拉森钢板桩计算.doc

钢板桩设计

1.1 地质状况
本工程项目座落在张家港市北部长江南岸张家港化工保税区内。
厂区位于长江冲积平原的河漫滩地，地形平坦。原自然地坪标高较底，场地平均高程106.20m，现已采用吹砂回填，将厂区地坪标高提高。根据地质报告，本工程土质上层为吹填砂，以下分别为粉质粘土夹粉土；粉细砂夹粉土，土的抗压、抗剪强度均较低，且难以采取有效的降排水措施。目前厂区内地下水位较高，土质松软，地质情况较为复杂。
该区地质结构断面如下图所示：

1.2 电梯井形状
本工程结构形式如下。目前基坑结构长13.50米，宽10.35米，基坑底标高EL.98.55m，基坑深度7.65米。池壁每一侧考虑2.0米宽的工作面，则支护结构的尺寸为长17.50米，宽14.40米。

2 支撑式钢板桩挡土墙的构造
本工程采用内撑钢板桩挡土墙结构。其主要由钢板桩、支撑二部分组成，钢板桩起承受水平土压力防止土体沿滑动面滑动以及阻隔地下水的作用。它的稳定主要靠两道钢支撑使钢板桩保持垂直、稳定，并确保两侧土体不向基坑内发生位移，钢板桩应插入土体一定深度，防止土体滑动和基坑向上隆起。支撑式钢板桩支挡结构简单且便于施工，整个支挡系统均在基坑开挖过程中完成，作业（包括支撑和挖土）十分安全，施工质量容易保证，且较经济。3 钢板桩设计
其钢板桩和内钢支撑布置示意图如下：

EL.105.700

EL.104.850

钢板桩钢支撑立体布置图

安全围栏

EL.103.250

EL.100.250

电梯井钢板桩平面布置图

安全围栏

上下通道

1.0m宽

13500

2000

2000

12m钢板桩

2000

4500

2000

钢板桩围檩及内支撑平面布置图

工字钢400×400围檩

φ377×10钢管支撑

φ630×12钢管支撑

4500

4500

本工程钢板桩采用Ⅳ型拉森钢板桩，长度为12m,宽度400mm。（即每2.5块1m）。钢板桩水平围檩采用40号工字钢，内支撑采用Φ630×12的直撑钢管和Φ377×10的斜撑钢管。
为此，共需12米长的钢板桩数量：
N =（A+B）×2÷0.4 =（17.5+14.35）×2÷0.4 = 160根。
本方案基坑开挖深度最深按6.30m计算，设二道水平支撑。第一道水平钢支撑中心布置在103.25m处，第二道水平钢支撑中心布置在100.25m处，这样下道支撑距基坑底约为1.70m。
4 钢板桩支撑体系设计及验算以及基底土抗隆起验算
对内支撑基坑，造成基坑失稳的直接原因一般可归纳为两类：结构不足（墙体、支撑等的强度或刚度不足）和地基土强度不足。
根据地质资料和现场实际情况分析，本工程可不考虑管涌和承压水，不进行钢板桩的抗渗透稳定性验算。本设计主要计算钢板桩、围檩、支撑在施工全过程中的强度和稳定性，以及为防止基坑整体滑动和基底土隆起所需的钢板桩插入深度。
根据地质报告，计算出排水管道施工区域土的有关加权平均指标如下：
γ=18KN/m3 φ=20º C=8kpa
本设计计算时取C=0，不考虑地下水的作用。仅考虑被动土压力修正系数k=1.6（见《深基坑工程设计施工手册》P.286），
4.1 土压力计算
主动土压力系数Ka=tg2(45º-20º/2)=0.49
被动土压力系数Kp =tg2(45º+20º/2)=2.04
被动土压力修正系数k=1.6，则：Kp=kKp=3.264
如图A所示，图中B点为R1和R2间的中间点(1/2点)，C点为R2与基坑底面间的中点。近似计算时，即认为R1等于e0与e1间的三角形荷载，R2等于e1与e2间的梯形荷载，土压力为：ei=KaγHi。另考虑基坑边土体和机械行走等产生的附加荷载，按20KN/m2计算。
上式中Hi为土压力计算高度。
其中H1=1600；HB=3100； H2=4600；HC=5450；H3=6300。
经计算： e0=0
e1= KaγH1= 0.49×18×1.6=14.112KN/m2
eB= KaγHB= 0.49×18×3.1=27.342 KN/m2
e2= KaγH2= 0.49×18×4.6=40.572 KN/m2
eC= KaγHC =0.49×18×5.45=48.069 KN/m2
e3= KaγH3= 0.49×18×6.3=55.566 KN/m2
设支撑间间距均为L=4.50m，则通过公式：
Ri={[(en +en+1)/2] *hn+1+ qKa*hn+1} L可计算出支撑反力R1、R2
上式中h0=0；h0B=3.1m；hBC=2.35m；Q=qKa=20×0.49=9.8 KN/m2。
则：R1= [(0+27.342)÷2×3.1+20×0.49×3.1]×4.5=327.420 KN
R2=[(27.342+48.069)÷2×2.35+20×0.49×2.35]×4.5=502.371 KN

