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【摘 要】软基地区位于河床上的结构物基坑开挖深度≥2m时，采用常规支护，既不能止水，又加大施工成本且存在严重的安全隐患，因此选取拉森钢板桩围堰作为支护措施。为保证拉森钢板桩围堰的安全性，根据其受力情况，采用MIDAS软件对拉森钢板桩围堰和围檩进行建模计算分析，选取4个工况进行荷载计算分析，对最不利工况引起的强度、变形进行计算，对拉森钢板的入土深度验算，围堰整体抗浮、基坑土体隆起验算。
【关键词】水中墩承台；拉森钢板桩；MIDAS软件；强度；变形；入土深度；抗浮；隆起；止水
1 工程概况
浦阳江特大桥采用75+135+75m连续梁跨越浦阳江，连续梁44#墩位于浦阳江东江堤，45#墩位于浦阳江河床上，46#墩位于河滩中。经过经济、适用、安全方面考虑，水中45#墩承台开挖采用28.5m拉森VIw型钢板桩围堰进行施工，拉森钢板桩之间咬合紧密，咬合之间采用橡胶垫止水，必要时采用水溶性聚氨脂止水。
竖向设置两道钢围檩，第一道钢围檩采用双拼I40a工字钢，对撑、斜撑采用φ325×8mm钢管。第二道钢围檩采用双拼HN700×300mm型钢，对撑、斜撑采用φ700×12mm钢管，具体布置详见图1。围檩与每根拉森钢板桩之间空隙需打入木楔式钢板抵紧。转角处需设置专用角构件，管道安装需调整对撑间距并及时回顶。
2 设计参数
由施工图纸可知，45#墩处第一层土为淤泥质粉质黏土，层高为27m，土层的基本承载力为60kPa，天然土容重为17.6KN/m3，内摩擦角为4.54°，凝聚力为9.82kPa，压缩模量为3.1MPa。钢板桩顶标高为6.5m，施工水位标高为5.50m，河床底标高为3.694m，基坑底标高为-6.263m。拉森钢板桩设计两道围檩，第一道围檩标高为5.0m，第二道围檩标高为0.5m。拉森钢板桩围堰内侧尺寸为20.2×15.4m，拉森钢板桩拟采用28.5m长拉森IVw型钢板桩，材质为SY295，屈服点为295MPa，容许应力[σ]=240 MPa。
3 拉森钢板桩围堰结构计算
3.2 施工步骤
拆除四周钻孔平台，在靠近承台侧定位桩上焊接牛腿，安装第一道内支撑作为钢板桩插打导向围檩→插打钢板桩至合拢→围堰内清淤、水下吸泥至0.000m，在+0.500m处水下安装第二道内支撑→水下吸泥并浇筑封底砼→待砼达到设计强度后，凿桩头，施工承台→拆除承台模板，在承台与钢板桩空隙间回填砂、土混合物，顶部浇筑0.4m高砼冠梁→待0.4m高砼冠梁达到强度后，拆除第二道内支撑→围堰内继续注水至围堰外水位，拆除第一道内支撑→拔除钢板桩。
3.3 拉森钢板桩工况荷载计算
拉森钢板桩及围檩的强度、刚度和稳定性采用MIDAS软件计算，为简化计算，假设计算时取1m宽单位宽度钢板桩。 计算主动土压力时不考虑土的粘聚力（c=0）。 弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支梁，方便计算，钢板桩在封底砼面以下0.5m处固结，在MIDAS中限制全部约束，土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。
根据施工步骤分四个工况荷载计算：
工况一：第一道内支撑安装完成后，围堰内清淤、水下吸泥至0.0m。
工况二：第二道内支撑安装完成后，水下吸泥清淤至-6.263m。
工况三：封底砼达到强度后，抽光围堰内的水。
工况四：承台、墩身施工完成后回填砂土并在顶部浇筑40cm厚C25砼冠梁，拆除第二道支撑。以上各工况计算简图见图2。
根据以上四个工况分别进行计算，经计算可知，工况二拉森钢板桩应力最大为210.56Mpa，拉森钢板桩弯矩最大为568.5KN·m。工况四时第一道围檩支撑反力最大为65.3KN，工况三第二道围檩支撑反力最大为446.2KN。各工况计算图分别见图3-6，计算结果见表1。
3.4 拉森钢板桩入土深度计算
对拉森钢板桩OC段进行应力分析，由Midas分析结果可知，工况二作用于拉森钢板桩上时其产生的弯矩值最大，为其最不利工况，可知工况二作用时拉森钢板桩的反力图和分析简图如图7、8：
