基于水下承台深基坑钢板桩围堰的计算与设计

文／曾君 武汉市汉阳市政建设集团有限公司 湖北武汉 430000

1、基本情况

1.1 研究的目的与意义

随着我国基础建设的不断发展，水上桥梁施工数量也不断增多，传统的筑岛围堰、土袋围堰、钢筋混凝土围堰及锁扣钢管柱围堰由于影响生态环境、止水效果及成本高等因素已经无法使用。现阶段城市河湖水上围堰一般采用钢板桩围堰或双壁钢围堰，钢板桩围堰作为城市河湖水上围堰主要施工方法，具有强度高、防水性能好、施工工期短、经济适用、绿色环保等优点。本文以径河五路跨径河桥水上钢板桩围堰施工为依托，采用理论分析和数值模拟相结合的方式，对钢板桩围堰主体、围檩及内支撑等进行结构计算，优化布置，为相关城市跨河湖水上桥梁施工水上围堰设计计算提供参考。

1.2 工程简介

某跨河桥位于过径河通道中部，工程南、北接城市主干路交叉口，全长349.922m，其中桥梁部分长约287.3m，路基部分长62.622m，路线平面为直线，与径河正交。桥梁跨径布置为2×(4×35)m 等宽宽桥。全桥共计2 个桥台和7 个桥墩，最深基坑P6 各参数为：承台尺寸(长＊宽＊高)12.2＊7.6＊3.0，承台顶高程13.815，承台底高程10.815，水位18.44，湖底/地面高程14.85，水深3.59m，坑内土深4.035m，基坑深度7.625m。以最深基坑P6 为例，进行深基坑水上钢板桩围堰的设计计算分析。

2、理论计算

拉森钢板桩支护边线为承台轮廓线向四周分别外扩1.5m 作为支护外边线，基坑深7.625m，基坑支护采用12 m 拉森IV 型钢板桩，围檩及斜撑采用400＊400＊13＊21H型钢，横向支撑为直径377＊12mm 钢管。具体钢板桩围堰平面图如图1：

图1 水中承台钢板桩支护平面图和立面图

2.1 地质参数及材料特性

（1）地质参数

根据岩土工程勘察报告，钢围堰涉及工程地质计算参数如下：

①水：顶标高18.44m，底标高14.85m，厚度3.59m，γ=10kN/m；

②淤泥质粉质黏土：顶标高14.85m，底标高14.35 m，厚度0.5m，γ=10kN/m，C=8kPa，φ=4°；

③层：顶标高14.35m，底标高3.15m，厚度1.2m，γ=19.3kN/m，C=18kPa，φ=10°；

④层：顶标高13.15m，底标高7.15m，厚度6m，γ=19.6kN/m，C=28kPa，φ=14°；

⑤层：顶标高7.15m，底标高2.35m，厚度4.8m，γ=20.5kN/m，C=54kPa，φ=15°。

（2）钢板桩截面特性

钢板桩选用拉森IV 型钢板桩，截面参数为：b=400mm，h=170mm，t=15.5mm，面积A=96.99cm，重量=76.1kg/m，惯性矩I=4670cm，截面矩W=2270cm。

（3）围堰各构件截面参数

围檩/角撑：截面型式为400＊400H 型钢，Q235，截面面积A=214.54cm，惯性矩=65361.58cm；内支撑：截面型式为377＊12，Q235，截面面积A=137.6cm，惯性矩=22939.76cm。Q235 材料弹性模量 E=206GP a,许用应力[σ]=210MPa,剪切应力[τ]=160MPa,密度ρ =7.8×10kg/m。

2.2 荷载计算

（1）水压力计算

水压力公式：

其中，γ为水的重度（10kN/m）；h 为水深度。

本次计算中，钢板桩长15m，高出水面1.0m，入土深度6.4m。水面高出淤泥面3.59m，根据式，水压力荷载最大35.9KN/m。

（2）土压力计算

2.3 钢板桩最小入土深度

以深入基坑底部x 处为钢板桩最小入土深度，则钢板桩受力如图2：

图2 钢板桩受力结构图

以A 点取矩，令M=0，可得：

带入数据可求得：x=0.73，为满足条件，取安全系数1.2，可得最小入土深度为0.88m。至此钢板桩总长度为：L=l+H+1.2x=9.51m，因此选取12m 长钢板桩进行验算。

2.4 钢板桩及围檩支撑计算

（1）钢板桩验算

（2）围檩及撑筒验算

对围堰长边来说，以支撑业力为围檩线荷载，计算围檩结构强度：

对称结构，取一半进行分析，令M=0，可求得支业力F=286.34kN，F=246.57kN，同时求得结构最大弯矩（中点处）为224kNm，可得其最大应力：σ=M/ W=68.54MP，满足要求。

对围堰短边来说，以支撑业力为围檩线荷载，计算围檩结构强度：

求得支业力F= F=371.64kN，求得结构最大弯矩（中点处）为241.60kNm，可得其最大应力：σ=M/ W=72.32MP，满足要求。

其撑筒业力为F=286.34kN，可得其应力为：σ=F/A=20.81MP，满足要求。

3、Midas Civil 有限元分析

3.1 整体建模

根据围堰结构设计，建立水下承台支护整体模型。其中，钢板桩按整体板单元建立，厚度15.5mm；围檩、支撑为梁单元。水压力按流体压力荷载施加至钢板桩单元外侧，按最大深度3.59m 施加。土压力等效为流体压力施加，等效为一层土层处理，土层平均重度19.44 kN/m，加载高度按4.03m 施加:（图3）

图3 围堰水压力及土压力的布置图

3.2 基坑围堰计算结果

（1）钢板桩计算结果

工况：水、土组合，钢板桩有效应力59.7Mpa＜210 MPa，最大剪切应力30.7MPa＜160MPa，满足要求。（图4）

图4 围堰钢板桩应力分布图

（2）围檩计算结果

围檩400＊400 型钢：

工况：水、土组合，组合最大弯曲应力为106.1Mpa＜210MPa，最大剪切应力64.7MPa＜160MPa，满足要求。

（3）内支撑计算结果

内支撑应力最大值为32.7MPa＜210MPa满足要求。

结语：

（1）由理论计算得到钢板桩应力为60.76 MPa，与之对应的模型分析结果为59.7 MPa，结果基本一致；理论计算得到的围檩及撑筒的值均比模型分析要小20%～30%，这是由于两种方法模型简化不一致导致的。理论计算的模型是以单体为计算对象，采用单位杆单元计算，这种计算模型计算在一定程度上简化了受力模式，但是缺少结构整体的考虑。尤其是围檩的计算，整体围檩是平面二维受力结构但理论计算简化单以杆件计算，缺少了围檩长边和短边的受力耦合，这一点在斜撑的长短边受力不同（长边斜撑F=246.57kN，短边F=F=371.64kN）中可以体现出来。相同杆件的应力在同一方向应是一致，如果出现不同必定导致应力的重新分布，这种计算模型就是错误的。

（2）单以杆件单元计算理论公式完全可以做到精确，建模计算在整体性来说是精准的，但是在钢板桩的选型、计算入土深度方面完成不了。整体来说理论计算主要针对钢板桩个体，可以精确计算入土深度，对钢板桩的选型具有决定性作用；模型计算具备整体性，能精确计算各个单元应力状态，但需要先确定材料选用及钢板桩长度。