鋼板樁受力計(jì)算

1、鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工薛保民 摘 要 本文結(jié)合237省道淮安段淮河入海水道、蘇北灌溉總渠大橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工的工程實(shí)踐，初步探討了鋼板樁圍堰在橋梁深水基礎(chǔ)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 鋼板樁圍堰 設(shè)計(jì) 施工 前言鋼板樁圍堰施工是橋梁建設(shè)應(yīng)用廣泛且成熟的施工工藝，主要適用于內(nèi)陸河道或水庫圍堰法施工水下承臺(tái)。237省道淮安段淮河入海水道、蘇北灌溉總渠大橋主墩承臺(tái)就采用鋼板樁圍堰的施工方法，本文就鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工作簡要的介紹。1、工程概況237省道淮安段淮河入海水道、蘇北灌溉總渠大橋位于淮河入海道淮安樞紐下游7KM處，南北走向，橋墩軸線與水流方向基本一致，起訖點(diǎn)樁號(hào)為：K38+491.20K39+8

2、11.400，橋梁全長1320m，全橋結(jié)構(gòu)布置形式為：4×30+4×30+5×40+5×40+（56.5+3×90+56.5）+3×30+4×25+4×25，18#-23#墩為本橋的第五聯(lián)，上部結(jié)構(gòu)為掛籃懸澆箱梁，群樁基礎(chǔ)，左右幅獨(dú)立承臺(tái)，其中18#墩位于入海水道北偏泓中，19#墩位于南北偏泓之間的河堤上，靠近南偏泓，20#墩位于灌溉總渠中堤左側(cè)坡腳下，21#22#位于灌溉總渠內(nèi)，23#墩位于328省道南側(cè)路肩上。18#、23#墩為邊跨墩，承臺(tái)尺寸8.4m×7m×2.5m，19#、20#、21#

3、、22#墩為主跨墩承臺(tái)尺寸為10.7m×10.7m×3.2m，18#墩承臺(tái)底標(biāo)高為-3.3m，19#墩承臺(tái)底標(biāo)高-4.0m，20#墩承臺(tái)底標(biāo)高-2.7m，21#墩承臺(tái)底標(biāo)高-0.3m，22#墩承臺(tái)底標(biāo)高-1.7m，23#墩承臺(tái)底標(biāo)高9.75m。2、鋼板樁圍堰尺寸及數(shù)量2.1、鋼板樁圍堰尺寸考慮左右幅承臺(tái)距離比較近，左右兩個(gè)承臺(tái)采用一個(gè)鋼板樁圍堰施工，同時(shí)考慮承臺(tái)施工時(shí)施工空間需要，圍堰與承臺(tái)之間預(yù)留1.5m操作空間。另外考慮鋼板樁每根寬0.4m，圍堰每邊尺寸按照0.4m倍數(shù)考慮。選定：邊墩承臺(tái)鋼板樁圍堰平面尺寸為10m×24.8m，主墩承臺(tái)鋼板樁圍堰平面尺寸為12

4、.8m×26.8m。2.2、鋼板樁型號(hào)及數(shù)量鋼板樁的型號(hào)采用拉森型，長度為15米及12米。序號(hào)主墩臺(tái)號(hào)承臺(tái)底標(biāo)高（m）河床標(biāo)高（m）常水面標(biāo)高（m）鋼板樁頂面標(biāo)高（m）擬用鋼板樁長（m）入土深度（m）備注118#-3.30.52.03.0125.2邊墩219#-4.01.83.04.0156.5主墩320#主墩明挖421#-0.33.156.57.5156.7主墩522#-1.73.566.57.5155.3主墩備注：承臺(tái)下混凝土封層厚0.5m2.3、圍堰圍囹型號(hào)及數(shù)量序號(hào)主墩臺(tái)號(hào)第一道圍囹第二道圍囹工字鋼型號(hào)數(shù)量（m）工字鋼型號(hào)數(shù)量（m）118#雙拼I36b 2×2（24

5、.8+10）三拼I40b2×3（24.8+10）219#雙拼I36b 2×2（26.8+13.6）三拼I40b2×3（26.8+13.6）321#雙拼I36b 2×2（26.8+13.6）雙拼I40b2×2（26.8+13.6）422#雙拼I36b 2×2（26.8+13.6）三拼I40b2×3（26.8+13.6）合計(jì)3、鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)計(jì)算21#、22#墩都在灌溉總渠中，地質(zhì)條件大體一樣，22#墩承臺(tái)埋深較大，以22#墩承臺(tái)為模型設(shè)計(jì)計(jì)算鋼板樁，如下圖：已知：土的飽和重度為：20KN/ m3，內(nèi)摩擦角=15°，內(nèi)

