钢板桩围堰设计与计算

船台及驳岸施工围堰设计与计算

1、工程概况

浙江舟山市六横岛位于舟山群岛的南部海域，在虾峙门国际航道的西南侧，是舟山市的第三大岛，为舟山市重点扶持的三大岛之一，占地约106。8平方公里。厂址区域四周由穿山半岛和舟山群岛所环抱，形成一个近封闭水域。本工程位于厂内八号、九号码头之间。

工程范围:

1. 船台二座：船台长250m，宽45m，水下段长60m，滑道坡度1：20，滑道底标高-3。00m，顶标高12。40m；

2. 陆域独立吊车道: 600T龙门起重机轨道一组：2x437m; 150T 门机轨道三组：6x303m;

3. 直立驳岸约230m。

为了确保船台及驳岸的干地施工，须在外海侧顺堤设围堰，从而确保工程进度。本工程工作量大，施工时间相对较紧，施工工期：2008年1月1日~6月30日，共6个月。

2、自然条件

2.1 水文资料

设计水位:

设计高水位：2.14m

设计低水位：-2.60m

下水水位：1.50m2.2 地质资料

场地内地质构造活动较稳定，未见新构造运动及活动断裂，不存在液化土层，故属基本稳定区。根据工程地质勘察报告，场地地层自上而下分为：①1层杂色填土，为新近人工回填而成；①2层淤泥、②1层灰色淤泥质粉质粘土、④层粘土为软弱场地土；③1层暗绿～灰黄色粉质粘土、⑤1浅黄～灰绿色粉质粘土及⑤2层粉质粘土夹砂砾、碎石为中硬场地土，⑥层强风化晶屑凝灰岩、⑦层中等风化晶屑凝灰岩为坚硬场地土。

由于拟建场地20.0m深度范围内无饱和砂性土及粉土存在，本场地为不液化场地。场地内分布有较厚的软弱土。该区域由于拟建场地周围无污染源存在，对钢结构具中等腐蚀性。

本次设计钢板桩插入②1层灰色淤泥质粉质粘土土层中，淤泥质粉质粘土的物力力学性质指标为：含水率42.6%，比重 2.74，重度17.4kN/m3，固快粘聚力13.34kPa、内摩察角12.5。

其余参数详见地质勘探报告。

3、围堰方案比选

围堰是用于围护水工建筑施工场地的临时挡水建筑物。围堰具有不同于一般建筑物的施工和运行特点。其合理的结构应是断面简单、构筑和拆除方便，满足稳定、防冲蚀、防渗漏的要求。既不可以永久建筑物对待，又不可掉以轻心、马虎从事。

根据场地现有情况，本次设计比选两种围堰方案。方案A：土石坝围堰：利用当地现有材料作为主要筑填材料；方案B：钢板桩围堰：采用拉森钢板桩作为围堰外壁，然后填充粘土。

方案A（土石坝围堰）为传统的土石围堰，可采用当地土石材料。传统的土石围堰通常存在如下问题:（1）围堰一般要求快速施工，但实际施工中往往土方量大、土堆不高、沉滑严重。而在软弱地基上必须控制加荷速率，待地基承载力提高了，才能往上加荷，因此施工速度较慢。（2）土石围堰直接在水下施工，水下抛投的堰坡受水下自然休止角的控制，而且水下清基困难，通常直接坐落在覆盖层上，质量往往难以保证。(3)围堰在工程完成后往往需要拆除。由于大多在水下，时常因拆除不彻底，留有根底影响码头前沿水深。(4) 由于受水下自然休止角的控制，堆不高，造成坡度很缓、占地面积大、方量多，增加填筑与拆除的工作量。 (5) 在水深流速和风浪大的围堰中，冲蚀严重、边坡不稳定。特别是在软土地基上的围堰，加之潮涨潮落的水位变化，造成沉移、滑坡倒塌，经常需要修补填筑。

方案B（钢板桩围堰）采用拉森钢板桩作为围堰的外壁，在离开驳岸线适当距离后即可施打两排拉森钢板桩，最外侧钢板桩滩地高程也只有-2。0m。该方案具有施工速度快、建筑拆除也快、稳定性好、防冲蚀、防渗性好的特点。

