張昀保，馬振波，朱亞飛，張心欣

(1.河北省水利科學(xué)研究院，石家莊 050057； 2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局 河北分局，石家莊 050000)

1 工程概況

某渡槽工程，墩臺位于河道內(nèi)。橋墩承臺平面尺寸為20.6 m×9.8 m，高為3.0 m，承臺下設(shè) 14 根直徑為1.5 m 鉆孔灌注樁，用于傳遞上部荷載。承臺底標(biāo)高-7.753 m,承臺頂標(biāo)高 -4.753 m，河床面標(biāo)高-4.73 m?；犹幫翆臃謱忧闆r及力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 土層力學(xué)參數(shù)表

考慮施工場地的水文地質(zhì)條件，基坑圍堰選擇拉森IVw型鋼板樁進(jìn)行支護(hù)，材質(zhì) SY295，鋼板樁寬600 mm、高210 mm、厚18 mm、截面積為135.3 cm2。鋼板樁容許應(yīng)力[σ]=295 MPa

基坑深度為14.053 m，單根鋼板樁總長度為 29 m，長高比較大。圍堰外圍的平面尺寸為 23.64 m×12.54 m，圍堰頂高程為 +5.0 m，圍堰底高程為-24.0 m，內(nèi)支撐需要設(shè)置4道。封底混凝土厚 1.3 m。

第一道內(nèi)支撐標(biāo)高2.50 m，與樁頂間距2.5 m，共設(shè)3根。內(nèi)支撐圈梁采用 2HM588*300 型鋼, 截面積3.85×104mm2，斜向支撐采用φ530×8 mm 鋼管，垂直對撐采用 2HM588*300 型鋼。

第二道內(nèi)支撐標(biāo)高-1.00 m，與第一道間距3.5 m，共設(shè)3根。圈梁內(nèi)支撐采用 2HM700*300型鋼，截面積(4.71×104mm2)，以下同。

第三道內(nèi)支撐標(biāo)高-4.00 m，與第二道間距3 m，共設(shè)3根。

第四道內(nèi)支撐標(biāo)高-6.50 m，與第三道間距2.50 m，共設(shè)5根。

鋼板樁的入土深度不應(yīng)小于鋼板樁的0.5倍，嵌固深度在鋼板樁位移為零的位置，嵌固深度取基坑開挖后鋼板樁嵌入土體的深度：

D=總長-基坑深度=29-14.053=14.947 m>0.5×29 m

圍堰總體立面布置圖見圖1。

圖1 圍堰總體立面布置圖

2 圍堰結(jié)構(gòu)的計(jì)算

2.1 土壓力計(jì)算

為了進(jìn)行鋼板樁圍堰的力學(xué)分析，首先要進(jìn)行土壓力的計(jì)算。考慮基坑周圍的施工情況，取超載q=5.28 kPa。土壓力采用水土合算公式：

(1)

土壓力計(jì)算值見圖2。

圖2 土壓力分布圖(單位：kPa)及內(nèi)支撐內(nèi)力 計(jì)算簡圖(單位：kN)

2.2 內(nèi)支撐的內(nèi)力校核

采用分擔(dān)面積法對內(nèi)支撐進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，簡化計(jì)算結(jié)構(gòu)，將鋼板樁簡化為懸臂梁，土壓力簡化為三角分布荷載，內(nèi)支撐簡化為集中力Q。計(jì)算大小為各內(nèi)支撐所分擔(dān)的面積。