6、聚力c=40Kpa，正常水位6.5m，最高水位7.5m。采用拉森型鋼板樁W=2037cm3，=200Mpa，土的容重為20KN/m3，水的容重為10KN/m3。3.1、鋼板樁長度計(jì)算根據(jù)鋼板樁的不同施工階段的工況分為三種：工況一：安裝好第一層圍囹，抽水、挖土至第二層圍囹時(shí)。如左圖：第一層圍囹受力最大，根據(jù)單錨淺埋板樁計(jì)算規(guī)則，假定上端為簡支，下端為自由支撐，因?yàn)槭钦承酝?，且水壓力比較大，墻后主動(dòng)土壓力不考慮，僅考慮水壓力，被動(dòng)土壓力取安全系數(shù)為1.5，為使鋼板樁保持穩(wěn)定，則水壓力和被動(dòng)土壓力對(duì)A點(diǎn)的力矩應(yīng)等于零，即，解之得t=1.59m根據(jù)鋼板樁的入土深度，求鋼板樁的受力M=109KN.m和支

7、點(diǎn)反力R=60KN，則鋼板樁應(yīng)力為，入土深度t小于實(shí)際入土深度5.3m，鋼板樁彎應(yīng)力=53.5Mpa=200Mpa，此工況滿足要求。工況二：安裝好第二層圍囹，繼續(xù)抽水挖土至承臺(tái)封底高程-2.2m，此時(shí)鋼板樁受力最大，圍囹支撐受力也最大，如下圖。按照偏安全考慮，不考慮第一層圍囹的影響，按照單錨支撐作用在A點(diǎn)計(jì)算第二層圍囹，水壓力和被動(dòng)土壓力對(duì)A點(diǎn)的力矩應(yīng)等于零，即，解之得t=3.96m根據(jù)鋼板樁的入土深度，求鋼板樁的受力M=297KM.m和支點(diǎn)反力R=348KN，則鋼板樁應(yīng)力，入土深度t小于實(shí)際入土深度5.3m，鋼板樁彎應(yīng)力=145Mpa=200Mpa，此工況滿足要求。工況三：施工好承臺(tái)，放水到

8、圍堰內(nèi)拆除第二道圍囹，這時(shí)第一道圍囹和鋼板樁受力分析。如下圖：此時(shí)鋼板樁內(nèi)有被動(dòng)土壓力和水壓力及承臺(tái)對(duì)基坑底的壓力q=92.5kpa，為使鋼板樁保持穩(wěn)定，則水壓力和被動(dòng)土壓力及圍堰內(nèi)水壓力對(duì)A點(diǎn)的力矩應(yīng)等于零，即，解之得t=0.94m根據(jù)鋼板樁的入土深度，求鋼板樁的受力M=355.7KM.m，支點(diǎn)反力為R=125KN。則鋼板樁應(yīng)力，入土深度t小于實(shí)際入土深度5.3m，鋼板樁彎應(yīng)力=175Mpa=200Mpa，此工況滿足要求。根據(jù)上面三種工況分析，22#主墩鋼板樁圍堰采用15m長鋼板樁，入土深度為5.3米是滿足施工要求的。3.2、圍囹支撐計(jì)算第一道圍囹的最大支點(diǎn)反力R1=125KN（在第三種工況

9、時(shí)），第二道圍囹的最大支撐反力R2=348KN（在第二種工況時(shí)），為方便主墩墩身施工，本工程圍囹支撐設(shè)計(jì)如下圖：第一層圍囹支撐布置圖、第一道圍囹支撐驗(yàn)算第一道圍囹受均布荷載q=125KN/m,根據(jù)支撐布置，取跨徑最大的一邊驗(yàn)算圍囹受力，M=229KN.M，Q=327KN。驗(yàn)算最長的斜支撐桿件L2=6.11m，承受壓力N=614KN。計(jì)算結(jié)構(gòu)模型圖彎矩圖剪力圖圍囹采用II36b，支撐也采用II36b，W=919cm3，A=83.68cm2，圍囹應(yīng)力為：,，滿足材料要求。驗(yàn)算支撐的穩(wěn)定性，求壓桿的柔度材料軟度小于2，屬于小柔度構(gòu)件，材料破壞受強(qiáng)度控制，壓桿受力為，符合材料要求。、第二道圍囹支撐驗(yàn)算