由静力平衡 ，可知O点处的剪力为110.8KN，则可求出拉森钢板桩反弯点以下OC段的嵌固深度为：
对嵌固深度进行放大，取放大系数1.1，则可知拉森IVw型钢板桩实际嵌固深度为：
工况二作用时拉森钢板桩的计算长度为20.635m，则拉森IVw型钢板桩的总长为20.635+7.748=28.383m，则取拉森IVw型钢板桩总长取28.5m。
3.5 围檩设计计算
3.5.1 第一道围檩计算
由上表1可知，第一道围檩承受的最大支撑反力为65.3KN，采用双拼Ⅰ40a工字钢，斜撑和对撑采用φ325×8mm钢管。围檩平面尺寸20.2×15.4m，横桥向长度为5.1m+5.2m+5.1m，纵桥向长度为5.16m+0.62m+4.32m++4.32m+0.62m+5.16m，在钢管和钢管的相交处焊接牛腿设置竖向支撑， Midas中建模可得其应力分析模型图见图9，其余计算图见图10-12。
3.5.1.1 强度计算
由以上计算结果可知，第一道围檩的最大位移为3mm，围檩圈梁的最大组合应力为84.7MPa<215MPa，φ325×8mm钢管的最大组合应力为63.1 MPa<215MPa，满足规范要求。
3.5.1.2 稳定性计算
分析结果中钢管的轴力图见图13：
按最不利截面分析其稳定性，φ325×8mm钢管的最不利截面为A类截面，其回转半径，则其长细比，查《钢结构设计规范》附录C可知，φ325×8mm钢管截面的稳定系数。 由上图可知钢管最大轴力为462.3KN，φ325×8mm钢管截面面积为78.42cm2，则稳定性验算公式，则可知其稳定性满足规范要求。
3.5.2 第二道围檩计算
由上表1可知，第二道围檩承受的最大支撑反力为446.2KN，采用双拼HN700×300型钢，斜撑和对撑采用φ700×12mm钢管。围檩平面尺寸20.2×15.4m，横桥向长度为5.1m+5.2m+5.1m，纵桥向长度为5.16m+0.62m+4.32m++4.32m+0.62m+5.16m，在钢管和钢管的相交处焊接牛腿设置竖向支撑， Midas中建模可得其应力分析模型图见图14，其余计算图见图15-17。
3.5.2.1 强度计算
由以上计算结果可知，第二道围檩的最大位移为6mm，围檩圈梁的最大组合应力为142.9MPa<215MPa，钢管的最大组合应力为139.1 MPa<215MPa，满足规范要求。
3.5.2.2 稳定性计算
分析结果中钢管的轴力图见图18。
按最不利截面分析其稳定性，φ700×12mm钢管的最不利截面为A类截面，其回转半径，则其长细比，查《钢结构设计规范》附录C可知，φ325×8mm钢管截面的稳定系数。
由上图可知钢管最大轴力为3042.8KN，φ700×12mm钢管截面面积为259.37cm2，则稳定性验算公式，则可知其稳定性满足规范要求。
3.5.3 支座强制位移验算
将第二道围檩的最大位移6mm以支座强制位移的形式加到工况三的钢板桩有限元模型中，弯矩计算结果见图19，反力计算结果见图20。
由计算结果可知其最大弯矩为17.6KN·m小于上述表1中工况二钢板桩的最大弯矩568.5KN·m，则拉森钢板桩的强度满足规范要求。
4 围堰整体抗浮验算
封底混凝土采用C30，厚1.5m，围堰尺寸20.2×15.4m。水下混凝土抗折设计值1.75MPa，考虑施工阶段1.5倍的安全系数，其抗折容许值为1.17MPa。
钻孔桩桩径2.2m，钢护筒外径2.4m，承台桩数12根，钢与混凝土的粘结力一般取100-200kPa，取150 kPa，混凝土容重24KN/m3。
则封底混凝土体积为：
则可知基坑抗浮稳定性满足规范要求。
5 基坑底土抗隆起验算
根据普朗特尔及太沙基的地基承载力计算公式，其验算公式如下：
则可知坑底土体抗隆起满足规范要求。
【结束语】
根据水中承台的施工步骤对拉森钢板桩围堰进行计算分析，得出钢板桩的强度、刚度和入土深度均满足施工的需要，并且有较大的安全系数和满意的止水效果，对围堰的抗浮、基底坑底的隆起检算，使围堰始终处于安全的状态。采用拉森钢板桩围堰（费用约285万）对比投标时的双壁钢围堰（费用为697.2万），大幅降低了施工成本。
参考文献：
