钢板桩围堰的设计与施工

方立新 孟宪刚

(江苏捷达交通工程集团公司,江苏 淮安 223001)

摘 要：根据钢板桩围堰的实际受力状况建立力学模型。通过理论计算确定钢板桩围堰的实际受力，并通过实际施工情况验证该方法的可行性。比规范中采用的经验算法具有更高的精确性和安全性，能够更好的满足工程施工需要。
关键词：钢板桩围堰；设计；施工

目前，对于钢板桩围堰的设计主要是沿用《公路桥涵施工手册》和教科书中的经验算法。由于经验算法带有很大的近似性，并不一定能够真实反映钢板桩围堰的实际受力状况，有时会出现较大的偏差，给围堰的使用带来很多不安全因素。笔者在洪泽苏北灌溉总渠大桥施工中，为避免出现较大的变形，在对钢板桩围堰设计时采用了理论算法。经实践检验，理论算法能够较为精确的反映围堰的实际受力状况，对于合理设置内支撑和减小封底厚度起到了重要的保证作用。下面就钢板桩围堰的设计与施工做详细论述：
1 已知条件
1.1 承台尺寸：10.3m（横桥向）×6.4m（纵桥向）×2.5m（高度），底部设计有10.7×6.8m×1.0m的封底砼。
1.2 承台及河床高程
承台顶面设计高程为h=5.0m，河床底高程为5.5m，河床淤集深度约为30cm。
1.3 水位情况
正常水位：h常=10.8m（此时水深5.3m），最高水位hmax =11.5m（水深6.0m），围堰设计时按最高水位考虑。
1.4 水流速度
因该桥位于水电站下游，水流较为湍急。设计时速V=1.0 m/s，不考虑流速沿水深方向的变化，则动水压力为：
P=10KHV2×B×D/2g=53.2KN
式中：P-每延米板桩壁上的动水压力的总值（KN）；
H-水深（米）；
V-水流速度（1.0m/s）；
g-重力加速度（9.8m/s2);
B-钢板桩围堰的计算宽度，B=10m；
D-水的密度（10KN/m3）;
K-系数，（槽形钢板桩围堰K=1.8~2.0，此处取1.8）。（参照《公路施工手册》，假定此力平均作用于钢板桩围堰的迎水面一侧。）
1.5 河床水文地质条件
河床土质良好，多为粘土、亚粘土，局部有亚砂土，承载力较强。围堰基底至河床部分土质为粘土(层厚约2m)、亚砂土(硬塑状态，很湿，层间无承压水，层厚约为1m)。
2 拟定方案
结合河床地质情况及施工要求，拟采用日本产钢板桩进行围堰施工，长度为15m，宽度为40cm，厚度为18cm，设计图见图1、图2。
图1 钢板桩围堰设计图（立面）
围堰顶面标高拟定为12.5m，高出最高水位1.0m。围堰设计图3，所有内围囹均采用56b工字钢制作，节点采用焊接（施工中严格执行钢结构施工规范）。为确保整个围囹的刚度和稳定性，对每层中间一道工字钢上面加焊型钢并将上下四道工字刚用25#槽钢焊接连接。在施工期间安排专人值班以防吊物碰撞。
图3 钢板桩围堰图(平面)
3 围囹（支撑）内力计算
3.1 确定受力图式
3.1.1 钢板桩嵌制形式
河床底部土质较为密实，假定钢板桩底部嵌固于(钢板桩入土深度)t/3=1.5 m处，即承台底2.0m处。（封底砼厚度采用50cm）
3.1.2 动水压力
P=10KHV2×B×D/2g=53.2KN
3.1.3 河床土质为亚粘土，为不透水层，但考虑到钢板桩施工中会引起板侧土体的扰动，缝隙里充满水，所以考虑水压力的影响。土压力计算取用浮容重，
Υ'=19.4-9.8=9.6KN/m3，ιj=30~50Kpa，σ=100KPa。
3.1.4 经分析可知迎水面为最不利受力面，以此为计算面。所承受荷载假定由两根工字钢平均承担，计算两根工字钢的共同受力，受力图如图4所示。
图4 钢板桩围堰受力图式
由受力图式可知，此结构为四次超静定结构，因计算较为繁琐，计算过程不在此详细叙述，得出最大支撑力为2734.95KN，最大弯矩为1117.59KN。
4 验算钢板桩的入土深度是否满足要求
钢板桩入土深度达4.5m，从桥位处地质勘探资料分析，持力层中无承压水，如经计算各道支撑的受力均能满足要求，可不验算钢板桩的入土深度。
5 根据求得的内力验算钢板桩的受力状态及变形情况
5.1 应力
由内力计算结果可知，Mmax=1117.59KN·M。钢板桩外缘拉应力σ=Mmax/W=123MPa＜340MPa(容许应力)，满足要求。
5.2 变形
经计算，各单元跨中变形值如表1所示。