10、 第二道圍囹受力q=348KN/m，圍囹支撐布置見下圖： 第二層圍囹支撐布置圖取跨徑大的一邊作為研究對(duì)象，如下圖：彎矩圖剪力圖根據(jù)彎矩和剪力圖得第二層圍囹受最大彎矩M=401KN.m，Q=645KN，支撐反力R1=717KN，R2=1119KN，圍囹材料采用三拼I40b，W=1140cm3，A=94.112cm2，支撐材料采用Ø400×7mm鋼管樁，L1=3.59m，L=7.18m。圍囹應(yīng)力為：,，滿足材料要求。以最長的支撐桿件為研究對(duì)象，驗(yàn)算支撐的穩(wěn)定性，求壓桿的柔度，屬于小柔度構(gòu)件，材料破壞受強(qiáng)度控制，壓桿受力為，符合材料要求。3.3、基坑底的隆起驗(yàn)算>1.2。故

11、坑底不會(huì)產(chǎn)生隆起。3.4、基坑底的管涌驗(yàn)算：根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，承臺(tái)處土質(zhì)為粘土、亞粘土，無透水性，但是為了安全考慮，故驗(yàn)算抗管涌系數(shù)，根據(jù)公式，不發(fā)生管涌的條件為：，故是安全的，4、鋼板樁圍堰的施工4.1鋼板樁整理4.1.1 鋼板樁運(yùn)到工地后，需進(jìn)行整理。清除鎖口內(nèi)雜物(如電焊瘤渣、廢填充物等)，對(duì)缺陷部位加以整修。4.1.2 鎖口檢查的方法：用一塊長約2米的同類型、同規(guī)格的鋼板樁作標(biāo)準(zhǔn)，將所有同型號(hào)的鋼板樁作鎖口通過檢查。檢查采用卷揚(yáng)機(jī)拉動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁平車，從樁頭至樁尾作鎖口通過檢查。對(duì)于檢查出的鎖口扭曲及“死彎”進(jìn)行校正。4.1.3 寬度檢查及目的：對(duì)于每片鋼板樁分為上中下三部分用鋼尺測量其寬度

12、，使每片樁的寬度在同一尺寸內(nèi)，對(duì)于肉眼看到的局部變形可進(jìn)行加密測量。對(duì)于超出偏差的鋼板樁應(yīng)盡量不用。4.1.4 對(duì)于樁身殘缺、殘跡、不整潔、銹皮、卷曲等都要做全面檢查，并采取相應(yīng)措施，以確保正常使用。4.1.5 鎖口潤滑及防滲措施，對(duì)于檢查合格的鋼板樁，為保證鋼板樁在施工過程中能順利插拔，并增加鋼板樁在使用時(shí)防滲性能。每片鋼板樁鎖口都須均勻涂以混合油，其體積配合比為黃油：干膨潤土：干鋸沫5：5：3。4.2 鋼板樁的插打運(yùn)輸對(duì)于處理好的鋼板樁，在堆放和運(yùn)輸中，要避免碰撞，防止彎曲變形。鋼板樁采用船只運(yùn)輸。4.3 鋼板樁的起插及過程控制4.3.1 考慮到起吊設(shè)備和振動(dòng)設(shè)備等因素，鋼板樁圍堰采用逐片

13、插打。打樁機(jī)采用振拔錘。4.3.2 各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒后，將事先加工好的定位樁精確垂直安設(shè)于預(yù)設(shè)位置，并用與導(dǎo)梁工字鋼焊接牢固，確保插打第一片鋼板樁的垂直度。第一片鋼板樁以導(dǎo)梁（導(dǎo)向架）為定位、垂直插（此項(xiàng)工作應(yīng)反復(fù)仔細(xì)校正鋼板樁位，確保垂直）至設(shè)計(jì)標(biāo)高。其余各鋼板樁，則以已插好的鋼板樁為準(zhǔn)，起吊后人工扶持插入前一片鋼板樁鎖口，然后用振拔錘振動(dòng)下沉。振拔錘初始采用點(diǎn)振下沉，待板樁垂直度符合要求后連續(xù)振入下沉。插入樁位的鋼板樁需緊靠導(dǎo)梁 。插打一片或幾片后，將已插好的鋼板樁點(diǎn)焊固定于導(dǎo)梁上。整個(gè)施工過程中，要用錘球始終控制每片樁的垂直度，及時(shí)調(diào)整。插打過程中，須遵守“插樁正直，分散即糾，調(diào)整合攏”