e0

e1

eB

B

1

2

C

3

S

O

M

e4

Pp

e3

Pa2

ec

Pa1

qka

R1

R2

q = 20kN/m2

图A：钢板桩支护计算示意图

4.2 钢支撑强度和稳定性验算
本工程二道长钢支撑均采用φ630×12钢管。已知Rmax=502.371KN，A=232cm2, ｒ=21.8 cm，[f]=200Mpa。取安全系数为K=2.0。
A、对钢管支撑长度15.0 m的直钢管，其长细比λ=115.38，查表得φ=0.5。
则由公式N/（φ×Α）≦[f]/ K可计算出15米长直支撑满足稳定性要求的允许压力为：
Nz=1160 KN >Rmax=502.371 KN 符合要求。
本工程二道钢斜支撑均采用φ377×10钢管。已知Rmax=502.371KN，A=115cm2, ｒ=13.0 cm，[f]=200Mpa。取安全系数为K=2.0。
B、对钢管支撑长度约6.0m的斜钢管，其长细比λ=46.15，查表得φ=0.903。
则由公式（N/（φ×Α）≦[f]/ K可计算出6米长斜支撑满足稳定性要求的允许压力为：
Nx=1038.45 KN >√2 Rmax=710.353 KN 符合要求。
由此可见支撑的强度和稳定性均满足要求。
4.3 钢板桩抗弯验算
两道支撑间及下道支撑与基坑底面之间的钢板桩弯矩可以近似按照两端简支梁承受梯形荷载计算。查《静力计算手册》，可按以下公式计算钢板桩的最大弯矩：
Mmax=[q2L2/6]·{[2υ3-μ（1+μ）]/（1-μ）2}
上式中 μ= q1/q2；υ=√（μ2+μ+1）/3
μ12=0.475 μ23=0.771
υ12=0.753 υ23=0.888
由此可计算出：
A、两道支撑间之间钢板桩的最大弯矩为:
MmaxB=(50.37×32÷6)×{[2×0.7533－0.475(1+0.475)]÷(1－0.475)2}
=42.031 KN.m/m
B、下道支撑与基坑底面之间钢板桩的最大弯矩:
MmaxC=(65.37×1.72÷6)×{[2×0.8883－0.753(1+0.753)]÷(1－0.753)2}
=10.256 KN.m/m
Ⅳ型拉森钢板桩W=2043cm3/m，安全系数K=2。
fmax= MmaxB/W=42031/（2043×10-6）=20.573Mpa＜[f]/2=100Mpa
因此钢板桩的抗弯强度可以满足要求。
4.4 工字钢围檩抗弯抗压验算
（1）、抗弯验算
本工程围檩采用40号工字钢，详见平面布置图。支撑与围檩连接的计算简图见图B。

