钢板桩围堰设计与计算

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1、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。40m2. 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

2、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：1层杂色填土，为新近人工回填而成；2层淤泥、1 层灰色淤泥质粉质粘土、层粘土为软弱场地土；1层暗绿灰黄色 粉质粘土、1浅黄灰绿色粉质粘土及2层粉质粘土夹砂砾、碎石 为中硬场地土，层强风化晶屑凝灰岩、层中等风化

3、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 1 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

4、。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，

5、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

6、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W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

7、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堰顶咼程计算按堤防工程设计规范（GB50286-98）第631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OY二R+e+A式中:Y 堤顶超高（m

8、）;R设计波浪爬高（m）;e 设计风壅水面高（m）,对于海堤，当设计高潮位中包括风壅水面高度时，不另计；A 安全加高（m）。本工程围堰设计标准为非汛期 10年一遇高潮位加8级风下限,经计算，围堰顶咼程确定为3.3m。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： qaA=3.25kPa, qaB=7.53kPa, qaD上=18.47kPq q aD下=8.78kPaq aE=42.97kPa；被动土压力：qpD上=36.96kPa qpD下=22.23kPa, qpE=166.58kPa；水压力：qw=3

9、1.4kPa；浪压力：qac=7.07kPa, qg=21.98kPa, qbc=12.80kPa, qdc=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 MEa、Mb、Mw和Me,钢板桩入土深度 需满足下面经验公式。MEaMepM EwMec1.2经计算，MEa=3160.84kN- m/m IMp=10890.38kN m/m Mw=3408.82kN m/m和 Me =158.46 kN m/n,F=1.61 1.2。5.4堰体宽度计算5.4.1抗剪稳定抗

10、剪稳定采用下列Terzaghi公式进行计算:2B Ea tan3M0.7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 =20。经计算，Ea=106.86 kN, M=175.42 kN - m,K剪=0.74 0.7。5.4.2抗倾稳定抗倾稳疋公式：K倾0.5B G B T 1.4M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 1.45.4.3抗滑稳定抗滑稳定公式：K滑Gf2S 1.4Ew Es式中：G=304.00 kN, f二tg12.5 =0.2

11、2 , S为每钢板桩的抗剪力，S=At , A为每延米钢板桩的断面积，A=46.5cm, t为桩的极限抗剪强度，t=20, E/=106.86 kN, E5=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:1N r rrb Nq qr0dNc cCd经计算，堤基土承载力设计值fd =109.70 kPa c max=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：Ks3.5式中：h=10n, l2 =10m B=5n, h =3.14m。经计算，Ks=7.96 3.5。5.5 锚杆和钢板桩内力

12、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：Z (P1 P2) (10H3 10H 2C 5HC2 C3)/(80HC) 3.5R (2Pa P水 )/HP2(2Pa P水 )/H式中：Pa为泥面以上主动土压力之和，p7K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 22.22 kN,根据设计资料，锚杆的直径为22,fy=310N/mrK根据公式N fyA ,可求出fyA =117.84 kNo若取安全系数为 1.5，并考虑到锚杆

13、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34.75 kN - m/m根据钢板桩的结构型式，查得钢板桩的 V=850cm,刃=200MPa按照下列公式验算:M maxW经验算，钢板桩的内力=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 cos i tan icili)K耳 -Wi sin ii 1经计算，K 1.42，

14、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，易脍锁口破裂、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 42

15、0 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