综合比较，推荐方案B，即钢板桩围堰方案。对于施工工期比较紧张的船台工程，该方案具有明显的时间优势。

4、钢板桩围堰设计

4.1平面布置

钢板桩围堰平行于驳岸线布置，考虑基坑内施工场地要求，围堰内侧钢板桩距离拟建驳岸线5m，南北两端垂直转向并延伸至现有驳岸线。形成防汛封闭。

围堰中心线长约362m，其中顺岸围堰长245m，南侧围堰长36m，北侧围堰长81m。

4.2结构设计

围堰采用拉森钢板桩围堰。围堰内外侧均采用Ⅳ型拉森钢板桩，桩长15m，桩顶标高2.8m，桩底标高-12.2m，桩顶设围檩，两排桩间采用钢拉杆连接，拉杆间距3m。桩距5m。围堰钢板桩间填粘性土，-0.5m高程以下及外侧钢板桩内侧抛填袋装土，以增强围堰的抗渗能力。钢板桩围堰完成后，在顶上加筑0.5m高袋装土围堰，外海侧设浆砌块石小挡墙，墙底及内侧设防渗土工膜。堰顶高程3.3m。这样可以增长钢板桩的入土深度，提高围堰的整体稳定性、抗滑性和防渗能力，使围堰设计更加经济合理。

围堰外侧抛填块石至-0.5m高程，抛石平台宽2m，坡比1：2。围堰内侧抛填袋装土至-0.5m高程，顶宽1m，坡比1：1。

具体结构详见下图。

图1 围堰结构图

5、钢板桩围堰计算

5.1堰顶高程计算

按《堤防工程设计规范》(GB50286—98)第6.3.1条，堰顶高程应按设计洪水位或设计高潮位加堤顶超高确定,堤顶超高按下式确定。

Y=R+e+A

5.2外力计算

钢板桩主要受土压力（包括主动土压力和被动土压力）、水压力和波浪力作用，还有围顶荷载(填土和施工荷载)。其中主动土压力：

q aA=3.25kPa，q aB=7.53kPa，q aD上=18.47kPa, q aD下

=8.78kPa,q aE=42.97kPa；被动土压力：q pD上=36.96kPa, q pD下=22.23kPa, q pE=166.58kPa；水压力：q w=31.4kPa；浪压力：q ac=7.07kPa，

q oc=21.98kPa，q bc=12.80kPa，q dc=12.68kPa；q=13.0 kPa。

计算简图如下：

图2 计算简图

5.3钢板桩入土深度计算

钢板桩的外力参照图2，确定由主动土压力、被动土压力、水压力和浪压力对锚杆安装点的力矩M Ea、M Ep、M Ew和M Ec,钢板桩入土深度需满足下面经验公式。

2.1≥++=Ec Ew Ea Ep

M M M M F

经计算，M Ea =3160.84kN ·m/m 、M Ep =10890.38kN ·m/m 、

M Ew =3408.82kN ·m/m 和M Ec =158.46kN ·m/m ,F=1.61＞1.2。

5.4堰体宽度计算

5.4.1 抗剪稳定

抗剪稳定采用下列Terzaghi 公式进行计算：

7.03tan a 2≥??=M

E B K φ剪式中：M 为外力对基面的力矩，Ea 为围堰中心线上的压力，

B =5.0m ，内摩察角φ=20°。经计算，Ea =106.86 kN ，M =175.42 kN ·m ，K 剪=0.74＞0.7。

5.4.2 抗倾稳定抗倾稳定公式：4.15.0≥?+?=M

T B G B K 倾式中：M =175.42 kN ·m ，G 为堰体每延米重，G =304.00 kN ，T 为每延米钢板桩与基土的摩阻力，T =300.00 kN ，K 倾=12.88＞1.4。

5.4.3 抗滑稳定抗滑稳定公式：4.12≥++?=S

W E E S f G K 滑

式中：G =304.00 kN ，f =tg12.5°=0.22，S 为每钢板桩的抗剪力，S =A τ，A 为每延米钢板桩的断面积，A =46.5cm 2，τ为桩的极限抗剪强度，τ=20，E W =106.86 kN ，E S =0,K 滑=18.04＞1.4。

5.4.4 堤基承载力计算

根据土的抗剪强度指标，按下列公式确定堤基土承载力特征值：

d Nc d Nq b N f c q r r dh C r r 2

10ξξξ++= dh d d f f γ=

经计算，堤基土承载力设计值d f =109.70kPa ，σmax=89.80kPa ，地基承载力稳定。

5.4.5 地基土管涌计算

地基土的管涌计算应满足下列公式：

5.3s 21≥?++=

h B l l K 式中：1l =10m ，2l =10m ，B=5m ，h ?=3.14m 。经计算，s K =7.96＞3.5。

5.5锚杆和钢板桩内力计算

5.5.1 锚杆内力计算

锚杆的内力采用比较符合实际情况的变位法计算。即假定钢板桩内、外侧板桩由于外力作用产生变位，在拉杆处的内向变位相等。计算公式如下：

5.3)80/()51010()(322321≥-+-?+=HC C HC C H H P P Z

H P P P /)2(a 1水-=

H P P P /)2(a 2水+=

式中：a P 为泥面以上主动土压力之和，水P 为泥面以上水压力和浪压力之和，

C 为泥面以上水深，H 为泥面以上桩长。

经计算，锚杆拉力为22.22kN ，根据设计资料，锚杆的直径为φ22，y f =310N/mm 2

，根据公式A f N y ≤,可求出A f y =117.84kN 。若取安全系数为1.5，并考虑到锚杆的间距为 3.0m ，可求出锚杆轴向拉力设计值N =99.98 kN 。经验算，锚杆的拉力满足强度要求。