14、的施工要點(diǎn)。4.4 鋼板樁的插打秩序及合攏4.4.1 鋼板樁的插打次序一般從上游中心開始，下游尾部直線端結(jié)束。插打時(shí)盡可能先用標(biāo)識(shí)完好的鋼板樁，合攏段選擇符合同一標(biāo)準(zhǔn)尺度的鋼板樁插打。4.4.2 待鋼板樁施工完畢，即在設(shè)計(jì)圍囹標(biāo)高時(shí)進(jìn)行圍囹架設(shè)。抽水至設(shè)計(jì)圍囹標(biāo)高時(shí)圍囹架設(shè)。各圍囹斜撐采用不低于同等級(jí)的工字鋼制作，施工時(shí)按設(shè)計(jì)高程預(yù)先焊好角鋼短牛腿作為臨時(shí)支撐，待各圍囹安裝并連接就位后，再與鋼板樁焊接牢固。圍囹合攏段按實(shí)際丈量長度在現(xiàn)場加工改制。4.4.3 支撐制作步驟為：在支撐位置施焊三角限位鋼板安裝支撐設(shè)圍堰上限位鋼板支撐與圍框加焊。支撐制作完成后用硬木楔塞緊板樁與圍框之間的間隙。4.5

15、封底施工4.5.1 水下吸泥：吸泥可采用射水、吸泥和抓泥交替進(jìn)行施工。也可根據(jù)實(shí)際情況采用挖掘機(jī)挖除，抽水至圍囹標(biāo)高加工第一道圍囹及斜撐。開始用抓泥機(jī)抓取泥土或采用射水吸泥清除泥土，必要時(shí)潛水員水下射水吸泥，放入排泥船進(jìn)行棄運(yùn)。吸泥結(jié)束后仔細(xì)檢查，特別注意樁周土必須清除干凈，基底平整，高低差不得大于15cm，在吸泥過程中專門派人值班，密切注意板樁變形及堰內(nèi)外水位差，以便及時(shí)處理和補(bǔ)水。4.5.2 干處挖泥：挖泥一般采用抓泥機(jī)、挖掘機(jī)等，也可根據(jù)實(shí)際情況采用射水吸泥法清除泥土。抽水至圍囹標(biāo)高加工第一道圍囹及斜撐。開始用抓泥機(jī)抓取泥或采用射水吸泥清除泥土，放入排泥船進(jìn)行棄運(yùn)。挖泥結(jié)束后詳細(xì)檢查，特

16、別注意樁周土必須清除干凈，基底必須平整，高低差不得大于15cm，在挖泥過程中專門派人值班，密切注意板樁變形及堰內(nèi)外水位差，以便及時(shí)處理和補(bǔ)水。4.5.3 吸泥時(shí)吸出的泥土嚴(yán)禁堆放在鋼板樁四周，及時(shí)用船外運(yùn)，以免增大堰外側(cè)壓力。吸泥后堰內(nèi)土面平整度控制在±15cm左右，采用測繩多點(diǎn)測量控制。4.5.4 吸泥后要注意樁頭周圍土必須清除干凈，須多次、仔細(xì)驗(yàn)收每塊鋼板樁及樁頭角隅，驗(yàn)收合格后方可終止。清基時(shí)不要過分?jǐn)_動(dòng)鋼板樁邊緣土層，以免引起翻砂。靠近鋼板樁附近的泥砂較難吸出，用軟管以0.30.5Mpa的水壓將泥砂沖出。施工中尤其注意鋼板樁角隅泥土應(yīng)清除到位。4.5.5 完成圍堰下沉以及圍堰內(nèi)取土后，進(jìn)行澆筑平臺(tái)的搭設(shè)。4.5.6 封底砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后即抽水，抽水后根據(jù)圍囹設(shè)計(jì)完成圍囹支撐制作。4.5.7 抽水：支撐做好后即可抽水，抽水利用多臺(tái)砂泵連續(xù)不斷的進(jìn)行，在抽水過程中需派專人負(fù)責(zé)觀測及堵漏工作。主要觀測鋼板樁的變形，并備好備用砂泵，以免發(fā)生問題及時(shí)向圍堰內(nèi)回水；對(duì)于大的縫隙由潛水員下水利用棉絮塞縫，對(duì)于小的縫隙利用煤渣、黃油、木屑的混合物在板樁外側(cè)隨水夾至漏縫處自行堵塞。4.5.