4500

150

150

4200

钢管支撑

40#工字钢围檩

钢板桩

图B

已知作用在下道围檩的均布荷载较大，为Q=R2/4.5m=111.638KN/m，40#工字钢对其x—x轴的截面系数 W=1090cm3；f=200Mpa。
将围檩视为多跨连续梁，净跨度仍按4.2m计算，最大弯距在跨中，若安全系数取K=2.0。计算时按两跨连续梁计算，则查《静力计算手册》可得：
Mmax=0.07QLj2=0.07×111.638×4.22=137.850 KN-m =1378500N-cm
Mmax/W=1378500/1090=1264.680N/cm2 < f/2.0=10000N/cm2
符合要求。
（2）、压弯验算
当斜向支撑作用在围檩上时，围檩是压弯构件，因此还应进行围檩在压弯状态下的强度。
按公式（N/An）+[Mx/（γx ·Wnx）]≤f计算
上式中γx——截面塑性发展系数，取1.05；N——轴心压力，为502.371；An——净截面面积，为86.1cm2；Mx——最大弯矩；Wnx——截面矩。
则：（N/An）+[Mx/（γx ·Wnx）]
= (502.371/86.1)+[13785.0/(1.05×1090)]

=17.88 KN/cm2 < f=20 KN/cm2 符合要求。
从以上计算可知，当支撑间距为4.5米时，工字钢围檩可以满足要求。
考虑到影响土体侧压力的因素很多，为了确保整个支撑体系的稳定、安全，现场应配备足够的Φ377钢管和40#工字钢，以便对可能发生的支撑体系变形进行加固。所有钢结构焊缝均应满焊，焊缝厚度应符合钢结构规范的要求。
4.5 钢板桩变形验算
按图A计算简图计算，1、2两点间钢板桩所受弯矩最大，因此只计算该跨的钢板桩最大变形量，按梯形荷载一端固定、一端简支计算，参照《建筑结构静力计算手册》P.161，其计算公式为：
fx=l3x[5q1（1-3ξ2+2ξ3）+2q0（1-2ξ2+ξ4）]/240EI
上式中：
l——3.0m；
q1——e1+qKa=23.912 KN/m；
q0——e2-e1=26.46KN/m；
ξ——x/l ；1点处ξ1=0，跨中ξ0=0.5；
E——钢板桩弹性模量=206×103 Mpa=206×102 KN/cm2；
I——钢板桩截面惯性矩=31.95cm4/m；
X——1点距变形计算点的距离。1点处X1=0，跨中X0=1.5m。
① 1点处钢板桩位移：
f1= l3X1[5q1+2q0]/240EI=0
② 跨中B点处钢板桩位移：
f0= l3X0[5q1（1-3ξ2+2ξ3）+2q0（1-2ξ2+ξ4）]/240EI
f0=0.08cm
以上计算所得数值满足三级基坑围护结构位移值的要求，该变形量不会造成基坑周边土体的扰动，因此围护结构和周边建构筑物是安全的。
4.6 坑底土抗隆起验算
由于基坑下部为深厚软土层，因此需验算坑底软土的承载力。如图C所示，采用此滑动模型进行验算。先以O为圆心，以OB为半径作圆，交坑底水平线于E、F。再由E作垂直线交地面线于D。
设想滑动面为DEBF。并设地面有临时荷载q=20KN/m2。取C1=C2=8Kpa。(不计算基坑内土的抗滑作用)
此时抗滑力矩 = C1HOB+(1/2) C2πOB2
滑动力矩 =（1/2）（q+γH）OB
取抗滑系数K=1.5
则2[C1HOB+(1/2)C2πOB2]/(q+γH)OB≥1.5
计算出OB=3.95m，实际取1.2*OB=4.7m，这样偏于安全。
因此钢板桩理论计算长度为0.4+6.3+4.7=11.4m，而本工程钢板桩的实际总长度为12m，此时坑底土不会出现隆起现象。

