Setit河大桥钢板桩围堰稳定及防渗浅析

摘 要：Setit河大桥2#，3#，4#，5#桥墩采用钢板桩围堰，是苏丹境内第一座使用了钢板桩围堰施工的大桥，针对施工中钢板桩的稳定及抗渗问题进行了分析研究：（1）针对钢板桩围堰的内支撑结构及受力情况，对钢板桩的稳定进行了分析及计算。（2）针对钢板桩围堰的防渗处理，进行了封底砼的计算。（3）论证了钢板桩施工的可行性，提出了解决方案，使工程能够顺利完成。

关键词：水利工程 钢板桩 围堰 稳定 防渗

中图分类号：TV1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0037-03

苏丹上阿特巴拉水利枢纽工程跨河桥梁项目包括上阿特巴拉河大桥和赛蒂河大桥，桥长分别为200 m和260 m。上阿特巴拉水利枢纽工程距苏丹首都公路里程约460 km，建成后将形成一个约30亿m2库容的水库。赛蒂河大桥孔跨的布置为7孔跨度为30+5×40+30的连续贝雷梁桥。桥梁设计荷载：HL-93 or HS20-44。

主墩采用双柱式框架墩，盖梁尺寸为10 m×1.5 m×1.2 m，墩柱直径为1.2 m。基础采用2根Ф1.4 m钻孔灌注桩。上部结构为30+5×40+30 m的连续贝雷梁装配式公路钢桥，贝雷梁均由长3.048 m的标准梁段现场拼装而成，桥面均采用标准的钢结构桥面板现场拼装而成。

主要工程项目、数量见表1。

水文、气象、地质情况。

（1）水文情况：赛蒂河桥址处百年一遇洪水位为496.5 m，百年一遇洪水流量为9800 m3/s。

（2）气候条件：项目地点为半干旱气候（semi arid climate），六月下旬到十月有季节性降水，常年高温，尤其在日间。

（3）地质情况：根据场地岩性特征，桥址区域划分为12层，各层土的分布为地表覆盖物，层卵石，层粉砂岩，层泥岩，层砂岩，层泥岩，层砂岩，层泥岩，层砂岩，层泥岩，层砂岩，层泥岩等。

1 钢板桩稳定计算方法

由于2#、3#、4#墩桩系梁底高程为481.8 m，低于现河床水位（485.8 m）4 m，且位于主河床处，采用常规的土石围堰无法保证桩系梁能处于干地施工状态，为了保证后续桩头拆除、桩基检测、声测管注浆、垫层砼施工、桩系梁钢筋绑扎、模板支立、砼浇筑等工序的顺利施工，2#、3#、4#墩桩系梁基础采用单层钢板桩围堰，吊车配合振拔机插打钢板桩的方法进行施工，具体施工工艺如下：钢板桩运至施工现场后，进行检查、分类，同时进行锁口检查、弯曲、破损、长度检查，如发现不合格的钢板桩，应立即进行修整。钢板桩围堰开挖至水面以上时，即可进行钢板桩围堰内导梁施工，内导梁采用两榀36a“工”字钢并排焊接，内导梁位于牛腿之上，牛腿采用12.5#角钢焊接在钢板桩上（见钢板桩围堰平面图）。其主要是作为钢板桩围堰的内部立体支撑，直接承受钢板桩传来的水、土压力。

以下为钢板桩稳定计算，图1为钢板桩示意图。

（1）地基为天然与未分级的砂，根据合同文件技术条款查的：粘聚力C=0 kPa，内摩擦角Φ=35°，计算工况为开挖至480.5高程，浇注封底混凝土后，抽干基坑内水，并在486高程加设一道支撑，钢板桩埋深平均按3 m考虑。

从招标文件中查得含水率w为20%，压实后湿容重γh=19 kN/m3则压实后干容重γd=γh/（1+w）=15.83 kN/m3孔隙率n=1-γd/（γwds），沙土比重约为2.67，则孔隙率n=0.41。

浮容重γf=γd-（1-n）γw=15.83-（1-0.41）×10=9.93kN/m3

（2）受力计算。

钢板桩受外侧主动土压力、内侧被动土压力、内外侧静水压力、支撑力等形成平衡。

1.1 主动土压力计算

对485.8以上水位的地基按照γh=19 kN/m3计算，对485.8以下水位的地基按γf=9.93 kN/m3计算取单位宽度1 m的钢板桩为研究对象，计算简图见图2主动土压力系数Ka=tan2（45-Φ/2），将Φ=35°代入计算式得Ka=0.271采用郎肯理论进行土压力计算对于485.8高程以上部分，土压力强度。

