京沪高速铁路天津特大桥D5墩承台拉森桩支护设计及检算
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内容摘要：通过对京沪高速铁路天津特大桥d5主墩承台基坑开挖支护方案进行设计及检算，制定了针对本基坑采用拉森桩支护的方案，通过检算，得出了可靠的数据指导施工。可为类似工程提供经验数据，用以指导施工。
关 键 词：承台拉森桩支护设计检算
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1.工程概述
京沪高速铁路天津特大桥D5主墩，位于新津扬路边，承台基底深10m，边缘距既有新津扬路仅12.0m。新津扬路是天津主要交通干路之一，交通繁忙，日通行车辆上万辆，D5墩承台基坑开挖施工对既有道路行车存在较大的干扰，基坑开挖支护方案直接影响着施工及对既有道路的行车安全。在施工中我们通过精心设计及检算，制定了合理可行的基坑支护方案。
2.钢板桩围堰结构设计
京沪高速铁路天津特大桥D5主墩分为三级承台。第一级承台高3米，第二级高3米，第三级高1米，墩位处的地质以次为：素填土，粘土。现以D5墩为例，对基坑支护方案进行检算。
基坑支护采用采用拉森Ⅳ型钢板桩，平面尺寸为28.8m×16.8m,长为18米的钢板桩，板桩入土深度约8.0m。围堰设三道内支撑，计算时均采用第一道内支撑结构形式。具体结构形式见图1。
图1 D5墩承台基坑防护拉森桩布置示意图
3.基本数据
3.1检算依据
3.1.1《建筑施工计算手册》
3.1.2《桥涵》
3.1.3《桥涵设计通用规范》
3.1.4《桥涵钢结构及木结构设计规范》
3.1.5《土质学与土力学》
3.1.6《基础工程》
3.2材料性质
3.4荷载计算
3.4.1土层容重、内摩擦角平均值计算
3.4.1.1平均容重：
3.4.1.2平均内摩擦角：
4.钢板桩入土深度检算：
钢板桩入土深度的检算采用等值梁法，即将土压力为零的深度处近似视为钢板桩地下部分的反弯点，该点以上部分钢板桩内力与以该点作为固定支撑，各支撑点简化多跨连续梁的内力是等值的。
4.1土压力零点位置y值计算：设距基底y处钢板桩前的被动土压力等于钢板桩后的主动土压力，即：
4.1.1主动土压力系数
4.1.2被动土压力系数
4.1.3被动土压力修正系数取1.7，主动土压力不作修正。
4.1.4零点位置y为：（基坑开挖深9m）
4.2钢板桩入土深度的确定，采用等值梁法进行计算，即t0=x+y，其中x为被动土压力与主动土压力之和对桩底端力矩相等求得。
R4=194.4kN
第一道内支撑横梁受力为：R1=4.5kN/m
第二道内支撑横梁受力为：R2=51.8 kN/m
第三道内支撑横梁受力为：R3=163.9kN/m
钢板桩最大弯矩为：54.6kN.m
t0=x+y=1.05+3.6=4.65m，则t=1.2×t0=5.58m
在实际施工中，钢板桩入土深度为8.1m>5.58m米，入土深度满足要求。
5.基坑开挖，安装支撑时各工况受力计算
5.1当围堰基坑开挖至第二道内支撑下0.5米时（满足第二道内支撑安装），此时第一道内支撑受力处于最不利状态。受力结构图如下。
计算反弯点：
得：
第一道内支撑横梁受力为：R1=15.3kN/m
钢板桩最大弯矩为：19.6kN.m
5.2当围堰基坑开挖至第三道内支撑下0.5米时（满足第三道内支撑安装），此时第二道内支撑受力处于最不利状态。受力结构图如下。
计算反弯点：
得：
第一道内支撑横梁受力为：R1=-12.5kN/m
第二道内支撑横梁受力为：R2=117.5 kN/m
钢板桩最大弯矩为：52.8kN.m
5.3当围堰基坑开挖至基坑底满足铺设垫层时，为第三道内支撑受力最不利状态，其计算模型为钢板桩入土深度计算。
5.4钢板桩受弯及各支撑受力最大时的状态
5.4.1钢板桩最大弯矩为：54.6kN.m（基坑开挖至垫层底）。
5.4.2第一道内支撑反力最大为：15.3kN/m（基坑开挖至第二道内支撑下0.5米，满足第二道内支撑安装时）。
