钢板桩围堰的设计.doc

钢板桩围堰的设计

钢板桩围堰的设计
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 72 103 24 55 36 36 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。