5.5.2 钢板桩内力计算

钢板桩内力计算可先确定钢板桩剪力为零的位置，然后计算该店的弯矩，即钢板桩的最大弯矩。

经计算，钢板桩最大弯矩为34.75kN ·m/m 。

根据钢板桩的结构型式，查得钢板桩的W =850cm 3,[σ]=200MPa 。按照下列公式验算：

[]σσ≤=W

M max 经验算，钢板桩的内力σ=40.88MPa ，满足强度要求。

5.6围堰整体稳定计算

采用瑞典圆弧法对围堰进行稳定计算，稳定安全系数采用《建筑基坑支护规程》公式。

∑∑==+=n

i i i

i i i i i i

W l c W K 11

sin )tan cos (α

φα 经计算，=K 1.42，围堰整体稳定符合规范要求。

6、钢板桩围堰施工

6.1施工准备：

A 、插打钢板桩前的准备工作

a 钢板桩经过装卸、运输、会出现撞伤、弯扭及锁口变形，钢板桩在拼组前必须进行检查，剔除锁口破裂、扭曲、变形的钢板桩；剔除钢板桩表面因焊接钢板、钢筋留下的残渣瘤。

b 、在钢板桩锁口内涂抹黄油以减少插打时锁口间的摩擦和减少钢板桩围堰的渗漏。

c 插打钢板桩的导向设备

按照施工方法，一般先打定位桩，在定位桩上安置导梁，组成框架式的围笼作为插桩时的导向设备，因此在施打前必须制作导向架。

B 检查振动锤

振动锤是打拔钢板桩的关键设备，在打拔前一定要进行专门检查，确保线路畅通，功能正常。振动锤的端电压要达到380－420 V，而夹板牙齿不能有太多磨损。

6.2插打钢板桩

6.2.1插打第一片钢板桩

为了确保插打位置准确，第一片钢板桩是插打的关键。插打在导向架上设置一个限位框架，大小比钢板桩每边放大1cm，插打时钢板桩背紧靠导向架，边插打边将浮吊钩缓慢下放。这时在互相垂直的两个方向用经纬仪观测，以确保钢板桩插正、插直，然后以第一根钢板桩为基准，再向两边对称插打钢板桩。在整个钢板桩围堰施打过程中，开始时插一根打一根，即将每一片钢板桩打到设计位置，到剩下最后5片时，要先插后打，若合拢有误，用倒链或滑车组对拉使之合拢，合拢后，再逐根打到设计深度。

6.2.2钢板桩的插打作业步骤和技术要点

a、在钢板桩锁口内涂黄油，安置吊点，根据浮吊起重高度可在桩顶利用拔桩孔系千斤顶，如起重机高度不够，可用钢丝绳在钢板桩

1/3以上处捆扎，捆扎处应有夹板，并垫有木块，胶皮以防滑移和受力后吊点处锁口变形。

b、在钢板桩下端系揽风绳二根，浮吊起吊钢板桩接近垂直状态时，利用揽风绳控制正反方向。

c、钢板桩就位下插，第一片钢板桩沿活动导向下插是整个围堰的基准，要反复测量检查，使其方向垂直，位置准确，必要时可加辅助设施，控制桩在导向内的左右位置。

d、移动浮吊，将桩夹住后，进一步复核桩的垂直度、位置，认可后进行插打。使钢板桩（第一片或第一组）下沉到河床设计标高，其它钢板桩则以插打好的桩为准。对准锁口，控制好方向，利用自重下插，当自重不能迫使下插时，可利用配重或滑车组加压。

6.3拔桩

船台及护岸施工结束，立即拔除钢板桩。拔桩前向围堰内灌水。拔桩时先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min～2min，使钢板桩周围的土松动，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔。拔桩时注意桩机的负荷情况，发现上拔困难或拔不上来时，应停止拔桩，先振动1min～2min后再往下锤0。5m～1。0m再往上振拔，如此反复既可将桩拔出来。同时观察浮吊吃水情况，逐渐加快起拔速度。