5.4.3第二道内支撑反力最大为：117.5 kN/m（基坑开挖至第三道内支撑下0.5米，满足第三道内支撑安装时）。
5.4.4第三道内支撑反力最大为：163.9kN/m（基坑开挖至垫层底）。
6.钢板桩强度受力检算
根据受力图得钢板桩在当基坑开挖完成后，最大弯矩为：Mmax=54.6kN.m
由
可知，满足受力要求。
7.各道内支撑受力检算
钢板桩围堰内支撑为超静定结构，这时为简化计算，将各杆件进行简化，即边梁为连续梁，内部支撑杆件为抗拉压杆件，具体计算如下：
7.1第一道内支撑受力检算：
第一道内支撑反力最大为：15.3kN/m，按长短边梁分别计算受力图如下：
7.1.1长边梁计算：
直撑杆最大受力为：63.9kN。
斜撑杆最大受力为：61.2kN86.5kN。
长边梁所受到的最大弯矩为：26.2kN.m，最大剪力为39.6kN，拟采用双肢I32a工字钢卧放。
则：，抗弯满足要求。
，抗剪满足要求。
7.1.2建立短边梁受力图如下：
斜撑杆最大受力为：60.9kN86.13kN。
短边梁所受到的最大弯矩为：20.2KN.m，最大剪力为30.6KN，拟采用双肢I32a工字钢卧放，由长边梁受力计算可得，受力满足要求。
7.1.3斜撑受力检算：因各斜撑材料一样，且受力形式一样，这里选取轴力最大的支撑进行检算。由长边梁与短边梁受力图可得，最大轴力为：，拟采用单片I32a工字钢卧放。
7.1.4根据以上计算可知，第一道内支撑边梁采用双肢I32a工字钢，斜撑、中坚杆采用单片I32a卧放，是满足受力要求的。
7.2第二道内支撑受力检算：
当基坑开挖至第二道内支撑下0.5米，满足第二道内支撑安装时，边梁受边最大为：117.5 kN/m，分别建立长短边梁计算如下：
7.2.1长边梁计算
直撑杆最大受力为：532.9kN。
长边梁所受到的最大弯矩为：198.6kN.m，最大剪力为284.6kN，拟采用双肢I40b工字钢卧放。
则：，抗弯满足要求。
，抗剪满足要求。
7.2.2短边梁计算：
直撑杆最大受力为：537.1kN。
短边梁所受到的最大弯矩为：201.4kN.m，最大剪力为285.4kN，拟采用双肢I40b工字钢卧放。
则：，抗弯满足要求。
，抗剪满足要求。
7.2.3直撑受力检算：因各直撑材料一样，且受力形式一样，这里选取轴力最大的支撑进行检算。由长边梁与短边梁受力图可得，最大轴力为：537.1kN，拟采用钢管桩φ426×8mm。则轴向抗压计算如下：
7.2.4根据以上计算可知，第二道内支撑边梁采用双肢I40b工字钢，直撑杆均采用钢管桩φ426×8mm，是满足受力要求的。
7.3第三道内支撑受力检算：
当基坑开挖至垫层底，边梁受边最大为：163.9kN/m，分别建立长短边梁计算如下：
7.3.1长边梁计算：
直撑杆最大受力为：660.2kN。
长边梁所受到的最大弯矩为：277.0kN.m，最大剪力为397.1kN，拟采用三片I40b工字钢卧放。
则：，抗弯满足要求。
，抗剪满足要求。
7.3.2短边梁计算
直撑杆最大受力为：749.3kN。
短边梁所受到的最大弯矩为：281.0kN.m，最大剪力为398.0kN，拟采用三片I40b工字钢卧放。
则：，抗弯满足要求。
，抗剪满足要求。
7.3.3直撑受力检算：因各直撑材料一样，且受力形式一样，这里选取轴力最大的支撑进行检算。由长边梁与短边梁受力图可得，最大轴力为：749.3kN，拟采用钢管桩φ426×8mm。则轴向抗压计算如下：
7.3.4根据以上计算可知，第三道内支撑边梁采用三片I40b工字钢，直撑杆均采用钢管桩φ426×8mm，是满足受力要求的。
8.结论
由计算可知，建议采用18米长钢板桩和相应的内支撑结构，受力是满足要求的。如果将地面标高适当降低后，根据基坑开挖深度和地质情况，可以采用15米长钢板桩。第一道内支撑设计成此结构形式，主要是不影响墩身施工。如果基坑是渗水层，还需进行抗管涌检算；如基坑底为非渗水层，但该地层承压水较丰富，还需进行基坑抗隆起检算。计算过程中，土的各项指标均取常用值，需与该地层的实际勘察资料比较。