
在进行广州地区桥梁承台基础施工过程中,拉森钢板桩作为一种常用的支护结构形式,广泛应用于深基坑开挖、临时挡土及止水等工程场景。其主要作用是抵抗侧向土压力、地下水压力以及施工期间可能出现的附加荷载,确保基坑稳定与施工安全。为科学合理地设计拉森钢板桩支护体系,必须对桥梁承台施工阶段的荷载进行系统计算与分析,尤其需重点考虑承台自重、施工荷载、土压力、水压力及其组合效应。
首先,应明确桥梁承台的基本参数。以某典型桥梁项目为例,承台尺寸为12m×8m×3m,采用C35混凝土浇筑,容重取25kN/m³,则承台自重为:
$$ G = 12 \times 8 \times 3 \times 25 = 7200 \, \text{kN} $$
该荷载通过模板支撑系统及地基反力传递至周边土体,间接影响钢板桩所承受的侧向压力分布。
其次,施工过程中施加于基坑周边的动荷载亦不可忽视。主要包括混凝土泵车作业、吊装设备运行、施工人员活动等产生的附加荷载。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012),此类临时荷载可按均布荷载考虑,一般取值为10~20kN/m²。本案例中取15kN/m²,并作用于距基坑边缘不小于2m范围内的地表区域。该荷载将引起主动土压力的增量,需在土压力计算中予以计入。
接下来是土压力计算,这是拉森钢板桩设计的核心内容之一。依据朗肯土压力理论,在无地下水或低水位条件下,主动土压力强度 $ p_a $ 可表示为:
$$ p_a = (q + \gamma z) K_a - 2c\sqrt{K_a} $$
其中,$ q $ 为地表附加荷载(15kN/m²),$ \gamma $ 为土体重度(取18.5kN/m³),$ z $ 为计算深度,$ c $ 为土体黏聚力(取15kPa),$ K_a = \tan^2(45^\circ - \phi/2) $ 为主动土压力系数,内摩擦角 $ \phi $ 取25°,则 $ K_a \approx 0.406 $。
代入得:
$$ p_a = (15 + 18.5z) \times 0.406 - 2 \times 15 \times \sqrt{0.406} \approx 6.09 + 7.53z - 19.14 $$
即:
$$ p_a \approx 7.53z - 13.05 \, \text{kPa} $$
当 $ p_a = 0 $ 时,临界深度 $ z_0 \approx 1.73m $,表明在地面以下约1.73m以上为拉应力区(实际中常忽略或由喷锚补强),有效侧压力自该深度以下开始线性增长。
若基坑开挖深度为6m,则在坑底处主动土压力强度为:
$$ p_a(6) = 7.53 \times 6 - 13.05 = 32.13 \, \text{kPa} $$
此外,若地下水位位于地面下2m,则需考虑水压力影响。水压力呈三角形分布,最大值出现在基坑底部:
$$ p_w = \gamma_w \times h_w = 10 \times 4 = 40 \, \text{kPa} $$
其中 $ \gamma_w = 10\,\text{kN/m}^3 $,$ h_w = 4m $ 为水头高度。
总侧向压力由土压力与水压力叠加而成。由于水土合算与分算的选择取决于土质特性(如黏性土宜合算,砂性土宜分算),本例地处广州软土区域,建议采用水土合算方式处理。因此,总侧压力在坑底处约为:
$$ p_{total} = p_a + p_w = 32.13 + 40 = 72.13 \, \text{kPa} $$
基于上述荷载分布,可进一步进行拉森钢板桩的内力与变形验算。通常采用弹性地基梁法(如m法)进行结构分析,借助专业软件(如理正、迈达斯或Plaxis)模拟钢板桩的弯矩、剪力和水平位移。关键控制指标包括最大弯矩位置及数值、桩身嵌固深度、支点反力等。
根据规范要求,钢板桩的最小入土深度一般不小于开挖深度的0.8倍。本例中开挖6m,故入土深度不宜小于4.8m,总桩长应达到11m以上。选用常见型号如SP-IV型拉森钢板桩,其截面模量约为2040cm³/m,抗弯强度设计值取215MPa,则允许弯矩为:
$$ M_d = 2040 \times 10^{-6} \times 215 \times 10^6 = 438.6 \, \text{kN·m/m} $$
经模型计算所得最大弯矩若小于该值,则满足强度要求。
最后,还需验算整体稳定性,包括抗倾覆、抗滑移、抗隆起及坑底承载力等。特别是广州地区软土层较厚,易发生深层滑动或底部土体隆起,需结合圆弧滑动法进行边坡稳定分析,确保整体安全系数不低于1.3。
综上所述,广州地区桥梁承台施工中拉森钢板桩的设计必须建立在精确的荷载计算基础上,综合考虑承台自重、施工活载、土压力、水压力及地质条件的影响。通过理论计算与数值模拟相结合的方式,合理确定钢板桩的选型、长度、支撑布置及验算各项安全性指标,才能保障基坑施工的安全性与经济性。同时,施工过程中应加强监测,实时反馈位移、应力数据,实现信息化动态管理,确保工程顺利推进。
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