鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)研究的論文
摘要：根據(jù)鋼板樁圍堰的實(shí)際受力狀況建立力學(xué)模型。通過(guò)理論計(jì)算確定鋼板樁圍堰的實(shí)際受力，并通過(guò)實(shí)際施工情況驗(yàn)證該方法的可行性。比規(guī)范中采用的經(jīng)驗(yàn)算法具有更高的精確性和安全性，能夠更好的滿(mǎn)足工程施工需要。
關(guān)鍵詞：鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)施工
目前，對(duì)于鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)主要是沿用《公路橋涵施工手冊(cè)》和教科書(shū)中的經(jīng)驗(yàn)算法。由于經(jīng)驗(yàn)算法帶有很大的近似性，并不一定能夠真實(shí)反映鋼板樁圍堰的實(shí)際受力狀況，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，給圍堰的使用帶來(lái)很多不安全因素。筆者在洪澤蘇北灌溉總渠大橋施工中，為避免出現(xiàn)較大的變形，在對(duì)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)時(shí)采用了理論算法。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，理論算法能夠較為精確的反映圍堰的實(shí)際受力狀況，對(duì)于合理設(shè)置內(nèi)支撐和減小封底厚度起到了重要的保證作用。
下面就鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工做詳細(xì)論述：
1已知條件
1.1承臺(tái)尺寸：10.3m（橫橋向）×6.4m（縱橋向）×2.5m（高度），底部設(shè)計(jì)有10.7×6.8m×1.0m的封底砼。
1.2承臺(tái)及河床高程承臺(tái)頂面設(shè)計(jì)高程為h=5.0m，河床底高程為5.5m，河床淤集深度約為30cm。1.3水位情況正常水位：h常=10.8m（此時(shí)水深5.3m），最高水位hmax=11.5m（水深6.0m），圍堰設(shè)計(jì)時(shí)按最高水位考慮。
1.4水流速度因該橋位于水電站下游，水流較為湍急。設(shè)計(jì)時(shí)速V=1.0m/s，不考慮流速沿水深方向的變化，則動(dòng)水壓力為：P=10KHV2×B×D/2g=53.2KN式中：P-每延米板樁壁上的動(dòng)水壓力的總值（KN）；H-水深（米）；V-水流速度（1.0m/s）；g-重力加速度（9.8m/s2);B-鋼板樁圍堰的計(jì)算寬度，B=10m；D-水的密度（10KN/m3）;K-系數(shù)，（槽形鋼板樁圍堰K=1.8~2.0，此處取1.8）。（參照《公路施工手冊(cè)》，假定此力平均作用于鋼板樁圍堰的迎水面一側(cè)。）
1.5河床水文地質(zhì)條件河床土質(zhì)良好，多為粘土、亞粘土，局部有亞砂土，承載力較強(qiáng)。圍堰基底至河床部分土質(zhì)為粘土(層厚約2m)、亞砂土(硬塑狀態(tài)，很濕，層間無(wú)承壓水，層厚約為1m)。
2擬定方案
結(jié)合河床地質(zhì)情況及施工要求，擬采用日本產(chǎn)鋼板樁進(jìn)行圍堰施工，長(zhǎng)度為15m，寬度為40cm，厚度為18cm。圍堰頂面標(biāo)高擬定為12.5m，高出最高水位1.0m。圍堰設(shè)計(jì)圖3，所有內(nèi)圍囹均采用56b工字鋼制作，節(jié)點(diǎn)采用焊接（施工中嚴(yán)格執(zhí)行鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范）。為確保整個(gè)圍囹的剛度和穩(wěn)定性，對(duì)每層中間一道工字鋼上面加焊型鋼并將上下四道工字剛用25#槽鋼焊接連接。在施工期間安排專(zhuān)人值班以防吊物碰撞。
3圍堰（支撐）內(nèi)力計(jì)算
3.1確定受力圖式
3.1.1鋼板樁嵌制形式河床底部土質(zhì)較為密實(shí)，假定鋼板樁底部嵌固于(鋼板樁入土深度)t/3=1.5m處，即承臺(tái)底2.0m處。（封底砼厚度采用50cm）
3.1.2動(dòng)水壓力P=10KHV2×B×D/2g=53.2KN
3.1.3河床土質(zhì)為亞粘土，為不透水層，但考慮到鋼板樁施工中會(huì)引起板側(cè)土體的擾動(dòng)，縫隙里充滿(mǎn)水，所以考慮水壓力的影響。土壓力計(jì)算取用浮容重，Υ''=19.4-9.8=9.6KN/m3，ιj=30~50Kpa，σ=100KPa。
3.1.4經(jīng)分析可知迎水面為最不利受力面，以此為計(jì)算面。所承受荷載假定由兩根工字鋼平均承擔(dān)，計(jì)算兩根工字鋼的共同受力。由受力圖式可知，此結(jié)構(gòu)為四次超靜定結(jié)構(gòu)，因計(jì)算較為繁瑣，計(jì)算過(guò)程不在此詳細(xì)敘述，得出最大支撐力為2734.95KN，最大彎矩為1117.59KN。
4驗(yàn)算鋼板樁的入土深度是否滿(mǎn)足要求