式中：γ=19 kN/m3，H=0.7

计算得A点土压力强度Pa1=3.6 kN/m2 486.5高程到485.8高程段的主动土压力

式中：γ=19 kN/m3，H=0.7 m

图中三角形ADE面积即主动土压力大小，计算得Ea=1.26 kN/m，作用点高程为485.8高程以上0.7/3m对于485.8高程以下部分，增加的土压力强度

式中：γ=9.93 kN/m3，H=8.3 m计算得B点土压力强度Pa2=3.6+22.31=25.9 kN/m2增加的土压力大小Ea=0.5×9.93×8.32= 92.58 kN/m梯形面积ABCD即主动土压力大小Ea2=（3.6+25.9）×8.3/2=122.43 kN/m。

2.2 外侧水压力计算

水压力大小

式中：γw=10 kN/m3，H=8.3 m计算得Fw=344.45 kN/m

总主动土压力大小Ea=1.26+122.43 +344.45=468.14 kN/m总主动土压力作用位置，以477.5高程为0点，沿高程方向为y方向：

计算得y=2.7 m（图2）。

2.3 被动土压力计算（图3）

被动土压力系数Kp=tan2（45+Φ/2）

被动土压力强度

式中：γ=9.93 kN/m3，h=3 m计算得Pp=109.63 kN/m2

被动土压力

计算得Ep=164.45 kN/m

2.4 内侧水压力计算

Fw=0.5×10×3×3=45 kN/m则总被动土压力（包含水压力）大小Ep=164.45+45 =209.45 kN/m作用点位于477.5 m高程以上1 m处

（1）力矩计算。

所有力对钢板桩底部取矩总主动土压力力矩Ma=468.14×2.7=1263.98总被动土压力力矩Mp=209.45×1=209.45根据力矩平衡原理，多余力矩依靠封底混凝土及支撑平衡钢板桩整体受力见图4。

Ea=F1+F2+Ep （1）

Ea×2.7=Ep×1+F1×3.5+F2×8.5（2）

取1 m宽为研究对象，Ea=468.14 kN，Ep=209.45 kN

联立解方程组得F1=228.87 kN，F2= 29.82 kN

工字钢为36A，截面积为76.3 cm2

工字钢应力：

工字钢长度系数按两端铰接μ=1

压杆的柔度

式中：l为工字钢长边12.5 m

i为截面惯性半径为14.4 cm

计算得λ=86.81

工字钢的允许应力

式中：E为钢筋的弹性模量，取2.06× 105 MPa

计算得：

，所以采用36A的工字钢支护是可行的通过以上计算可以得知，钢板桩是稳定的。

钢板桩施工时，前一部分采用逐块插打，后一部分先插打合拢后再插打其余部分钢板桩。插打次序从上游开始，在下游合拢，每边由一角插打至另一角。

插打钢板桩时要严格控制好桩的垂直度，尤其是第一根桩要从两个相互垂直的方向同时控制，确保垂直不偏，插打一块或几块桩稳定后即与导框进行连接。

钢板桩吊起后用人工扶持，插入前一块的锁口后继续下插，如下插困难时，可用强迫插桩法，即采用将桩吊起插入锁口后快速放松吊装绳，借桩自重急速下插，如下插依然困难，则用导链或滑车组绞拉或用锤压桩下插，必要时可以低锤慢打，直至将钢板桩插打至预定位置。

打桩机具采用50T吊车带振动打桩机在施工平台上进行打桩。

2 基坑开挖、防渗及排水

2#、3#、4#墩采用钢板桩围堰和水下封底砼进行防渗处理，基础开挖采用挖掘机进行分层开挖：第一层先挖至水面以上，然后再进行内支撑系统的安装和焊接，第二层开挖到封底砼底面。

由于钢板桩施工时每块钢板桩的长度不一致，从现场实际情况来看，局部钢板桩高出地面1～3 m左右，挖掘机进行基坑开挖受场地限制，开挖深度将会受到影响，拟将下游侧钢板桩进行切割处理，即将高出施工平台的钢板桩切割到平台高程，即486.5 m，采用CAT320DL进行开挖。

