钢板桩围堰应力验算与方案优化

1、钢板桩围堰应力验算与方案优化摘要根据钢板桩围堰的实际受力情况建立力学模型。通过理论计算确定钢板桩围堰的实际受力状况，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。并根据施工中遇到的问题对既有的施工方案进行优化，以达到省时、省工、提高工作效率和经济效益的目的，能够更好的满足工程施工需要。关键词钢板桩围堰，应力验算，方案优化正文由于钢板桩围堰与其他方案相比，具有工艺简单，施工期间临时占用水面较小，安全性高，施工风险小且易于施工等优点，钢板桩围堰在桥涵基础施工中被广泛应用。因此，我单位在新帖高速四标项目中，根据工程水文、地质及施工现场的实际情况，施工组织设计的

2、总体工期安排，并结合我项目部现有的设备、人员和技术装备情况，对辽河特大桥水中墩柱施工采取了钢板桩围堰的方案，并编制了相应的专项施工技术方案。目前，对于钢板桩围堰的设计计算，主要是沿用公路桥涵施工手册和教科书中的经验算法，由于经验算法将工程中的实际结构大幅简化以达到方便计算的目的，因此，经验算法带有很大的近似性，并不一定能够真实的反应钢板桩围堰的实际受力情况，如围堰为高次超静定结构，应计算确定结构的自由度，再去掉冗余的约束来简化受力情况进行验算。因此，经验算法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和不稳定性。在我项目辽河特大桥钢板桩围堰施工过程中，为避免出现较大变形，在对钢板桩围堰

3、进行应力验算时，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，对于合理的设置支撑和减小封底厚度提供了重要的理论依据和技术保证。下面就钢板桩围堰的应力验算与施工方案优化做详细论述：一、 工程资料1、围堰尺寸 26.4（横桥向）×4.8（顺桥向），底部设计26.4×4.8×1.0m³的封底混凝土。2、围堰封底及河床高程 围堰设计封底高程为41.3m，根据设计资料，河床最低高程为43.1m，但是由于在设计文件颁发后，于2010年7月辽河涨洪水，受水流冲刷影响，河床标高下降，水位上升，水深变大，根据实测，现河床最低标高降至40.68m

4、，河床淤积深度约为50cm。3、水位情况 正常水位h常=45.98m（此时水深5.3m），最高水位hmax=46.68m（此时水深6.0m），围堰设计时按最高水位考虑。4、水流速度 因该桥位于水库下游，当水库泄水时，水流较为湍急，围堰设计时按最大水流速度考虑。设计速度1.0m/s，不考虑沿水深方向的变化。5、河床、水文、地质条件 该桥河床土质良好，地层主要为第四系粉质粘土、粉土、粉细砂、中粗砂，承载力较强，围堰基地至河床部分为粉质粘土、粉土，层厚约为2m，粉细砂，层厚约1m。二、 拟定方案结合河床地质情况及施工要求，原施工方案中采用OT2型钢板桩，但由于受到洪水影响，水位上涨，水流速度增大，静

5、、动水压力增大，采用之前的经验算法未考虑的此因素，其锁扣无法满足增大的水压，漏水严重。现拟采用日本产拉森型钢板桩进行围堰施工，长度为12m，宽度为40cm，厚度为18cm，围堰顶面标高拟定为为47.68，高出最高水位1m，所有内围檩均采用40b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），为确保整个围檩的刚度和稳定性，对每层中间一道工字钢上面加焊型钢并将上下四道工字钢用25# 槽钢焊接连接，在施工期间尽量避免吊物碰撞。三、围堰（支撑）内力计算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t（钢板桩入土深度）/3=1.37m,即系梁底2.87m处（封底混凝土厚度为1.

