钢板桩受力计算.doc

钢板桩围堰的设计与施工薛保民 摘 要 本文结合237省道淮安段淮河入海水道、苏北灌溉总渠大桥钢板桩围堰设计与施工的工程实践，初步探讨了钢板桩围堰在桥梁深水基础中的应用。 关键词 钢板桩围堰 设计 施工 前言钢板桩围堰施工是桥梁建设应用广泛且成熟的施工工艺，主要适用于内陆河道或水库围堰法施工水下承台。237省道淮安段淮河入海水道、苏北灌溉总渠大桥主墩承台就采用钢板桩围堰的施工方法，本文就钢板桩围堰的设计与施工作简要的介绍。1、工程概况237省道淮安段淮河入海水道、苏北灌溉总渠大桥位于淮河入海道淮安枢纽下游7KM处，南北走向，桥墩轴线与水流方向基本一致，起讫点桩号为：K38+491.20K39+811.400，桥梁全长1320m，全桥结构布置形式为：430+430+540+540+（56.5+390+56.5）+330+425+425，18#-23#墩为本桥的第五联，上部结构为挂篮悬浇箱梁，群桩基础，左右幅独立承台，其中18#墩位于入海水道北偏泓中，19#墩位于南北偏泓之间的河堤上，靠近南偏泓，20#墩位于灌溉总渠中堤左侧坡脚下，21#22#位于灌溉总渠内，23#墩位于328省道南侧路肩上。18#、23#墩为边跨墩，承台尺寸8.4m7m2.5m，19#、20#、21#、22#墩为主跨墩承台尺寸为10.7m10.7m3.2m，18#墩承台底标高为-3.3m，19#墩承台底标高-4.0m，20#墩承台底标高-2.7m，21#墩承台底标高-0.3m，22#墩承台底标高-1.7m，23#墩承台底标高9.75m。2、钢板桩围堰尺寸及数量2.1、钢板桩围堰尺寸考虑左右幅承台距离比较近，左右两个承台采用一个钢板桩围堰施工，同时考虑承台施工时施工空间需要，围堰与承台之间预留1.5m操作空间。另外考虑钢板桩每根宽0.4m，围堰每边尺寸按照0.4m倍数考虑。选定：边墩承台钢板桩围堰平面尺寸为10m24.8m，主墩承台钢板桩围堰平面尺寸为12.8m26.8m。2.2、钢板桩型号及数量钢板桩的型号采用拉森型，长度为15米及12米。序号主墩台号承台底标高（m）河床标高（m）常水面标高（m）钢板桩顶面标高（m）拟用钢板桩长（m）入土深度（m）备注118#-3.30.52.03.0125.2边墩219#-4.01.83.04.0156.5主墩320#主墩明挖421#-0.33.156.57.5156.7主墩522#-1.73.566.57.5155.3主墩备注：承台下混凝土封层厚0.5m2.3、围堰围囹型号及数量序号主墩台号第一道围囹第二道围囹工字钢型号数量（m）工字钢型号数量（m）118#双拼I36b 22（24.8+10）三拼I40b23（24.8+10）219#双拼I36b 22（26.8+13.6）三拼I40b23（26.8+13.6）321#双拼I36b 22（26.8+13.6）双拼I40b22（26.8+13.6）422#双拼I36b 22（26.8+13.6）三拼I40b23（26.8+13.6）合计3、钢板桩围堰设计计算21#、22#墩都在灌溉总渠中，地质条件大体一样，22#墩承台埋深较大，以22#墩承台为模型设计计算钢板桩，如下图：已知：土的饱和重度为：20KN/ m3，内摩擦角=15，内聚力c=40Kpa，正常水位6.5m，最高水位7.5m。采用拉森型钢板桩W=2037cm3，=200Mpa，土的容重为20KN/m3，水的容重为10KN/m3。3.1、钢板桩长度计算根据钢板桩的不同施工阶段的工况分为三种：3.1.1工况一：安装好第一层围囹，抽水、挖土至第二层围囹时。如左图：第一层围囹受力最大，根据单锚浅埋板桩计算规则，假定上端为简支，下端为自由支撑，因为是粘性土，且水压力比较大，墙后主动土压力不考虑，仅考虑水压力，被动土压力取安全系数为1.5，为使钢板桩保持稳定，则水压力和被动土压力对A点的力矩应等于零，即，解之得t=1.59m根据钢板桩的入土深度，求钢板桩的受力M=109KN.m和支点反力R=60KN，则钢板桩应力为，入土深度t小于实际入土深度5.3m，钢板桩弯应力=53.5Mpa=200Mpa，此工况满足要求。