鋼板樁入土深度達(dá)4.5m，從橋位處地質(zhì)勘探資料分析，持力層中無(wú)承壓水，如經(jīng)計(jì)算各道支撐的受力均能滿(mǎn)足要求，可不驗(yàn)算鋼板樁的入土深度。
5根據(jù)求得的內(nèi)力驗(yàn)算鋼板樁的受力狀態(tài)及變形情況
5.1應(yīng)力由內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，Mmax=1117.59KN·M。鋼板樁外緣拉應(yīng)力σ=Mmax/W=123MPa＜340MPa(容許應(yīng)力)，滿(mǎn)足要求。
5.2變形經(jīng)計(jì)算，各單元跨中變形值如表1所示。表1各單元跨中變形值單元號(hào)橫向位移（mm）
1721032455363
6驗(yàn)算工字鋼的受力狀態(tài)
6.1軸向受力由計(jì)算可知，最大支撐反力發(fā)生在第二道圍囹處，其數(shù)值為2734.95KN，因工字鋼與鋼板樁連接處均采用焊接，且角撐剛度較大，不考慮其失穩(wěn)，僅考慮縱向撓曲，系數(shù)取ζ=2，此時(shí)其承載力P=292.9×10-4m2×340×106N/m2/2=4980KN，安全系數(shù)n=4980/2734.95=1.8，其承載力滿(mǎn)足要求。
6.2橫向工字鋼的抗彎能力假定支撐反力P=2734.95KN平均作用在橫向工字鋼上（長(zhǎng)度按8.8m計(jì)算），荷載集度q=2734.95/8.8=310.8KN/M。經(jīng)計(jì)算，對(duì)工字鋼跨中產(chǎn)生的最大彎矩Ml/2=864.5KN·M。工字鋼抵抗彎矩M`=1000KN·M。安全系數(shù)N=1000/864.5=1.15（此處未考慮鋼板樁與工字剛的'共同作用，實(shí)際情況應(yīng)更為安全），承載力滿(mǎn)足要求。
6.3工字鋼撓度在上述彎矩的作用下，計(jì)算出工字鋼的跨中撓度L=14mm，滿(mǎn)足施工及使用要求。
7鋼板樁豎向承載力的驗(yàn)算
因此鋼板樁圍堰將利用作為鉆機(jī)平臺(tái)，其承受的豎向荷載有：
7.1鉆機(jī)及其配套設(shè)備自重：150KN；
7.2支架及其他施工荷載：100KN；
7.3鋼板樁自重：1300KN；
7.4圍囹自重：300KN。合計(jì)：1850KN上述豎向荷載全部靠鋼板樁側(cè)摩阻力及其樁尖反力承擔(dān)，查相關(guān)規(guī)范及工程地質(zhì)報(bào)告，計(jì)算如下:樁側(cè)摩阻力P1=（13.8+9.6）×2×5.7×10=2668KN;樁尖反力P2=117根×8.85E-3M2/根×100KPa=104KN合計(jì):=2668+104=2772KN安全系數(shù)N=2772/1850=1.5，承載力滿(mǎn)足要求。
8圍堰整體穩(wěn)定性驗(yàn)算
鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定性?xún)H表現(xiàn)圍堰在動(dòng)水壓力作用下的抗傾覆能力。該動(dòng)水壓力與鋼板樁入土深度范圍內(nèi)所受的土壓力相平衡。因鋼板樁圍堰底部嵌入地基中達(dá)4.5米，在動(dòng)水壓力作用下所能承受的土壓力要比動(dòng)水壓力要大的多，此處可不必驗(yàn)算，其整體穩(wěn)定性應(yīng)能得到很好的保證。
9施工中注意事項(xiàng)
該鋼板樁圍堰在整個(gè)工程施工中極為順利，經(jīng)實(shí)測(cè)各單元的變形與計(jì)算結(jié)果相符。施工中要注意以下幾點(diǎn)：
9.1鋼板樁的堵漏一般的做法是在鋼板樁施打過(guò)程中用棉絮、黃油等填充物填塞接縫。剛開(kāi)始時(shí)我們也采用此法，效果不是很理想，后在鋼板樁全部插打完畢開(kāi)始抽水安裝圍囹時(shí)，采用一邊抽水一邊順著鋼板樁的接縫下溜較干細(xì)砂的方法，借助水壓力將細(xì)砂吸入接逢內(nèi)而達(dá)到堵漏的目的，對(duì)于變形較大的接縫在圍囹安裝后用棉絮塞填。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，效果非常明顯，施工期間在圍堰內(nèi)僅設(shè)置一臺(tái)潛水泵即可將漏水抽凈。
9.2圍囹的安裝圍囹的安裝應(yīng)隨著抽水的深度逐層實(shí)施，安裝過(guò)程中要密切注意河床水位的變化，并安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)施工期間的抽水工作。值得注意的是工字鋼與鋼板樁的連接，由于鋼板樁在插打過(guò)程中受多方面的影響，整個(gè)圍堰的側(cè)面順直度較差，工字鋼安裝后與鋼板樁之間有較大的間隙。為防止圍堰的變形，要求將工字鋼與鋼板樁之間的間隙全部用型鋼焊接支撐連接，圍堰的四個(gè)角更應(yīng)加強(qiáng)。
10結(jié)束語(yǔ)
用理論算法進(jìn)行鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)能夠較為真實(shí)的反映鋼板樁的實(shí)際受力狀態(tài)，從而具有較大的安全性。采用逐層抽水加固的施工方案較為方便，在基底土質(zhì)良好的條件下可以實(shí)現(xiàn)“干法施工”，不需要采取水下封底，在質(zhì)量上易于保證。
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