Q1=(0.1+(7.28+46.93)*4.05/2)*23.64/3=865.82 kN

Q2=(46.93+78.75)*3.25/2*23.64/3=1 609.33 kN

Q3=((78.75+100.58)*2.23/2+(54.43+61.5)*0.52/2)*23.64/3=1 813.15 kN

Q4=(61.5+113.2)*3.8/2*23.64/5=1 569.36 kN

支撐材料2HM588*300 型鋼的抗力[1]為5 024.3 kN，滿足要求。

2.3 鋼板樁的抗剪強(qiáng)度校核

采用分擔(dān)面積法，鋼板樁剪應(yīng)力T為：

T1=(0.1+(7.28+29.8)*2.3/2)*23.64/3=336.81 kN

T2=T1-Q1=336.81-865.82= -529.01 kN

T3=T2+∑S2*D2=529.01+(29.8+64.06)*3.5/2*23.64/3=765.32 kN

T4=T3-Q2=765.32-1609.33=-844.01 kN

T5=T4+(64.06+93.43)*3/2*23.64/3=1017.52 kN

T6=T5-Q3=1017.52-1813.15=-795.63 kN

T7=T6+((93.43+100.58)*0.73/2+(54.43+78.51)*1.77/2)*23.64/3=689.48 kN

T8=T7-Q4=689.48-1569.37=-879.88 kN

T9=T8+(78.51+113.2)*2.55/2*23.64/3=1046.23 kN

由上可知，Tmax=1 046.23 kN，鋼板樁寬度B為600 mm，厚度t為18 mm，進(jìn)行抗剪強(qiáng)度校核：

(2)

計(jì)算結(jié)果滿足剪切強(qiáng)度要求。

2.4 鋼板樁的正應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)彎矩、剪力的微積分關(guān)系可知，彎矩不利位置為剪力圖內(nèi)各剪力突變處、剪力圖的零點(diǎn)處，即集中力處與剪力圖零點(diǎn)處。經(jīng)計(jì)算，鋼板樁的彎矩分布圖見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)的彎矩

從圖3中可知，最不利彎矩位置位于第三道、第四道中點(diǎn)處，彎矩M=2 986.1 kN·m

帶入正應(yīng)力的強(qiáng)度條件式：

σ=My/Wz=2 986.1×1 000×0.018÷56 700÷108=94.80 MPa<[σ]=295 MPa

(3)

計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度條件。

2.5 圈梁的強(qiáng)度驗(yàn)算

2.5.1 圈梁的抗剪強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)土壓力的分布圖，第三道內(nèi)支撐的土壓力為最大，取第三道內(nèi)支撐處的圈梁計(jì)算圈梁的強(qiáng)度驗(yàn)算。

在第三道內(nèi)支撐處，Q3=1 813.15 kN，根據(jù)二分擔(dān)法，第三道內(nèi)支撐處所承擔(dān)的的土壓力化為分布荷載，大小為：

q=3×Q3/圍堰外圍長度=3×1 813.15/23.64=230.1 kN/m

圖4為圈梁的結(jié)構(gòu)簡圖。

經(jīng)計(jì)算,圈梁的剪力計(jì)算值見圖5。

圖4 圈梁的結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 圈梁的剪力圖

計(jì)算得出圈梁的最大剪力為1 697.2 kN，剪應(yīng)力為：

τ=T/S=1 697.2×103/192.5×104=88.17 MPa<[τ]=110 MPa

(4)

計(jì)算結(jié)果滿足抗剪強(qiáng)度校核。

2.5.2 圈梁的正應(yīng)力驗(yàn)算

圈梁的彎矩計(jì)算值見圖6。

表6 圈梁的彎矩圖(單位：kN·m)

計(jì)算得出圈梁的最大彎矩為6 235.4 kN·m，則：

σ=My÷Wx=6 235.4÷4 020÷106=15.51 MPa<[σ]=170 MPa

(5)

計(jì)算結(jié)果滿足正應(yīng)力的強(qiáng)度校核。

2.6 封底混凝土抗浮驗(yàn)算

圍堰進(jìn)行混凝土封底是有效防止水頭差產(chǎn)生的水壓力從底部滲入的措施。由于封底混凝土體積較大，會產(chǎn)生較大的向上浮力，需要進(jìn)行抗浮驗(yàn)算[2]。封底混凝土平面尺寸為22.6 m×11.2 m，厚度1.3 m，采用C25，其容重γ=24 kN/m3。樁基鋼護(hù)筒外徑為1.5 m，共14根，鋼與混凝土黏結(jié)力取200 kN/·m3。

封底混凝土體積：

V=1.3×(22.8×11.2-3.14×0.752×14)=299.8 m3

封底混凝土自重：

G=24×299.8=7 195.7 kN

護(hù)筒黏結(jié)力：

T1=1.3×3.14×1.5×200×14=17 144.4 kN

鋼板樁圍堰黏結(jié)力：

T2=1.3×2×(22.8×11.2)×200=17 680 kN

封底混凝土底部到水面的距離為：

4.8+9.053 m

封底混凝土底面受水浮力：

P=(22.8×11.2-3.14×0.752×14)×10×(4.8+9.053)=18 862.57 kN

G+T1+T2=7 195.7+17 144.4+17 680=42 020.1 kN>P=31 949.5 kN

(6)