F

A

O

B

E

D

γH

q

C2

C2

C1

图C

多项施工实例阐明了拉森桩在围护措施上所显示的作用，大力推广拉森桩在特殊土层条件的运用，勇与创新，大胆尝试，敢于充当做第一个吃螃蟹的人,展望未来数年拉森桩在我国将产生一次大的飞跃。
钢板桩施工方案
    一、工程概况:
    宁波市综合办案楼改建工程消防水池及水泵房位于底层U∽H轴×1∽4轴间,其平面尺寸为10.2M*15.0M,消防水池及水泵房承台底挖土深度为3.5M,其北侧2.5M处为2层临时宿舍楼,东侧2M处为2层原有砖混结构办公楼。其周围的堆载较大,挖土深度又较深,考虑到工期及成本,拟采用钢板桩支护方案。
    二、钢板桩围护的设计
    消防水池基坑设计土方挖深为-3.5米,基坑北侧为临时宿舍,东临建筑物,为保证安全施工及周边建筑物不受影响,基坑北侧与东侧采用钢板桩围护,设计选用8米长拉森Ⅲ型(60Kg/m)钢板桩,基坑挖深为3米左右,钢板桩入土深度取5米长。
    2.1、防倾覆计算(如图一示)
    根据工程勘察报告,钢板桩所处土层为淤泥质粘土,土的重度γ=17.6内摩擦角р=8.4°,粘聚力с=10.5
    ①主动土压力Ea
    Ea=1/2γ(H+t)2tg2(45°-р/2)-2·C·(H+t)·tg(45°-р/2)+2C2/γ=1/2*17.6*(13+5)2 tg240°.8-2*10.5*(3+5)* tg240°.8+(2*10.52/17.6)=287.15KN
    h1=1/3*[H+t-2C/γ·tg40°.8]=1/3*(3+5-2*10.5/17.6* tg 40°.8)=2.206m
    ②被动土压力Ep
    Ep=1/2γt2tg2(45°+р/2)+2C·t·tg(45°+р/2)
    =1/2*17.6*52* tg249.2+2*10.5*5*tg49.2=416.92KN
    h2=t/3·(t·γtg°49.2+6C)/( t·γtg°49.2+4C)
    =5/3*(5*17.6* tg°49.2+6*10.5)/( 5*17.6* tg°49.2+4*10.5)=1.91M
    ③主动土压力Ea对e点的力矩m1
    m1=Eah1=287.15*2.206=633.45KN·m
    ④被动土压力Ep对e点的力矩m2
    m2=Eph2=416.92*1.91=796.32 KN·m
    ⑤防倾覆安全系数m2/ m1=796.32/633.45=1.26<2故不符安全要求。
    2.2、内力计算拉森Ⅲ号钢板桩W=1600CM3
    最大弯矩MC= m2- m1=796.32-633.45=162.87 KN·m
    f=(162.87*103*0.74)/(1600*10-6)=75.33mpa<1/2[f]
    =100 mpa故内力计算符合要求
    综上所述采用单排钢板桩围护不符合防倾覆安全要求,所以本基坑围护须采用双排钢板桩,其布置图如附图二所示。
    2.3、降水、排水措施
    因施工现场西侧临河,根据地质勘察报告显示,地下水位高度约0.6M,水源较高且水源丰富,施工期间必须考虑降水、排水措施。在基坑的北侧及东侧设降水井,作法如下:用φ600的钻孔桩机钻成φ600的孔,深10M,用8φ12,φ6@200的骨架外包钢板网做成护笼,放入φ600孔内以防止土方塌方便于水泵抽水。施工期间用水泵通过降水井不停降水。同时土方 房地产E网开挖好后在基坑内四周设排水沟,并在四角设集水井,做好有组织的排水。
    2.4两排钢板桩间距设定为800,为了提高钢板桩支护的安全性,前排钢板桩上口用钢板梁全部连接起来,再用钢丝绳固定于地描上。
    2.5支护结构监测
    1、深层土体位移观测:在钢板桩围护结构的北侧和东侧设置深层土体位移观测孔,设观测孔2个,埋深12米。
    2、水平位移观测:在钢板桩支护结构梁、邻近原有两层建筑物及临时宿舍上设水平位移观测点;
    2、沉降观测:在钢板桩支护结构梁、基坑内外土体、邻近原有两层建筑物及临时宿舍上设沉降观测点;
    4、基坑支护结构变形报警值:深层土体位移50MM,支护梁水平位移30MM,基坑四周外侧土体沉降20MM。
    三、钢板桩支护开槽施工
    3.1、钢板桩支护开挖施工工艺流程:
    打钢板桩→挖土→基础砼浇注→墙板及顶板砼浇注→模板拆除→防水施工→土方回填
    3.2、钢板桩施工要点
    ①、根据基坑边线,先开挖钢板桩槽,宽度为0.80m,深度0.50m左右。采用长臂液压挖掘机施打,为保证钢板桩的打入质量,采用夹板定位的

