承台钢板桩围堰方案设计与受力分析.docx

    承台钢板桩围堰方案设计与受力分析    湖南省交通科学研究院有限公司摘要：钢板桩围堰是承台修建的关键支护结构，该技术经过不断地发展和改进后已取得了不错的成绩结合笔者工作经验，并以常德石门县杨岭岗澧水大桥为例，探讨复杂环境下承台土石筑岛及钢板桩围堰综合运用的方案设计及受力情况，以供同行参考关键词：杨岭岗澧水大桥；钢板桩围堰；方案设计；1围堰的分类以及功能解析1.1围堰的分类根据材料和布置形式的不同，可分为土石围堰、钢板桩围堰、钢套箱围堰、双壁围堰：①土石围堰：成本低，但施工范围大，影响防洪排涝；②钢套箱围堰、双壁围堰：适用水深较深，河床覆盖层较薄的深水基础，但造价高、施工难度大；③钢板桩围堰：适用水深相对较深；结合内支撑，安全度高；可回收重复利用1.2钢板桩围堰的主要特点作为承台施工过程中的“安全防护伞”，钢板桩围堰可既要满足坑内土体与水体对它施加的巨大压力，还要能抵抗水流的冲击与严寒气候的条件下的侵蚀当围堰遇到洪涝灾害或水位暴涨，还需为承台继续作业提供一个安全宽敞的作业空间；遇到极度恶劣的天气情况时，钢板桩围堰依然能够安全稳定的屹立不倒2我国钢板桩围堰的施工现状从实践来看，钢板桩围堰适合常规水深深度，还在深水地段有这十分突出的表现。

钢板桩围堰虽然优势显著，但受地质、场地等诸多条件影响下，传统单一的钢板桩围堰已无法满足施工要求，多需要与其他工艺配合才能施工以下就既有项目加以分析，阐述复杂环境下土石筑岛及钢板桩围堰在深水基础施工的综合运用3以常德石门县杨岭岗澧水大桥为例研究承台钢板桩围堰方案设计及受力3.1项目背景常德石门县杨岭岗澧水大桥横跨澧水，全长707.60m，桥梁宽度为18m主桥承台共有2个，为3#、4#墩承台，主墩承台长13.4m×宽12.1m×高4.5m本文以4#墩承台为例进行方案设计及受力分析4#墩承台地处河滩边，覆盖层厚达到约12-16m的卵石层，承台位于卵石层内，粒径多为20-50mm（上层2-4m存在粒径＞100mm），砾石粒径较粗，孔隙率大，透水性极强，对围堰止水非常不利3.2方案选择3.2.1钢板桩围堰影响因素本项目上游不具备通航条件，无法采用船舶吊装设备施工；水电站的发电放水和泄洪对承台工期要求高、泄洪时河水流速可达到1600-2500m3/s；4#墩承台坑壁稳定性差，摩阻力大，影响了钢板桩围堰施工插入深度、锚固稳定性、防渗3.2.2方案选用采用土石筑岛围堰作为4#墩作为施工便道及水上作业平台不仅施工进度快、资金投入少而且土石筑岛围堰还可以抵消水电站发电和泄洪产生的水流冲击力对钢板桩围堰的影响；承台卵石覆盖层采用换填施工，将钢板桩围堰位置及外围3-4m范围内卵石层进行清除再回填透水性弱的粘土不仅能保证钢板桩穿透能力及锚固稳定性还能提高钢板桩围堰的防水性能。

3.3方案设计3.3.1设计概述采用土石筑岛围堰进行施工便道填筑在筑岛围堰4#墩水上施工平台时，采用长臂挖机清理卵石层至标高+46m处再回填粘土，保证换填宽度和深度筑岛标高+54.0m，施工常水位+52.59m，承台底标高+46.138m根据筑岛内基坑开挖深度9.8m、开挖平面尺寸16.4×15.10m及1m以上封底混凝土，考虑钢板桩应有足够的锚固深度，选用12m长拉森Ⅳ型钢板桩结构基坑内支撑设置（图1）：共设置三道内支撑，第一道第一道内支撑位于钢板桩下2m，即标高52.0m位置，围檩及支撑均采用双拼I36b工字钢；第二道内支撑位于钢板桩下5m，即标高49.0m位置，围檩及支撑均采用双拼I36b工字钢；第三道内支撑位于钢板桩下7.1m，即标高46.9m位置，围檩及支撑均采用三拼I36b工字钢工字钢围檩与支撑之间焊接牢固，围檩及撑杆采用在钢板桩上的焊接支撑牛腿来承受，为确保整个围堰的稳定，钢板桩与围檩之间每隔2m左右进行焊接，围檩与钢管支撑均焊接牢固，第二、三道支撑为临时支撑，待封底混凝土完成后，拆除第三道支撑，待承台第一次砼2.3m浇筑完成后拆除，并将支撑直接撑在承台上图1承台内支撑示意图3.3.2钢板桩围堰设计受力分析（1）工况受力分析钢板桩围堰需要承担静水压力和土压力，按液重法取σWτE=r×h，h为计算点至地面深度，r为水下混合液的容重取值13KN/m3，由于钢板桩施工在筑岛内四周被土包围，不考虑动水压力；工况1（图2）：水抽至+44.2m时，结构内外压力差最大，钢板桩受力处最不利状况计算其弯曲应力；σa1=120.9KN/m2，σa2=13×6.6=85.8KN/m2；取平均值σa=103.35KN/m2，三跨连续梁计算取最大系数0.1，Mmax=0.1ql2=75.34KN.m，弯曲应力δ=Mmax/Wx=33.2MPa满足规范要求；图2工况1工况2：钢板桩伸入卵石内2.2m，假设为固结状态，在最大剪切应力发生在底部开挖处，计算其剪切应力；最大剪力F=147.42KN（按近似矩形计），剪切应力τ=3/2×F/A==39.6MPa＜[τ]=120MPa满足规范要求；工况3：封底1.94m混凝土完成后，封底混凝土顶标高46.138m，第三层支撑拆除，计算钢板桩承受的弯曲应力；σa1=95.71KN/m2，σa2=58.5KN/m2，取平均值σa=77.1KN/m2；按两跨连续梁进行计算，最大弯矩在+49.0m，L=2.862m，Mmax=1/8ql2=78.93KN.m；最大剪力F=0.625ql=137.9KN；弯曲应力δ=Mmax/Wz=34.8MPa＜[δ]=210MPa，满足规范要求；跨中挠度最大剪切应力τ=3/2×F/A=83.4MPa＜[τ]=120MPa，满足规范要求。

