至封底混凝土底面以上的范围内为水压力、主动土压力之和。

水压力在基坑内地下水位以上按静水压力三角形分布计算:

在基坑内地下水位以下水压力按矩形分布计算 (水压力为常量) , 主动土压力根据朗肯主动土压力理论进行计算:

土的水平反力系数的比例系数m值根据JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》第4.1.6条提供的公式计算:

式中:m为土的水平反力系数的比例系数 (MN/m⁴) ;v_b为挡土构件在坑底处的水平位移量 (mm) , 当此处的水平位移≤10mm时, 可取v_b=10mm。

经计算得:m=3.4MN/m⁴。

土层对钢板桩的作用在模型中采用水平弹性支承模拟, 每隔1m建立一个弹性支承, 弹性刚度系数为mb₀h, 其中, m为水平地基抗力系数, 取m值为3 400kPa/m², h为弹性支撑点距离河床面的深度。

按开挖实际情况, 在MIDAS中采用施工阶段模拟计算, 后一个工况考虑前一个工况变形对钢板桩及内支撑的受力影响。

根据地质资料, 4-5号墩处河床以下土质依次为淤泥、粉质黏土、淤泥质黏土。各层土的力学参数如表1所示。

采用SKSP-IV钢板桩, 1m宽钢板桩截面特性:W=2 270cm³。第1层圈梁采用2I40b, 内支撑采用630×8钢管;第2, 3层圈梁采用2HM588×300, 内支撑杆件采用630×10钢管。除2HM588×300采用Q345B外, 其余材质均为Q235B。

根据钢板桩围堰的施工工序, 按如下工况分析钢板桩围堰的受力状况: (1) 工况1钢板桩插打完毕, 第1道支撑安装好后, 抽水挖土到第2道支撑下放50cm处; (2) 工况2第2道支撑安装完后, 围堰内开挖至第3道支撑下方50cm处; (3) 工况3第3道支撑安装完后, 围堰内开挖至封底混凝土底; (4) 工况4下层承台施工完毕, 抄垫钢板桩与下承台间隙, 拆除第3道支撑。

钢板桩插打完毕, 第1道支撑安装好后, 抽水挖土到第2道支撑下放50cm处, 准备安装第2道内支撑时, 受力情况分析如图2所示。

由图2可知, 计算的工况1最大弯矩为75kN·m, 最大内支撑反力为38kN。通过计算可知, 钢板桩应力σ=75×10⁶/2 270 000=33.0MPa<184MPa, 满足受力要求。

第2道支撑安装完后, 围堰内开挖至第3道支撑下方50cm处, 准备安装第3道支撑, 此时第2道支撑受力处于不利状态, 受力情况分析如图3所示。

从工况2所示受力分析可看出, 钢板桩最大弯矩为161kN·m, 最大变形量为21mm;第2道圈梁处最大压力为141.9kN/m。据此, 计算的钢板桩应力σ=161×10⁶/2 270 000=70.9MPa<184MPa, 满足要求。

第3道支撑安装完后, 围堰内开挖至封底混凝土底, 此时第2道支撑受力处于不利状态, 计算分析结果如图4所示。

从上述结果可看出, 钢板桩最大弯矩为309kN·m, 最大变形量为38mm, 第2道圈梁处最大压力为87.6kN/m, 第3道圈梁处最大压力为304.5kN/m。通过计算可知, 钢板桩应力σ=309×10⁶/2 270 000=136MPa<184MPa, 满足要求。

下层承台施工完毕, 抄垫钢板桩与下承台间隙, 拆除第3道支撑, 准备浇筑上承台混凝土, 计算分析结果如图5所示。

由图5可看出, 工况4计算的钢板桩最大弯矩为335kN·m, 最大变形量为46mm, 第2道圈梁最大压力为190.3kN/m。通过计算分析可知, 钢板桩应力σ=335×10⁶/2 270 000=147.6MPa<184MPa, 满足要求。

汇总上述4种工况的计算结果如表2所示。

由表2中数据可知, 钢板桩最大应力σ_max=147.6MPa<[σ]=180MPa, 最大挠度f_max=46mm<L/400=52.5mm, 内支撑的最大应力σ_max=7.76MPa<[σ]=140MPa。由此可知, 钢板桩的强度和变形均符合规范要求。

由3.1节计算可知, 4种工况下内支撑反力计算结果如表3所示。

由表3中数据可看出, 第3道内支撑的反力最大, 为304.5kN/m。因此, 考虑最不利工况, 本节选取第3道内支撑进行计算。

建立的内支撑与圈梁的计算模型如图6所示, 在水压力和主动土压力作用下, 内支撑和圈梁内力的计算结果如图7所示。

由上述计算结果可知, 圈梁最大组合应力为186MPa<240MPa, 内支撑最大组合应力为141MPa<1.3×140MPa。由此可知, 圈梁和内支撑的强度均满足规范要求。

当挖土深度过大, 由于卸荷过多, 较深软土基坑在水压力作用下, 基坑软土可能受挤, 在坑底发生隆起现象。本文参照普郎特尔和太沙基地基承载力公式, 将桩墙底面的平面作为极限承载力的基准平面, 同时考虑c, φ值进行验算, 检算公式如下:

式中:D为墙体插入深度 (m) ;H为基坑开挖深度 (m) ;q为底面荷载 (k Pa) ;γ₁为坑外地表至墙底各土层天然重度的加权平均值 (k N/m³) ;γ₂为坑内开挖面以下至墙底各土层天然重度的加权平均值 (k N/m³) ;c为土的黏聚力 (k Pa) ;φ为土的内摩擦角 (°) 。

经计算基坑底部的抗隆起安全系数K_s=2.258>1.8。可见, 抗隆起稳定性满足要求。

根据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》, 带支撑桩的倾覆稳定 (踢脚稳定) 性, 以最下一道内支撑点以下支护桩在坑内外水、土压力作用下, 对此道内支撑取矩, 应满足, 如图8所示。

当第3道内支撑安装完成后, 保持水位不变 (内测水位至少位于第3道支撑处以上) , 吸泥到封底混凝土底, 计算得:

可见, 钢板桩抗倾覆稳定性满足要求。

1) 本文利用MIDAS/Civil建立钢板桩围堰有限元计算模型, 对钢板桩、圈梁及内支撑、基坑坑底隆起、钢板桩抗倾覆稳定性进行计算分析, 结果表明其均能满足施工要求, 为类似的钢板桩结构施工分析提供了良好借鉴。

2) 梅汕铁路枫江特大桥 (88+160+88) m预应力混凝土大跨连续刚构4, 5号主墩水中基坑采用钢板桩围堰施工, 从钢板桩插打到钢板桩拔除完成, 仅2个月便完成施工, 施工效果良好。