6、5m）。2、动水压力P=KHV²BD/2g=143.3KN式中：K-系数（槽型钢板桩围堰K=1.82.0，此处取1.8），H-水深，V-水流速度，B-钢板桩围堰的计算宽度，B=26m，D-水的重度，D=10KN/m³，g-重力加速度，g=m/s²。（参照公路施工手册，假定此力平均作用钢板桩围堰一侧，即为均布荷载）。3、河床土质为粉质粘土，阻水性较好，但考虑到插打钢板桩过程中会引起板侧土体扰动，缝隙里充满水（即孔隙水），所以考虑水压力的影响。土压力计算取用浮容重，Y=19.4-9.8=9.6KN/m³，Lj=3050KPa, =100KPa。4、经分析可知

7、围堰迎水面一侧为最不利受力面，以此为计算面。所承受的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。通过分析结构受力状况并判断所有的约束是否有效，可知此结构为四次超静定结构，分别验算第一、第二道围檩和第一、第二道支撑的最大弯矩和最大轴向力，因计算较为繁琐，过程不做赘述，计算得出最大支撑力为2734.95KN，最大弯矩为1117.59KN。四、验算钢板桩的入土深度是否满足要求钢板桩入土深度达4.12m，根据设计文件中桥位处地质资料分析,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。五、根据求得的内力验算钢板桩的受力状态及变形情况应力由内力的计算结果可知，

8、Mmax=1117.59KN·M。钢板桩的外缘拉应力=Mmax/W=123MPa<340MPa（容许应力），满足要求。变形经计算，各单元跨中变形值如表1所示。单元跨编号1234变形值（mm）71025横向位移u(mm5363六、验证工字钢的受力状态1、轴向受力 由计算可知，最大支撑反力发生在第二道围檩处，其数值为2734.95KN，因工字钢与钢板桩的连接处均采用焊接，且角撑刚度较大，不考虑其失稳，仅考虑纵向挠曲，系数取=2，此时其承载力P=292.9×104×340×106N/2=4980KN，安全系数n=4980/2734.95=1.8，其承载力

9、满足要求。2、横向工字钢的抗弯能力 假定支撑反力P=2734.95平均作用在横向工字钢上，长度按26.8/4=6.7m计算，荷载集度q=2734.95/6.7=408.2KN/M。经计算，对工字钢跨中产生的最大弯矩M1/2=864.6KN·m。工字钢抵抗弯矩M=1000 KN·m。安全系数N=1000/864.5=1.15（此处未考虑工字钢与钢板桩共同作用，实际情况下，由于钢板桩与工字钢的连接采用焊接，共同作用下应更为安全），承载力满足要求。3、工字钢挠度 在上述弯矩作用下，计算出工字钢的跨中挠度L=14mm，满足施工及使用要求。七、围堰封底砼厚度验算将围堰看作近似密封体，

10、在抽干围堰内水时，则有整个围堰将在水的浮压力作用下，有可能封底砼连同钢板桩向上位移，出现失稳现象。因此，以来计算围堰的抗浮稳定性。围堰封底厚度取1.5m，采用近似计算的方法来验算。1、封底砼自重G1=v=2.45104.8m2、封底砼与钻孔桩之间的摩擦力F1计算取砼与钻孔桩之间的摩擦应力K1=180Kpa砼与钻孔桩之间的接触面积S1=2rh18=127.235m2摩擦力F1= S1K=180 Kpa127.235m2=22902 KN3、钢板桩迎水面与围堰外侧9m厚土体之间的摩擦力F2取钢板桩与土体之间的摩擦应力K2=25Kpa钢板桩与4.12m厚土体之间的接触面积S2S2=(4.8+26.4

11、24.12=257.088m2摩擦力F2= S2K2=25 Kpa257.088m2=6427.2 KN4、钢板桩和围堰内支撑等材料自重：F3拉森钢板桩每延米自重：57kg/m,单个围堰总延米数为了LL=（4.8+26.4）2/0.418=2808m总自重G2=28080.059=1656.72 KN内支撑自重G3=2500 KNF3=21656.72 KN+2500 KN=4156.72 KN抗浮合力F= G1 +F1 +F2+F3=38142.88KN5、整个围堰总体所受的向上的水的浮力F/F/=vg =18120.96 KN计算可得最终浮力F/=18120.96 KN由计算结果可得：抗浮

12、合力F =38142.88KN 水的浮力F/=18120.96 KN安全系数K=38142.88/18120.96=2.10，安全。将围堰看作近似密封体，则有围堰底部在水的压力作用下将上浮。实际中，钢板桩打入土体，在粘土和砂土中所受的水的浮力，远达不到在近视于受纯水的浮力52052KN，实际上安全系数还比现在计算要大。故围堰封底厚度取1.5m安全。八、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承受的土压力相平衡。因钢板桩围堰底部嵌入地基中达4.12m，在动水压力作用下所能承受的土压力要比动水压力要大得多，此处可不比验算，其