表1 各单元跨中变形值
单元号 横向位移υ（mm）
1 7
2 10
3 2
4 5
5 3
6 3
6 验算工字钢的受力状态
6.1 轴向受力
由计算可知，最大支撑反力发生在第二道围囹处，其数值为2734.95KN，因工字钢与钢板桩连接处均采用焊接，且角撑刚度较大，不考虑其失稳，仅考虑纵向挠曲，系数取ζ=2，此时其承载力
P=292.9×10-4m2×340×106N/m2/2=4980KN，
安全系数n=4980/2734.95=1.8，其承载力满足要求。
6.2 横向工字钢的抗弯能力
假定支撑反力P=2734.95KN平均作用在横向工字钢上（长度按8.8m计算），荷载集度q=2734.95/8.8=310.8KN/M。经计算，对工字钢跨中产生的最大弯矩Ml/2=864.5KN·M。工字钢抵抗弯矩M`=1000KN·M。安全系数N=1000/864.5=1.15（此处未考虑钢板桩与工字刚的共同作用，实际情况应更为安全），承载力满足要求。
6.3 工字钢挠度
在上述弯矩的作用下，计算出工字钢的跨中挠度L=14mm，满足施工及使用要求。
7 钢板桩竖向承载力的验算
因此钢板桩围堰将利用作为钻机平台，其承受的竖向荷载有：
7.1 钻机及其配套设备自重：150KN；
7.2 支架及其他施工荷载：100KN；
7.3 钢板桩自重：1300KN；
7.4 围囹自重：300KN。
合计：1850KN
上述竖向荷载全部靠钢板桩侧摩阻力及其桩尖反力承担，查相关规范及工程地质报告，计算如下:
桩侧摩阻力P1=（13.8+9.6）×2×5.7×10=2668KN;
桩尖反力P2=117根×8.85E-3M2/根×100KPa=104KN
合计:[P]=2668+104=2772KN
安全系数N=2772/1850=1.5，承载力满足要求。
8 围堰整体稳定性验算
钢板桩围堰的整体稳定性仅表现围堰在动水压力作用下的抗倾覆能力。该动水压力与钢板桩入土深度范围内所受的土压力相平衡。因钢板桩围堰底部嵌入地基中达4.5米，在动水压力作用下所能承受的土压力要比动水压力要大的多，此处可不必验算，其整体稳定性应能得到很好的保证。
9 施工中注意事项
该钢板桩围堰在整个工程施工中极为顺利，经实测各单元的变形与计算结果相符。施工中要注意以下几点：
9.1 钢板桩的堵漏
一般的做法是在钢板桩施打过程中用棉絮、黄油等填充物填塞接缝。刚开始时我们也采用此法，效果不是很理想，后在钢板桩全部插打完毕开始抽水安装围囹时，采用一边抽水一边顺着钢板桩的接缝下溜较干细砂的方法，借助水压力将细砂吸入接逢内而达到堵漏的目的，对于变形较大的接缝在围囹安装后用棉絮塞填。经现场实施，效果非常明显，施工期间在围堰内仅设置一台潜水泵即可将漏水抽净。
9.2 围囹的安装
围囹的安装应随着抽水的深度逐层实施，安装过程中要密切注意河床水位的变化，并安排专人负责施工期间的抽水工作。值得注意的是工字钢与钢板桩的连接，由于钢板桩在插打过程中受多方面的影响，整个围堰的侧面顺直度较差，工字钢安装后与钢板桩之间有较大的间隙。为防止围堰的变形，要求将工字钢与钢板桩之间的间隙全部用型钢焊接支撑连接，围堰的四个角更应加强。
10 结束语
用理论算法进行钢板桩围堰的设计能够较为真实的反映钢板桩的实际受力状态，从而具有较大的安全性。采用逐层抽水加固的施工方案较为方便，在基底土质良好的条件下可以实现“干法施工”，不需要采取水下封底，在质量上易于保证。

参考文献

[1]涂绪勋，杨理准等. 桥涵.公路施工手册,1985

注：本文参加了2002年9月份江苏省公路学会道路专业委员会和南京战区国防交通协会公路交通专业委员会共同在南京召开的2002年全省道路学术交流会，并进行了交流。

作者信息

孟宪刚,男,1972.06出生,1994年7月毕业于南京交通学校道路与桥梁专业,同年8月分配至江苏省淮阴市公路工程总公司工作,曾先后在试验室主任、质检员、项目副总工、项目副经理、项目总工等岗位上工作，现担任江苏捷达交通工程集团有限公司工程项目经理部项目总工，助理工程师职称。1999年7月东南大学道路与桥梁专业函授本科毕业。
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