 根据《危险性较大工程安全专项施工方案编制及专家论证审核办法》的规定，上海市浦东铁路金汇港大桥深基坑围堰工程，必须编制专项施工方案且通过专家论证。为了编制安全可靠、经济合理的优化方案，我们以深埋板桩和围檩计算为主，进行了深基坑围檩支护计算。在此基础上，我们结合本公司施工的南京雍六高速公路马汊河大桥、南京马汊河葛新桥，山东枣庄市运河特大桥深水基坑围堰支护的经验，针对上海地区淤泥粉质软土的特点，编制了上海市浦东铁路金汇港大桥深基坑围堰支护加固安全专项施工方案，一次通过了专家评审，并在实施中确保了工程安全、质量和工期。本文就深基坑围堰的计算成果作简要介绍。
     一、 工程概况
     1.工程概况
     浦东铁路金汇港特大桥河道宽95m，主跨65.1m，主跨桥墩位于金汇港河内，两桥墩中心距离岸边约15.0m，桥墩基础为双排钻孔桩，每个墩桩基为8根，共16根桩（钻孔桩直径1.25m、桩长56.0m）。承台底标高为-3.90m，承台顶标高为-1.2m。水深约3.5m，河流测时水位2.68m，最高通航水位3.0m,百年一遇水位3.77m。 本工程水文地质如下：河床下为③-1层，淤泥粉质黏土，γ=17.8kn/m3 ，θ=18°，厚3-4m；④层:淤泥粉质黏土，γ=17.1kn/ m3 θ=10.1°；素填土γ=19kn/ m3 ，θ=19°；
    2.基坑围护方案选择 
    根据本工程地基土质差，地下水位高等不利因素，决定采用拉森钢板桩支护。钢板桩具有重量轻、强度高、锁口紧密、重复使用、施工方便、施工速度快等优点，同时本单位具有钢板桩深基坑施工方面的相应经验。
    施工流程:打拉森钢板桩围堰→钻孔桩施工平台→钻孔桩施工→抽水→高压水枪清淤（人工挖土）→施工承台、墩身及顶帽→拉森钢板桩拆除 承台围堰根据施工的需要，设计尺寸为17.2×11.7m（见图）。离岸侧临水，近岸侧为素填土。
    二、 多支撑钢板桩计算 
    支撑层数和间距的布置是钢板桩施工中的重要问题，根据现场的支撑材料和开挖深度（基底至水面7.0m），我们采取在钢板桩内侧加三层围檩并设置支撑，按多支撑进行钢板桩计算，计算时仍采用等值梁法。围堰采用拉森ⅳ型钢板桩，w=2037cm3，[f]=200mpa。围堰顶部荷载按70kn/m2计算。钢板桩拟采用15m（标准尺寸为10、12、15m）。 
    (1)计算钢板桩承受土压力，绘出土压力分布图 a.γ、θ按16.5m深，加权平均计算 γ=（4.5×19＋4.0×17.8＋8× 17.10）÷16.5=17.79 kn/ ;m3 θ＝（4.5×19＋4×18＋8× 10.1）÷16.5＝14.44。 b.计算土压力系数 kp=tg2(45。＋14.44。÷2)=1.66 ka= tg2(45。-14.44。÷2)=0.6 c.板桩压力  pa=γh1ka=10.67 kn/m2； pb=γh2ka=44.83 kn/m2； pd=γh3ka=78.99 kn/m2 d. 土压力分布图 
    (2)计算板桩上土压力等于0的点距挖土面的距离y 设距地面y处板桩前的被动土压力等于板桩后的主动土压力，考虑板桩与土的摩擦作用，对板桩前的土压力乘以修正系数k,查表k=1.378。 γkkpy =γka(h＋y) = pb＋γkay y= pb/[γ×(k×kp- ka)]=78.99/[17.79×(1.378×1.66-0.6)]=2.63 m 
    (3)多支撑钢板桩土压力简化模型计算 截取ac梁，在c点加自由支承，形成与ad梁上ac段的近似等值梁（如上图），按多跨连续梁用弯距分配法计算（计算简略）。 a、绘制弯矩图 b、计算支座反力 b处支座反力为pb，由∑mc=0得： pb=28.11 kn c处支座反力为pc，由∑md=0得：pc=154.74 kn 由∑md=0，取de为隔离体pe*2.63＋45.85-1/2*78.99*2.63*1/3*2.63=0  pe=17.19 kn   pd=1/2*78.99*(3.2+3.2+2.63+1.0)-pb-pc-pe=196 kn  c多支撑板桩入土深度检算  x= 6pe/[γ×（k×kp-ka）] =1.85m t0=x＋y=4.48 m ；t=1.1×t0=4.93m ；l=h＋t=4.93＋7.4=12.33   钢板桩长度满足要求。  
