鋼板樁圍堰的設計與施工

劉曉云

(河北省石家莊市公路管理處勘測設計隊)

目前，對于鋼板樁圍堰的設計主要是沿用《公路橋涵施工手冊》和教科書中的經驗算法。由于經驗算法帶有很大的近似性，并不一定能夠真實反映鋼板樁圍堰的實際受力狀況，有時會出現較大的偏差，給圍堰的使用帶來很多不安全因素。筆者在洪澤蘇北灌溉總渠大橋施工中，為避免出現較大的變形，在對鋼板樁圍堰設計時采用了理論算法。經實踐檢驗，理論算法能夠較為精確的反映圍堰的實際受力狀況，對于合理設置內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計與施工做詳細論述。

1 已知條件

1.1 承臺尺寸

10.3 m(橫橋向) ×6.4 m(縱橋向) ×2.5 m(高度)，底部設計有10.7×6.8 m×1.0 m的封底混凝土。

1.2 承臺及河床高程

承臺頂面設計高程為h=5.0 m，河床底高程為5.5 m，河床淤集深度約為30 cm。

1.3 水位情況

正常水位:h常=10.8 m(此時水深 5.3 m)，最高水位hmax=11.5 m(水深6.0 m)，圍堰設計時按最高水位考慮。

1.4 水流速度

因該橋位于水電站下游，水流較為湍急。設計時速V=1.0 m/s，不考慮流速沿水深方向的變化，則動水壓力為

式中:P為每延米板樁壁上的動水壓力的總值，kN;H為水深，m;V為水流速度(1.0 m/s);g為重力加速度(9.8 m/s2);B為鋼板樁圍堰的計算寬度，B=10 m;D為水的密度(10 kN/m3);K為系數，(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》，假定此力平均作用于鋼板樁圍堰的迎水面一側。)

1.5 河床水文地質條件

河床土質良好，多為粘土、亞粘土，局部有亞砂土，承載力較強。圍堰基底至河床部分土質為粘土(層厚約2 m)、亞砂土(硬塑狀態，很濕，層間無承壓水，層厚約為1 m)。

2 擬定方案

結合河床地質情況及施工要求，擬采用日本產鋼板樁進行圍堰施工，長度為15 m，寬度為40 cm，厚度為18 cm。

圍堰頂面標高擬定為12.5 m，高出最高水位1.0 m。圍堰設計，所有內圍囹均采用56b工字鋼制作，節點采用焊接(施工中嚴格執行鋼結構施工規范)。為確保整個圍囹的剛度和穩定性，對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。在施工期間安排專人值班以防吊物碰撞。

3 圍囹(支撐)內力計算

(1)鋼板樁嵌制形式。

河床底部土質較為密實，假定鋼板樁底部嵌固于(鋼板樁入土深度)t/3=1.5 m處，即承臺底2.0 m處。(封底混凝土厚度采用50 cm)

(2)動水壓力。

(3)河床土質為亞粘土，為不透水層，但考慮到鋼板樁施工中會引起板側土體的擾動，縫隙里充滿水，所以考慮水壓力的影響。土壓力計算取用浮容重

(4)經分析可知迎水面為最不利受力面，以此為計算面。所承受荷載假定由兩根工字鋼平均承擔，計算兩根工字鋼的共同受力。

由受力圖式可知，此結構為四次超靜定結構，因計算較為繁瑣，計算過程不在此詳細敘述，得出最大支撐力為2 734.95 kN，最大彎矩為1 117.59 kN。

4 驗算鋼板樁的入土深度是否滿足要求

鋼板樁入土深度達4.5 m，從橋位處地質勘探資料分析，持力層中無承壓水，如經計算各道支撐的受力均能滿足要求，可不驗算鋼板樁的入土深度。

5 根據求得的內力驗算鋼板樁的受力狀態及變形情況

由內力計算結果可知，Mmax=1 117.59 kN·m。鋼板樁外緣拉應力σ=Mmax/W=123 MPa＜340 MPa(容許應力)，滿足要求。

6 驗算工字鋼的受力狀態

6.1 軸向受力

由計算可知，最大支撐反力發生在第二道圍囹處，其數值為2 734.95 kN，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，僅考慮縱向撓曲，系數取ζ=2，此時其承載力

6.2 橫向工字鋼的抗彎能力

假定支撐反力P=2 734.95 kN平均作用在橫向工字鋼上(長度按 8.8 m 計算)，荷載集度 q=2 734.95/8.8=310.8 kN/m。經計算，對工字鋼跨中產生的最大彎矩M1/2=864.5 kN·m。工字鋼抵抗彎矩M`=1 000 kN·m。安全系數N=1 000/864.5=1.15(此處未考慮鋼板樁與工字剛的共同作用，實際情況應更為安全)，承載力滿足要求。

6.3 工字鋼撓度

在上述彎矩的作用下，計算出工字鋼的跨中撓度L=14 mm，滿足施工及使用要求。

7 鋼板樁豎向承載力的驗算

因此鋼板樁圍堰將利用作為鉆機平臺，其承受的豎向荷載有。

(1)鉆機及其配套設備自重:150 kN;

(2)支架及其他施工荷載:100 kN;

(3)鋼板樁自重:1 300 kN;

(4)圍囹自重:300 kN。

合計:1 850 kN

上述豎向荷載全部靠鋼板樁側摩阻力及其樁尖反力承擔，查相關規范及工程地質報告，計算如下

8 圍堰整體穩定性驗算

鋼板樁圍堰的整體穩定性僅表現圍堰在動水壓力作用下的抗傾覆能力。該動水壓力與鋼板樁入土深度范圍內所受的土壓力相平衡。因鋼板樁圍堰底部嵌入地基中達4.5m，在動水壓力作用下所能承受的土壓力要比動水壓力要大的多，此處可不必驗算，其整體穩定性應能得到很好的保證。

9 施工中注意事項

該鋼板樁圍堰在整個工程施工中極為順利，經實測各單元的變形與計算結果相符。施工中要注意以下幾點。

9.1 鋼板樁的堵漏

一般的做法是在鋼板樁施打過程中用棉絮、黃油等填充物填塞接縫。剛開始時我們也采用此法，效果不是很理想，后在鋼板樁全部插打完畢開始抽水安裝圍囹時，采用一邊抽水一邊順著鋼板樁的接縫下溜較干細砂的方法，借助水壓力將細砂吸入接逢內而達到堵漏的目的，對于變形較大的接縫在圍囹安裝后用棉絮塞填。經現場實施，效果非常明顯，施工期間在圍堰內僅設置一臺潛水泵即可將漏水抽凈。

9.2 圍囹的安裝

圍囹的安裝應隨著抽水的深度逐層實施，安裝過程中要密切注意河床水位的變化，并安排專人負責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程中受多方面的影響，整個圍堰的側面順直度較差，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，圍堰的四個角更應加強。

10 結束語

用理論算法進行鋼板樁圍堰的設計能夠較為真實的反映鋼板樁的實際受力狀態，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，在基底土質良好的條件下可以實現“干法施工”，不需要采取水下封底，在質量上易于保證。

［1］ 涂緒勛，楊理準等.橋涵［J］.公路施工手冊，1985.