13、整体稳定性应能得到很好的保证。九、根据计算结果优化方案该钢板桩围堰在整个工程施工过程中极为顺利，经实测各单元的变形情况在计算结果的范围内。施工过程中，我们根据采取理论算法进行的应力验算，并结合工程施工的实际情况对钢板桩围堰施工原有的方案进行了优化。1、钢板桩类型的选择 之前我们采用的OT2型钢板桩，由于其锁口形式无法满足辽河洪水之后水位上涨后的水压，我们更换了拉森型钢板桩，并对其进行应力验算，经实践检验，拉森型钢板桩能够较好的承受增大的水压力，其变形值在计算结果的范围内。虽然，拉森型钢板桩比OT2型钢板桩的租金要高一些，但是，在总体施工过程中，包括后期处理漏水产生的费用，堵漏延误的工期等，其经

14、济效益还是要高于之前的方案。如14#墩为涨洪前施工的围堰采取的是之前的方案，涨水后，受水流冲积影响，河床标高下降，水位上涨，围堰底部以及锁口无法承受水压，以致从板桩底部，锁口处大量漏水，两台潜水泵都无法抽干渗水，为了不致产生更高的费用，我们雇佣了专业的潜水员，潜入围堰内进行堵漏，并在脱离河床的围堰一侧，采取抛堵沙袋的方案，抛投了近5000沙袋方能承受得住底部涌水，其产生的费用已经远超高出的租赁费用。2、钢板桩的堵漏 在原施工方案中我们既定的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，但是效果不是很理想，后在钢板桩全部插打完毕后，开始抽水安装围檩及内支撑时，采用一边

15、抽水一边顺着钢板桩的锁口接缝处下溜较干细砂拌合木屑的方法，借助水压力将细砂木屑混合物吸入锁口接缝内而达到堵漏的目的，对于变形较大的接缝在围檩安装后用棉絮填塞。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，大大节省了工时。3、围檩及支撑的安装 围檩的安装随着抽水的深度逐层实施，安装过程中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，防止在抽水过深，支撑没有安装好的情况下，板桩无法承受过大的水压而倾覆，这在之前的方案中是没有提及到的。值得注意是，工字钢与钢板桩的连接，由于钢板桩在施打过程中受方面条件的影响，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

16、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，围堰的四个角更要加强，这样便在很大程度上杜绝围堰发生倾覆的危险，也能保证钢板桩围堰的受力情况与理论计算的情况相符。4、封底混凝土厚度的设计 通过对封底砼厚度的验算，我们知道在1.5m厚的C25混凝土是能够满足浮力要求的，在安全的前提下，我们是否可以减小混凝土厚度呢？ 厚度为多少仍能满足安全系数的要求呢？通过计算我们知道封底顶面拉应力：拉=0.064MPa，封底地面的压应力：压=0.724MPa。查规范，C25砼允许拉应力：拉=0.11MPa,允许压应力：压=11MPa，可见基底的压应力与拉应力很小，可以根据地质

17、情况适当的减小封底砼厚度。另外，在围堰的计算中考虑了以下的有利因素：有上浮趋势时土体对围堰的向下摩阻力；钢板桩自重的作用于封底混凝土的抗浮力；桩基的锚固力。在围堰的计算时，上述前两项有利因素较难定量计算，但应考虑其有利方面，计算时可减小其取值或取做安全范围来考虑，不应舍弃这部分有利因素。同时，应正确估计施工进度以合适的水位来计算围堰所受的浮力，使封底厚度尽可能小，达到减小桩基受力，降低施工成本。如在15#墩钢板桩围堰施工过程中，由于，围堰底部一侧为施工准备阶段所填筑的山皮石料，地质较好，有较好的抗浮能力和抗涌能力，所以，在封底过程中，我们根据围堰内的地质情况，在地层不好的一侧，按设计封底厚度1.5m进行施工，并向地质较好