[1]《建筑基坑支护技术规程》（JTG120-99）
[2]《铁路桥涵地基与基础设计规范》（TB 10002.5-2005）
[3]《钢结构设计规范》（GB50017-2011）
[4]《建筑地基基础设计规范》GB_50007-2011
[5]《路桥施工计算手册》
【关键词】水中墩承台；拉森钢板桩；MIDAS软件；强度；变形；入土深度；抗浮；隆起；止水
1 工程概况
浦阳江特大桥采用75+135+75m连续梁跨越浦阳江，连续梁44#墩位于浦阳江东江堤，45#墩位于浦阳江河床上，46#墩位于河滩中。经过经济、适用、安全方面考虑，水中45#墩承台开挖采用28.5m拉森VIw型钢板桩围堰进行施工，拉森钢板桩之间咬合紧密，咬合之间采用橡胶垫止水，必要时采用水溶性聚氨脂止水。
竖向设置两道钢围檩，第一道钢围檩采用双拼I40a工字钢，对撑、斜撑采用φ325×8mm钢管。第二道钢围檩采用双拼HN700×300mm型钢，对撑、斜撑采用φ700×12mm钢管，具体布置详见图1。围檩与每根拉森钢板桩之间空隙需打入木楔式钢板抵紧。转角处需设置专用角构件，管道安装需调整对撑间距并及时回顶。
2 设计参数
由施工图纸可知，45#墩处第一层土为淤泥质粉质黏土，层高为27m，土层的基本承载力为60kPa，天然土容重为17.6KN/m3，内摩擦角为4.54°，凝聚力为9.82kPa，压缩模量为3.1MPa。钢板桩顶标高为6.5m，施工水位标高为5.50m，河床底标高为3.694m，基坑底标高为-6.263m。拉森钢板桩设计两道围檩，第一道围檩标高为5.0m，第二道围檩标高为0.5m。拉森钢板桩围堰内侧尺寸为20.2×15.4m，拉森钢板桩拟采用28.5m长拉森IVw型钢板桩，材质为SY295，屈服点为295MPa，容许应力[σ]=240 MPa。
3 拉森钢板桩围堰结构计算
3.2 施工步骤
拆除四周钻孔平台，在靠近承台侧定位桩上焊接牛腿，安装第一道内支撑作为钢板桩插打导向围檩→插打钢板桩至合拢→围堰内清淤、水下吸泥至0.000m，在+0.500m处水下安装第二道内支撑→水下吸泥并浇筑封底砼→待砼达到设计强度后，凿桩头，施工承台→拆除承台模板，在承台与钢板桩空隙间回填砂、土混合物，顶部浇筑0.4m高砼冠梁→待0.4m高砼冠梁达到强度后，拆除第二道内支撑→围堰内继续注水至围堰外水位，拆除第一道内支撑→拔除钢板桩。
3.3 拉森钢板桩工况荷载计算
拉森钢板桩及围檩的强度、刚度和稳定性采用MIDAS软件计算，为简化计算，假设计算时取1m宽单位宽度钢板桩。 计算主动土压力时不考虑土的粘聚力（c=0）。 弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支梁，方便计算，钢板桩在封底砼面以下0.5m处固结，在MIDAS中限制全部约束，土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。
根据施工步骤分四个工况荷载计算：
工况一：第一道内支撑安装完成后，围堰内清淤、水下吸泥至0.0m。
工况二：第二道内支撑安装完成后，水下吸泥清淤至-6.263m。
工况三：封底砼达到强度后，抽光围堰内的水。
工况四：承台、墩身施工完成后回填砂土并在顶部浇筑40cm厚C25砼冠梁，拆除第二道支撑。以上各工况计算简图见图2。
根据以上四个工况分别进行计算，经计算可知，工况二拉森钢板桩应力最大为210.56Mpa，拉森钢板桩弯矩最大为568.5KN·m。工况四时第一道围檩支撑反力最大为65.3KN，工况三第二道围檩支撑反力最大为446.2KN。各工况计算图分别见图3-6，计算结果见表1。
3.4 拉森钢板桩入土深度计算
对拉森钢板桩OC段进行应力分析，由Midas分析结果可知，工况二作用于拉森钢板桩上时其产生的弯矩值最大，为其最不利工况，可知工况二作用时拉森钢板桩的反力图和分析简图如图7、8：
由静力平衡 ，可知O点处的剪力为110.8KN，则可求出拉森钢板桩反弯点以下OC段的嵌固深度为：
对嵌固深度进行放大，取放大系数1.1，则可知拉森IVw型钢板桩实际嵌固深度为：
