钢板桩围堰的设计与施工
时间:2016-05-06 14:33来源:未知 作者:湖北安卓兴 点击:
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钢板桩围堰是指在水利工程建设中，为建造永久性水利设施，修建的临时性围护结构。其作用是防止水和土进入建筑物的修建位置，以便在围堰内排水，开挖基坑，修筑建筑物。一般主要用于水工建筑中，除作为正式建筑物的一部分外，围堰一般在用完后拆除。
钢板桩围堰在桥梁基础施工中，当桥梁墩、台基础位于地表水位以下时，根据当地材料修筑成各种形式的土堰；在水较深且流速较大的河流可采用木板桩或钢板桩（单层或双层）围堰，目前多使用双层薄壁钢围堰。围堰的作用既可以防水、围水，又可以支撑基坑的坑壁。
对于水库加固工程来说，钢板桩围堰是一项非常重要的工程，我们在进行施工的过程中，必须要对土石转堰边坡有一定的研究与把握，土石围堰边坡稳定安全系数多大？
随着国家对水库冶理工作的不断重视，水库除险工作也成为了重点内容之一，如何加固水库除险工作的顺利展开，必须要对土石坝边坡或是围堰边坡的稳定性进行核算，必要的是计算安全系数，通过单一安全系数来进行加工处理。由于这种方法的缺陷也比较明显，可以说是日益暴露，另外，更为可靠的计算方法张显的更为突出，我们就提出一种更加可靠的计算方法，通过可靠性理论的分析，来了解或是说考虑影响边坡稳定的多种变异性。从而严格计量实际的安全度。
由于可靠性理论是对土石坝边坡稳定性分析以及评价的最符合实际的一项重要理论，如何能够更加符合实际，必须要对国内外边坡的稳定性以及可靠性进行研究，我们把边坡定值理论以及相应的可靠性进行全面的分析，以些来进行结合，利用一定的定值来进行全面的分析， 这是一种最为简便的分析方法，主要是考虑到了土性参数的变异性以及不确定性。我们在进行分析的过程中，必须要对传统的定值分析方法有一定的临界滑裂面，以这些来为基准的方法进行计算，从可靠指标以及边坡失效概率等方面进行计算。
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土木工程。
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。土木
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。 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。
3、围堰（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。 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）
6、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: =2668+104=2772KN 安全系数N=2772/1850=1.5，承载力满足要求。
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