計(jì)算結(jié)果表明，圍堰整體抗浮滿足要求。

3 整體驗(yàn)算

3.1 整體穩(wěn)定驗(yàn)算

利用理正6.0深基坑軟件，采用瑞典條分法驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。計(jì)算所建立的整體傾覆破裂面見圖7，計(jì)算結(jié)果見表1。工況一：抽水至水平面處；在+2.5 m處加支撐一；工況二：抽水至河底面，施加內(nèi)支撐二；工況三：加內(nèi)支撐三；工況四：開挖至基坑底部處，并加內(nèi)支撐四。

圖7 整體傾覆破裂面圖

抗傾覆穩(wěn)定條件公式：

(7)

Mp=Mp1+Mp2

式中：Ma為傾覆力矩，大小為坑外主動土壓力對樁底取距；Mp1為抗傾覆彎矩，等于內(nèi)支撐的抗力對樁底取距，此處選用內(nèi)支撐的抗力進(jìn)行驗(yàn)算；Mp2為抗傾覆力矩，等于坑內(nèi)的被動土壓力對樁底取距(坑內(nèi)水壓力與坑外水壓力抵消三角形部分)。

整體穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見表2。

表2 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

以上計(jì)算均大于規(guī)范允許值1.2，各工況滿足整體抗傾覆驗(yàn)算。

3.2 抗隆起驗(yàn)算

計(jì)算所用的抗隆起驗(yàn)算圖見圖8。

圖8 抗隆起驗(yàn)算圖

根據(jù)基坑抗隆起計(jì)算公式[2]：

(8)

Ks=1.162≥=1.15,滿足規(guī)范要求。

4 基坑的施工過程

首先完成鋼板樁的插打，然后拼裝圈梁并下放到位；利用低潮位進(jìn)行圍堰內(nèi)支撐的施工。抽水至水平面0.0 m處，在+2.5 m安裝內(nèi)支撐一；抽水至河底處-4.73 m處，在-1.0 m安裝內(nèi)支撐二；在-4.0 m處安裝內(nèi)支撐三；加水吸泥至第四道內(nèi)支撐處，在-6.5 m安裝第四道內(nèi)支撐；繼續(xù)抽水吸泥至封底混凝土底面-9.053 m，澆筑封底混凝土底部標(biāo)高-9.053，高為1.3 m，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，并打14根鉆孔樁。

拆除第四道內(nèi)支撐，對承臺進(jìn)行施工，承臺高度為3 m，平面尺寸略小于基坑尺寸。在承臺與鋼板樁周圍的空隙間回填2.5 m的砂土混合物，并在頂部澆筑0.5 m高砼冠梁，用于維持圍堰的穩(wěn)定。 待砼冠梁達(dá)到強(qiáng)度后，拆除第三道內(nèi)支撐； 選擇潮水為低水位時(shí)，注水至圍堰外水位高度，平衡內(nèi)外水壓力差，拆除第二道與第一道內(nèi)支撐。

進(jìn)行圍堰鋼板樁拆除，按照先下游、再兩側(cè)、后上游的拆除順序，選擇下游易拆除的鋼板樁振動幾分鐘使其松動，拔出1～2 m，以同樣的方式將所有的鋼板樁松動拔高1～2 m，再依此順序拔除鋼板樁。

5 結(jié) 論

針對某渡槽墩臺基坑工程，依據(jù)基坑場地的水文工程地質(zhì)情況，選擇鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)作為本設(shè)計(jì)的支護(hù)方案。采用理論計(jì)算和理正計(jì)算相結(jié)合的方式，對鋼板樁、內(nèi)支撐、圈梁進(jìn)行了強(qiáng)度校核和抗力校核，同時(shí)進(jìn)行了封底混凝土抗浮驗(yàn)算、整體抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算，并介紹了鋼板樁基坑支護(hù)的施工要點(diǎn)。