3.1.2工况二：安装好第二层围囹，继续抽水挖土至承台封底高程-2.2m，此时钢板桩受力最大，围囹支撑受力也最大，如下图。按照偏安全考虑，不考虑第一层围囹的影响，按照单锚支撑作用在A点计算第二层围囹，水压力和被动土压力对A点的力矩应等于零，即，解之得t=3.96m根据钢板桩的入土深度，求钢板桩的受力M=297KM.m和支点反力R=348KN，则钢板桩应力，入土深度t小于实际入土深度5.3m，钢板桩弯应力=145Mpa=200Mpa，此工况满足要求。3.1.3工况三：施工好承台，放水到围堰内拆除第二道围囹，这时第一道围囹和钢板桩受力分析。如下图：此时钢板桩内有被动土压力和水压力及承台对基坑底的压力q=92.5kpa，为使钢板桩保持稳定，则水压力和被动土压力及围堰内水压力对A点的力矩应等于零，即，解之得t=0.94m根据钢板桩的入土深度，求钢板桩的受力M=355.7KM.m，支点反力为R=125KN。则钢板桩应力，入土深度t小于实际入土深度5.3m，钢板桩弯应力=175Mpa=200Mpa，此工况满足要求。根据上面三种工况分析，22#主墩钢板桩围堰采用15m长钢板桩，入土深度为5.3米是满足施工要求的。3.2、围囹支撑计算第一道围囹的最大支点反力R1=125KN（在第三种工况时），第二道围囹的最大支撑反力R2=348KN（在第二种工况时），为方便主墩墩身施工，本工程围囹支撑设计如下图：第一层围囹支撑布置图3.2.1、第一道围囹支撑验算第一道围囹受均布荷载q=125KN/m,根据支撑布置，取跨径最大的一边验算围囹受力，M=229KN.M，Q=327KN。验算最长的斜支撑杆件L2=6.11m，承受压力N=614KN。计算结构模型图弯矩图剪力图围囹采用II36b，支撑也采用II36b，W=919cm3，A=83.68cm2，围囹应力为：,，满足材料要求。验算支撑的稳定性，求压杆的柔度材料软度小于2，属于小柔度构件，材料破坏受强度控制，压杆受力为，符合材料要求。3.2.2、第二道围囹支撑验算 第二道围囹受力q=348KN/m，围囹支撑布置见下图： 第二层围囹支撑布置图取跨径大的一边作为研究对象，如下图：弯矩图剪力图根据弯矩和剪力图得第二层围囹受最大弯矩M=401KN.m，Q=645KN，支撑反力R1=717KN，R2=1119KN，围囹材料采用三拼I40b，W=1140cm3，A=94.112cm2，支撑材料采用4007mm钢管桩，L1=3.59m，L=7.18m。围囹应力为：,，满足材料要求。以最长的支撑杆件为研究对象，验算支撑的稳定性，求压杆的柔度，属于小柔度构件，材料破坏受强度控制，压杆受力为，符合材料要求。3.3、基坑底的隆起验算1.2。故坑底不会产生隆起。3.4、基坑底的管涌验算：根据地质报告，承台处土质为粘土、亚粘土，无透水性，但是为了安全考虑，故验算抗管涌系数，根据公式，不发生管涌的条件为：，故是安全的，4、钢板桩围堰的施工4.1钢板桩整理4.1.1 钢板桩运到工地后，需进行整理。清除锁口内杂物(如电焊瘤渣、废填充物等)，对缺陷部位加以整修。4.1.2 锁口检查的方法：用一块长约2米的同类型、同规格的钢板桩作标准，将所有同型号的钢板桩作锁口通过检查。检查采用卷扬机拉动标准钢板桩平车，从桩头至桩尾作锁口通过检查。对于检查出的锁口扭曲及“死弯”进行校正。4.1.3 宽度检查及目的：对于每片钢板桩分为上中下三部分用钢尺测量其宽度，使每片桩的宽度在同一尺寸内，对于肉眼看到的局部变形可进行加密测量。对于超出偏差的钢板桩应尽量不用。4.1.4 对于桩身残缺、残迹、不整洁、锈皮、卷曲等都要做全面检查，并采取相应措施，以确保正常使用。