    (4)多支撑钢板桩围檩检算 围檩横梁长17.2m，每隔2.90m设一道支撑（见下图），横梁按连续梁用弯距分配法计算，并选择工字钢横截面。 a、计算节点b、c、d、e处弯距分配系数 b点：sba=3i sbc=4i ∑sb=7i μba=3/7 μbc=4/7 c点：scb=4i scd=4i ∑sd=8i ;μcb=1/2 μcd=1/2 d点：sdc=4i sde=4i ∑sd=8i μdc=1/2 μde=1/2 e点：sef=3i sed=4i ∑se=7i μef=3/7 μed=4/7 b、计算各杆端固端弯距 mfba=1/8ql2=1/8*196.1*2.92=206.15knm mfbc=-1/12ql2=-1/12*196.1*2.92=-137.43knm mfcb=-mfbc=- dc=mfed=-mfde=mfcd=137.43knm mfba=-1/8ql2=-1/8*196.1*2.962=-206.15knm c、弯矩分配计算 d、绘制弯矩图： 跨中弯矩：mab=1/8ql2-1/2*173.6=119.35 knm mbc=1/8ql2-1/2*（173.6+130.2）=54.25knm mbc=1/8ql2-130.2=75.95 knm c、选择工字钢截面 由上可得横梁所受最大弯距在b处mmax=173.6 knm，采用40c工字钢时： σmax= mmax/w=173.6*103/（1190*10-6）=146 mpa σmax＜[σ]/k=[σ]/1.5=235 /1.5=157 mpa 采用40c型号的工字钢。
    (5)多支撑板桩围檩支撑检算 a、求支座反力 由∑mb=0 na*2.9+173.6-196.1*2.92*1/2=0 na=224.5kn  由∑mc=0 na*2.9*2+nb*2.9+130.2-1/2*196.1*（2*2.9）2=0 nb=643.5kn nc=1/2（196.1*14.5-2*224.5-2*643.5）=553.7kn b、斜支撑的轴力计算 b处斜支撑轴力n=  nb /sinα= 643.5/0.63=1021.4kn c处斜支撑轴力n= nc/sinα= 553.7/0.63=878.89kn c、选斜支撑截面 ① b处斜支撑 b处斜支撑长度为：i＝ 2.342+2.92 =3.73 选用2根[22槽钢，为b类截面，其截面几何性质如下： ix=2*2570=5140  iy=2.21 cm iy=176 cm4  a=36.246 cm4 iy=2*[176+(7.9-2.21)2*36.246]=2699cm4 最小惯性半径: iy= 2699/2a  =6.1cm 杆件两端焊接,按固定端确定长度系数:μ=0.5 长细比: λ=μl1/iy =0.5*373/6.1=30.6 压杆稳定系数查表: φ=0.932 计算应力: σ=n/φa=1021.4*103/(0.932*2*36.246*102)=151.2mpa σ＜[σ]/k=[σ]/1.5=235/1.5=157mpa k为安全系数，取1.5  ②  c处斜支撑: c处斜支撑长度为 l2＝ 4.682+5.82 =7.45 m  长细比: λ=μl2/iy =0.5*745/6.1=61 压杆稳定系数查表: φ=0.802 计算应力: σ=p/φa=878.89*103/（0.802*2*36.246*102）=151.2mpa ＜［σ］/n=［σ］/1.5=235mpa /1.5=157 mpa  满足要求 
     三、结束语 深基坑工程施工属危险性较大的施工作业，编制施工方案必须周密、可靠，其中最主要的首推正确的计算。浦东铁路金汇港大桥的计算，为施工方案的优化编制提供了技术计算基础，该基坑围堰方案得到了平审专家的一致好评，在工程施工中取得了良好效果.      上海联圣建筑工程有限公司 吕 涛 陈松江 焦赞荣

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。 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。 
    3、围堰（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。 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: =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。 
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