工况二作用时拉森钢板桩的计算长度为20.635m，则拉森IVw型钢板桩的总长为20.635+7.748=28.383m，则取拉森IVw型钢板桩总长取28.5m。
3.5 围檩设计计算
3.5.1 第一道围檩计算
由上表1可知，第一道围檩承受的最大支撑反力为65.3KN，采用双拼Ⅰ40a工字钢，斜撑和对撑采用φ325×8mm钢管。围檩平面尺寸20.2×15.4m，横桥向长度为5.1m+5.2m+5.1m，纵桥向长度为5.16m+0.62m+4.32m++4.32m+0.62m+5.16m，在钢管和钢管的相交处焊接牛腿设置竖向支撑， Midas中建模可得其应力分析模型图见图9，其余计算图见图10-12。
3.5.1.1 强度计算
由以上计算结果可知，第一道围檩的最大位移为3mm，围檩圈梁的最大组合应力为84.7MPa<215MPa，φ325×8mm钢管的最大组合应力为63.1 MPa<215MPa，满足规范要求。
3.5.1.2 稳定性计算
分析结果中钢管的轴力图见图13：
按最不利截面分析其稳定性，φ325×8mm钢管的最不利截面为A类截面，其回转半径，则其长细比，查《钢结构设计规范》附录C可知，φ325×8mm钢管截面的稳定系数。 由上图可知钢管最大轴力为462.3KN，φ325×8mm钢管截面面积为78.42cm2，则稳定性验算公式，则可知其稳定性满足规范要求。
3.5.2 第二道围檩计算
由上表1可知，第二道围檩承受的最大支撑反力为446.2KN，采用双拼HN700×300型钢，斜撑和对撑采用φ700×12mm钢管。围檩平面尺寸20.2×15.4m，横桥向长度为5.1m+5.2m+5.1m，纵桥向长度为5.16m+0.62m+4.32m++4.32m+0.62m+5.16m，在钢管和钢管的相交处焊接牛腿设置竖向支撑， Midas中建模可得其应力分析模型图见图14，其余计算图见图15-17。
3.5.2.1 强度计算
由以上计算结果可知，第二道围檩的最大位移为6mm，围檩圈梁的最大组合应力为142.9MPa<215MPa，钢管的最大组合应力为139.1 MPa<215MPa，满足规范要求。
3.5.2.2 稳定性计算
分析结果中钢管的轴力图见图18。
按最不利截面分析其稳定性，φ700×12mm钢管的最不利截面为A类截面，其回转半径，则其长细比，查《钢结构设计规范》附录C可知，φ325×8mm钢管截面的稳定系数。
由上图可知钢管最大轴力为3042.8KN，φ700×12mm钢管截面面积为259.37cm2，则稳定性验算公式，则可知其稳定性满足规范要求。
3.5.3 支座强制位移验算
将第二道围檩的最大位移6mm以支座强制位移的形式加到工况三的钢板桩有限元模型中，弯矩计算结果见图19，反力计算结果见图20。
由计算结果可知其最大弯矩为17.6KN·m小于上述表1中工况二钢板桩的最大弯矩568.5KN·m，则拉森钢板桩的强度满足规范要求。
4 围堰整体抗浮验算
封底混凝土采用C30，厚1.5m，围堰尺寸20.2×15.4m。水下混凝土抗折设计值1.75MPa，考虑施工阶段1.5倍的安全系数，其抗折容许值为1.17MPa。
钻孔桩桩径2.2m，钢护筒外径2.4m，承台桩数12根，钢与混凝土的粘结力一般取100-200kPa，取150 kPa，混凝土容重24KN/m3。
则封底混凝土体积为：
则可知基坑抗浮稳定性满足规范要求。
5 基坑底土抗隆起验算
根据普朗特尔及太沙基的地基承载力计算公式，其验算公式如下：
则可知坑底土体抗隆起满足规范要求。
【结束语】
根据水中承台的施工步骤对拉森钢板桩围堰进行计算分析，得出钢板桩的强度、刚度和入土深度均满足施工的需要，并且有较大的安全系数和满意的止水效果，对围堰的抗浮、基底坑底的隆起检算，使围堰始终处于安全的状态。采用拉森钢板桩围堰（费用约285万）对比投标时的双壁钢围堰（费用为697.2万），大幅降低了施工成本。
参考文献：
[1]《建筑基坑支护技术规程》（JTG120-99）
[2]《铁路桥涵地基与基础设计规范》（TB 10002.5-2005）
[3]《钢结构设计规范》（GB50017-2011）
[4]《建筑地基基础设计规范》GB_50007-2011
[5]《路桥施工计算手册》