钢板桩围堰施工设计

钢板桩围堰施工设计

张松能

中国水利水电第十四工程局有限公司云南昆明650000

摘要：本文通过工程实例，简述水中承台在采用拉森钢板进行围堰施工时，如何对拉森钢板桩围堰进行施工设计。

关键词：拉森钢板桩；水中承台；围堰施工设计

0引言

钢板桩于20世纪初在欧洲开始生产，并迅速在世界各地特别是工业发达国家得广泛应用。20世纪50年代，我国首次在铁路桥梁围堰施工中，由铁道部大桥局从原苏联引进使用。由于受廉价土地资源及人力资源的影响，加之当时国内生产基本处于空白状态，作为金属建材的钢板桩，在我国的应用与发展仍然十分缓慢。随着我国经济的快速发展，种类快捷、市郊、环保的建筑工法得以认可并推广发展，20世纪末，我国的钢板桩应用已经有一定的发展。由于钢板桩结构特殊，因而具有独特的优点：高强度、轻型、隔水性能好；耐久性强，使用寿命达到20～50年；可重复使用，一般可使用5～10次；环保效果显著，在施工中可大大减少取土量和混凝土的使用量，有效保护土地资源；具有较强的救灾抢险的功能，尤其是在防洪、塌方、塌陷、流沙的抢险救灾中，见效特别快；施工简单，工期短，费用省等特点。于是，当今钢板桩的应用贯穿并延伸到整个建筑工业，从传统的水利工程、民用工艺、铁路和电车轨道的应用一直到环境污染的控制。

1工程背景

新建贵阳至广州的客运专线铁路的黄落绥江大桥的2号墩位于广东省肇庆市怀集县坳仔镇境内的绥江中。枯水期2号墩桥址处水位标高为△EL41.0m，江底最深处高程为△EL33.58m，江水深7.42m；2号墩承台长×宽×厚=15.8m×10.2m×4.5m，承台顶面高程为△EL36.438m，底面高程为△EL31.938m；承台底至江面高度为9.062m，承台底至江底最小高度为1.642m。

桥址区地层岩性第一层为第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）圆砾土：分层厚度为7.9m，内摩擦角φ=230，γ1=19.0kN/m3，K1=1.2，主动土压力系数：Ka1=tg2(45-φ/2)=0.438，被动土压力系数：Kp1=tg2(45+φ/2)=2.28。第二层为寒武系八村群第二亚群强风化粉砂岩：分层厚度大于10m，内摩擦角φ=300，γ2=20kN/m3，K2=1.8，主动土压力系数：Ka2=tg2(45-φ/2)=0.333，被动土压力系数：Kp2=tg2(45+φ/2)＝3.0。

2承台围堰设计

基于工程实际情况，承台安排在枯水季节施工，且承台混凝土分两次浇筑。承台围堰采用拉森Ⅳ型钢板进行围堰，围堰平面尺寸长×宽=18.8m×13.2m，拉森钢板桩长度为17.5m；拉森钢板桩的顶端高程为△EL42.0m，预留1m枯水季节水位差，底端高程为△EL24.5m，底端至江底最小高度为9.08m，至承台底高度为7.438（含1m的封底砼厚度）；钢板桩围堰内部设置3层3根45b工字钢并联围囹，同时设置3层2根45b工字钢并联水平支撑,围囹和支撑工字钢并联处全封满焊，并用Ф25钢筋进行捆绑，第一层支撑高程为△EL34.438m，第二层支撑高程为△EL36.938m，第三层支撑高程为△EL39.438m。

围堰立面图

支撑平面图

钢板桩采用拉森Ⅳ型，材质为16Mn，钢板桩长度17.5m，，弯曲应力。内支撑材质Q235，轴向应力，弯曲应力，剪应力。

3钢板桩受力计算

钢板桩围堰设计3层支撑，把承台基坑分成4层，故按4层开挖，于是钢板桩的受力检算需分成4种情况。第一种情况开挖后为悬壁状态，只需检算开挖深度小于最大允许悬壁长度即可；第二、三、四种情况开挖后加上支撑均为超静定结构，只需检算最不利位置的反弯点是否位还位于用于检算的未开挖土层中，由未开挖土层抑制反弯点的产生，因上下均有支撑，分层高度的一半小于悬壁长度，故不需再检算层间的受力；4种情况的受力验算完成后，取受力最大值检算钢板桩的抗弯强度；最后检算钢板桩的长度是否满足要求。