由于受到挖掘机有效挖掘深度的影响（基坑深度为6 m），剩余部分基坑开挖采用砂石泵抽砂进行，即采用边抽砂边注水的施工方法，砂石泵基本配置如下：

电机功率：30 kW有效扬程：13 m吸程：7.5 m功率：180 m3/h

封底砼采用C20砼，厚度为1.0 m，封底砼顶标高低于桩系梁底标高30 cm，以利于进行找平。排水拟采用大功率污水泵，具体配置将根据现场实际情况选用。

钢板桩围堰施工示意图如图5。

封底砼施工结束后，根据钢板桩围堰内外的水、土压力差作用，验算封底砼所受作用力情况。

由于有封底砼，因此这时不考虑涌砂、管涌、基底隆起现象，只验算整体抗浮稳定和强度。

整体抗浮验算：

由于钢板桩围堰内抽干水后，内外水压力差形成的力将对其产生向上的浮力，将由围堰自重、支护自重、围堰与土的摩阻力及混凝土自重来平衡。

按封底砼浇筑完毕且进行排水后（未考虑30 cm的找平层）的最不利情况进行考虑：

计算安全系数：K=PK总抗浮力/Pf浮力

Pf上浮力计算如下：

浮力面积：Auplift=12.5 m×4.5 m-2×3.14×（1.40/2）2

=53.17 m2

封底砼底高程=481.8-0.30-1.00

=480.50 m

h=485.80-480.50=5.30 m

Pf上浮力=Fuplift=5.3 to/ sm2×53.17 m2=281.8to

PK总抗浮力计算如下：

PK总抗浮力=G混凝土+P摩阻力

G混凝土=Fuwc=2.3 to/m3×53.17 m2×1.0m=122.30 to

P摩阻力=λ·L·∑fi·hi

=0.4×34×30×10

=408 to

PK总抗浮力=122.30 to+408

to=530.3 to

式中，λ为抗拔容许摩阻力与受压容许阻力的比例系数，一般取0.4～0.7；

L为支护与土体接触外壁周长；

fi为支护侧各土层的容许摩阻力，按最不利情况考虑，即全部按粉细砂层考虑，取值30 kPa；

hi为支护侧各土层的厚度，取平均值为10 m；

安全系数K=530.3/281.80=1.88>1.05 安全

封底混凝土强度验算：

封底混凝土板在上浮力（静水压力）作用下的内力，可以近视地简化为简支单向板计算。封底层顶因静水压力作用产生的弯曲拉应力f为：

f=1/8×qL2/W=L2/8×{（rW×（h+d）-rc×d）/（d2/6）}

=（3L2/4d2）×{rW×（h+d）-rc×d}≤{f}

=（3×4.52/4×12）×{1×（4.3+1）-2.3×1}

=45.56 kN/m2=0.045 mPa

L为基坑底小边尺寸q为封底砼底面静水压力；W为封底砼每1 m宽截面的抗弯模量（m3）；h为封底砼顶面处水头（m）；d为假定的封底砼最小厚度；rw为水的重度（kN/m3）；rc为砼的重度（kN/m3）；{f}为封底砼容许抗弯弯曲强度，一般采用C15或C20砼，考虑荷载作用时时间较短，可分别取1200～1500 kPa。综合上述的分析及计算来看，采用1 m厚的C20封底砼是切实可行的。

4 钢板桩拔除

桩系梁及墩柱施工结束后，开始钢板桩拔除施工。钢板桩拔除前，先将围堰内的支撑拆除，然后略加锤击使钢板桩与水下砼脱离黏结，再选择一组或一块较易拔除的钢板桩，锤击振动后拔高1～2 m，使其松动，再从下游开始分两侧向上游挨次拔除，对桩尖打卷及锁口变形的桩，可加大拔桩设备的能力，将相邻的桩一齐拔出。拔出的钢板桩应清刷干净、修补整理，堆放时应按钢板桩类型、长度分类码放，以便下一个墩身的施工。

5 结论

（1）Setit河大桥2#、3#、4#桥墩钢板桩围堰工程已成功实施，分析计算结果与工程实际情况吻合较好。（2）封底砼为水下浇筑，施工时应注意控制封底砼的浇筑高度和质量，宜分2次浇筑成型。（3）因海外项目咨询工程师对施工流程和工序审核较为严格，合理和正确的计算可为方案的顺利审批和实施赢得时间。

参考文献

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[2] 肖仁成，俞晓.土力学[J].2001：122-127.

[3] 龙驭球，包世华.结构力学[M].北京：高等教育出版社，1989：213-265.