图3工况3（2）围檩内撑验算①内撑计算假设钢板桩承受水平力产生的摩擦之间弯矩和剪力，内撑全部承受四周水土压力产生的围堰支撑力，则第三排支撑受力较大，计算其轴向压应力：δ=N/A=1034.9×103/（2×83.5×10-4）=62MPa＜[δ]=170MPa，满足规范要求；验算压杆稳定性：查表φ=0.874，则内撑容许应力为：N/φA=62/0.874=70.9MPa＜[δ]=170MPa，满足规范要求；②围檩计算三拼I36b工字钢受力，Mmax=0.105×ql²=465.6KN.m；弯曲截面系数Wx=3695.2cm³，δ=Mmax/Wx=126MPa<[δ]=170MPa，满足规范要求3）封底混凝土验算主墩承台钢板桩围堰基底为素混凝土，浇筑方式为水下浇筑，封底混凝土采用C30混凝土，封底厚度为1.94m①底混凝土厚度计算其中M封底混凝土计算范围为跨中弯矩M=a1ql2=107KN.m，K安全系数，抗压强度计算受压受弯构件取2.65，b按1m计，，满足规范要求②封底混凝土周边简支支撑的双向板抗弯抗压计算封底混凝土底面承受静水压力，主墩桩基之间距离为7.9m和7m，在桩基之间取宽度1m，高度1.94m，Mmax=107KN.m；δmax=Mmax/Wx==Mmax/（bh2/6）=107×6/1.942=0.171MPa＜[ftd]=1.39MPa，满足要求；剪力按最大值FS=ql长边/2=183.4KN，τ=3/2×F/A=0.142MPa＜[fvd]=1.85MPa。

4）锚固验算：拉森Ⅳ型钢板桩为12m，钢板桩顶面标高位+54.0m，承台底面标高+46.138，封底混凝土厚度为1.93m，则基坑开挖至标高+44.2处，钢板桩锚固长度为12-（54-44.2）=2.2m，计算钢板桩锚固长度为2.2m时受力；h为计算点至地面深度，为内摩擦角，钢板桩每延米弯曲截面系数WX取2270cm3；抽水至+44.2m时，第二支撑+46.9m位置，主动力土压力：（+44.2m处）；（+46.9m处）；被动力土压力：（5）抗浮验算封底混凝土完成后，围堰是一个三面封闭的空间，由于卵石层渗流，封底混凝土下面及钢板桩在53.5m以下位置存在浮力，由于封底混凝土与桩连为一整体，取值按钢材和混凝土静摩擦力120KN/m2计算①围堰内混凝土抗浮其中G混凝土=10384KN；f混凝土桩=8171KN；f钢板桩=23466KN；F浮=23030KN；满足规范要求；②围堰整体抗浮其中G混凝土=10384KN；f混凝土桩=8171KN；G钢板桩=1482KN；G内撑=311KN；Rf钢板桩=13104KN；F浮=23030KN；满足规范要求结语本文根据分析复杂环境对钢板桩围堰施工的影响，通过对土石筑岛和钢板桩围堰的综合运用，较好完成了项目基坑支护方案设计，并进行了工况受力分析、围檩内撑验算、封底混凝土验算、锚固验算、抗浮验算，最终验证钢板桩围堰自身结构完好，变形及受力情况均在正常范围，有效保证了承台施工的顺利完成，实践证明该项目钢板桩的围堰设计方案是可行的。

参考文献：[1]JTG/TF50—2011.公路桥涵施工技术规范[S].[2]JTGD63-2007.公路桥涵地基与基础设计规范[S].[3]李延超.钢板桩围堰止水性能试验与结构设计研究[D].中南大学，2013.[4]周水兴.路桥施工计算手册[J].人民交通交通出版社.2008.  -全文完-。