4.1.5 锁口润滑及防渗措施，对于检查合格的钢板桩，为保证钢板桩在施工过程中能顺利插拔，并增加钢板桩在使用时防渗性能。每片钢板桩锁口都须均匀涂以混合油，其体积配合比为黄油：干膨润土：干锯沫5：5：3。4.2 钢板桩的插打运输对于处理好的钢板桩，在堆放和运输中，要避免碰撞，防止弯曲变形。钢板桩采用船只运输。4.3 钢板桩的起插及过程控制4.3.1 考虑到起吊设备和振动设备等因素，钢板桩围堰采用逐片插打。打桩机采用振拔锤。4.3.2 各项准备工作就绪后，将事先加工好的定位桩精确垂直安设于预设位置，并用与导梁工字钢焊接牢固，确保插打第一片钢板桩的垂直度。第一片钢板桩以导梁（导向架）为定位、垂直插（此项工作应反复仔细校正钢板桩位，确保垂直）至设计标高。其余各钢板桩，则以已插好的钢板桩为准，起吊后人工扶持插入前一片钢板桩锁口，然后用振拔锤振动下沉。振拔锤初始采用点振下沉，待板桩垂直度符合要求后连续振入下沉。插入桩位的钢板桩需紧靠导梁 。插打一片或几片后，将已插好的钢板桩点焊固定于导梁上。整个施工过程中，要用锤球始终控制每片桩的垂直度，及时调整。插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合拢”的施工要点。4.4 钢板桩的插打秩序及合拢4.4.1 钢板桩的插打次序一般从上游中心开始，下游尾部直线端结束。插打时尽可能先用标识完好的钢板桩，合拢段选择符合同一标准尺度的钢板桩插打。4.4.2 待钢板桩施工完毕，即在设计围囹标高时进行围囹架设。抽水至设计围囹标高时围囹架设。各围囹斜撑采用不低于同等级的工字钢制作，施工时按设计高程预先焊好角钢短牛腿作为临时支撑，待各围囹安装并连接就位后，再与钢板桩焊接牢固。围囹合拢段按实际丈量长度在现场加工改制。4.4.3 支撑制作步骤为：在支撑位置施焊三角限位钢板安装支撑设围堰上限位钢板支撑与围框加焊。支撑制作完成后用硬木楔塞紧板桩与围框之间的间隙。4.5 封底施工4.5.1 水下吸泥：吸泥可采用射水、吸泥和抓泥交替进行施工。也可根据实际情况采用挖掘机挖除，抽水至围囹标高加工第一道围囹及斜撑。开始用抓泥机抓取泥土或采用射水吸泥清除泥土，必要时潜水员水下射水吸泥，放入排泥船进行弃运。吸泥结束后仔细检查，特别注意桩周土必须清除干净，基底平整，高低差不得大于15cm，在吸泥过程中专门派人值班，密切注意板桩变形及堰内外水位差，以便及时处理和补水。4.5.2 干处挖泥：挖泥一般采用抓泥机、挖掘机等，也可根据实际情况采用射水吸泥法清除泥土。抽水至围囹标高加工第一道围囹及斜撑。开始用抓泥机抓取泥或采用射水吸泥清除泥土，放入排泥船进行弃运。挖泥结束后详细检查，特别注意桩周土必须清除干净，基底必须平整，高低差不得大于15cm，在挖泥过程中专门派人值班，密切注意板桩变形及堰内外水位差，以便及时处理和补水。4.5.3 吸泥时吸出的泥土严禁堆放在钢板桩四周，及时用船外运，以免增大堰外侧压力。吸泥后堰内土面平整度控制在15cm左右，采用测绳多点测量控制。4.5.4 吸泥后要注意桩头周围土必须清除干净，须多次、仔细验收每块钢板桩及桩头角隅，验收合格后方可终止。清基时不要过分扰动钢板桩边缘土层，以免引起翻砂。靠近钢板桩附近的泥砂较难吸出，用软管以0.30.5Mpa的水压将泥砂冲出。施工中尤其注意钢板桩角隅泥土应清除到位。4.5.5 完成围堰下沉以及围堰内取土后，进行浇筑平台的搭设。4.5.6 封底砼达到设计强度后即抽水，抽水后根据围囹设计完成围囹支撑制作。4.5.7 抽水：支撑做好后即可抽水，抽水利用多台砂泵连续不断的进行，在抽水过程中需派专人负责观测及堵漏工作。主要观测钢板桩的变形，并备好备用砂泵，以免发生问题及时向围堰内回水；对于大的缝隙由潜水员下水利用棉絮塞缝，对于小的缝隙利用煤渣、黄油、木屑的混合物在板桩外侧随水夹至漏缝处自行堵塞。4.5.8 至封底顶面标