3.1第一种情况

第一次开挖至△EL38.938m（第三道支撑底0.5m）时，钢板桩悬臂长度为2.56m（地面△EL41.5）。按水土合算考虑计算，钢板桩的最大允许悬壁长度为：

＝

检算结果表明：2.56m＜3.08m，钢板桩强度满足要求，合格。

3.2第二种情况

第二次开挖至△EL36.438m（第二道支撑底0.5m）时，第一层支撑已安装，最不利位置的反弯点位于第三层支撑以下。利用钢板桩内外侧土压力等于零的点作为反弯点位置，假定计算其离基坑底面的距离y，在y处钢板桩主动土压力强度等于被动土压力强度：

式中：－基坑底面处钢板桩墙后的主动土压力强度值；

K－被动土压力修正系数；－水容重；－土体容重；

－基坑开挖深度，；

基坑底面距反弯点距离为：

反弯点位置为:y+h=0.965+5.062=6.03m

检算结果表明：6.03m＜7.9m，反弯点位于未开挖的圆砾土层中，满足要求，合格。

3.3第三种情况

第三次开挖至△EL33.938m（第一道支撑底0.5m）时，第一、二层支撑已安装，此时第二道支撑受力处于最不利位置。

基坑开挖深度：，开挖底面到强风化粉砂岩层顶面的距离为7.9-7.562=0.338m。

基坑地面处钢板桩外侧主动土压力值为：

基坑底面距反弯点距离为：强风化粉砂岩采用水土分算法。

检算结果表明：1.28m＞0.338m，反弯点位于未开挖的强风化粉砂岩中，满足要求，合格。

3.4第四种情况

第四次开挖至△EL30.938m（基坑底面）时，第一、二、三层支撑已安装，此时第一道支撑受力处于最不利位置。

基坑开挖深度：。

基坑地面处钢板桩外侧主动土压力值为：

基坑底面距反弯点距离为：

检算结果表明：反弯点位于未开挖的强风化粉砂岩中，满足要求，合格。

3.5钢板桩抗弯强度检算

受力情况最不利情况为第四种情况，内力情况如下：

荷载(kN/m)及弯矩图

支撑反力图

F31=296.1kN，P0=136.4kN，M3max＝205.4kN·m

钢板桩抗弯强度为：

检算结果表明：满足要求，合格。

3.6钢板桩长度检算

采用等值梁法计算原理，土压力零点处的支撑反力与该点以下钢板桩土压力对桩底的力矩平衡，假设土压力零点以下钢板桩埋深为x，建平衡方程：

则钢板桩入土深度为：t0＝x+y＝2.0+4.02＝6.02m，

钢板桩长度L＝0.5+10.562+6.02＝17.1m。

检算结果表明：17.1m＜17.5m设计钢板桩长度，满足要求，合格。

4内支撑受力计算

将边梁及内支撑建立为一个整体平面刚架结构，受力为超静定结构，取荷载最大的第一道支撑反力用迈达斯软件进行有限元分析。通过软件分析计算，长边中支撑点组合应力值最大值为206MPa>[σ]=180MPa,但最大值主要由于应力集中造成，实际结构支撑各杆件在此处会分布在较宽范围，会大大减小该处的应力集中。由于其它各处应力均较小，所以可以认为结构满足强度要求。

支撑最大剪力应力值：

检算结果均表明：满足要求，合格。

5结束语

围堰施工设计后用理论公式给合软件应用进行检算，结果均能满足要，且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。现场实际施工情况也表明此施工设计方案取得成功，采用此方法进行逐层开挖，分层加固抽水的施工设计方案较为方便，封底后可以实现“干法施工”水中承台，在质量和安全上易于保证，值得推广应用。