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摘要：本文通过广东省中山市石岐河大桥5#～6#主墩承台钢板桩堰设计与安全性验算的工程实例,浅析承台钢板桩围堰设计与安全性验算的方法、要点及步骤，对类似工程施工方案设计具有参考意义。
关键词： 承台 钢板桩围堰设计安全性验算
Abstract: this paper through the guangdong zhongshan enterprise toki river bridge # 5 ~ 6 # main piers steel sheet pile bearing platform design and safety of check dam project example, analyze pile caps is steel sheet pile design and safety of checking the cofferdam method, main points and steps to the similar project construction scheme design reference.
Keywords: pile caps is steel sheet pile cofferdam design safety check
中图分类号： TU473.5文献标识码：A文章编号：
1前言
大跨径跨河桥梁桩基础一般采用桩群，桩顶修建承台进行约束。承台浸泡在水中，施工过程中常采钢套箱、钢板桩等作围堰。按《公路水运工程安全监督管理办法》规定，深基坑施工属危险性较大的作业，需编写专项施工方案并附安全性验算。本文以石岐河桥5#～6#墩承台钢板桩围堰设计与安全性验算的实例,浅析钢板桩围堰设计与安全性验算的方法、步骤及内容。
2主墩承台工程概况
石岐河大桥桥长761.06m。5#、6#墩承台为水中承台，长13.9m、宽7.7m、高3.5m，承台顶标高为3.0m，底标高为-0.5m，每个承台约354m3C35砼，要求一次浇注完成。石岐河为内河IV级航道，通航净宽90米，净空8.0m，其最高通航水位为2.18m。桥位处河面宽约140m，河道最深处高程为-3.11m， 河床主要为淤泥层，地层由海陆交互相沉积层、冲洪积层、下浮加里东期和燕山期基岩组成，岩石强度大。
3 围堰设计
根据河床与水文资料分析拟采用单层拉森Ⅳ型钢板桩施作围堰，板长12m，围堰平面尺寸为10.0 m×35m，顶部标高3.00m、底部标高-9.00m、最小入土深度8.10m；在围堰内侧标高+1.4米处设置内围囹（采用2H35型钢），内部顺桥向设置3处钢内撑（采用直径426mm壁厚8mm的钢管）。为不影响承台施工，围堰封底砼达到强度后只保留桥中线的钢支撑、拆除其余两处钢内撑。见下图。
图一承台和钢板桩围堰示意图
4钢板桩围堰计算参数选定
参考《工程地质勘察报告》，覆盖层地质情况选定相关计算参数。
4.1水γ1=9.8 Kn /m3。
4.2淤泥层γ2=15.68Kn/m3 ；内摩擦角φ=6.4o ；凝聚力C1=6.8Kpa；平均含水率ω=57.8﹪；平均土粒密度γs2=2.6*9.8=25.48 Kn/m3 ；主动土压力系数Ka1=tg2(45-6.4/2)=0.80 ；被动土压力系数Kp1=tg2(45+6.4/2)=1.25；浮容重γ2ˊ=（25.48-9.8）*15.68/25.48/（1+57.8﹪）=6.115 Kn/m3。
4.3强风化花岗岩层γ3=18.62Kn/m3 ；内摩擦角φ=32.3o；C2=11.2Kpa；IL=-0.4<1；主动土压力系数Ka2=tg2(45-32.3/2)=0.303；被动土压力系数KP2=tg2(45+32.3/2)=3.295。
4.4钢板桩E=2.06×105Mpa ；μ=0.3 ；设计强度215Mpa。
4.5拉森Ⅳa型钢板桩技术参数：宽度＝400mm；高度＝170mm，腹板厚度h=12mm；单根理论重量77.7Kg/m，每米板面截面矩 。
4.6最高施工水位标高2.19m，承台顶面标高3.0m，承台底面标高-0.50m。河床底标高验算时取最深处为-0.9m。查《石岐河大桥通航安全评估报告》得，建桥后河水最大流速1.77m/s。
5 钢板桩围堰施工流程和最不利工况分析
5.1施工流程
5.1.1制作安装钢板桩施打导向支撑，支撑固定在桩基钢护筒上。
5.1.2采用吊机和振动锤插打钢板桩。
5.1.3钢板桩插打合拢后进行防渗堵漏、安装钢内撑，开挖围堰内基坑至设计标高。
5.1.4浇注封底混凝土，当其强度达到要求后，拆除左右两道钢内撑。
5.1.5承台施工完成后，拆除围堰。
5.2最不利工况分析
A工况：当围堰内基底开挖至设计标高、围堰内抽干水、整平基底、尚未浇注封底砼时钢板桩和钢支撑受到的水压力与主动土压力最大。
B工况：拆除妨碍承台施工的钢内对撑时钢板桩和钢支撑受内力发生变化。
6 最不利工况下钢板桩和钢支撑强度验算
6.1 A工况钢板桩强度验算
取一米板面宽钢板桩进行受力验算，钢板桩最少入土深度8.10m，根据《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）规定，坑内开挖面以上的内支撑点，以弹性支座模拟。坑内开挖面以下作用在钢板桩面的弹性抗力，以均布的水平弹簧支座模拟,用计算软件建立钢板桩受力模型，用Midas 软件计算。
图二6号墩钢板桩设置和河床地质情况示意图
6.1.1 围堰受到土和水的水平荷载标准值计算
6.1.1.1河床面以上围堰每延米宽度的流水压力，根据《实用土木工程手册》公式计算，得：
P流水=0.5K*A*γ1*v2/g=＝7.03KN;
6.1.1.2基坑外侧板桩每延米寬度的静水压力和土压力，参考《上海市基坑工程设计规程》，按照水土分别计算静水压力和土压力。
主动土压力
静水压力位于基坑内地下水位以上按照三角形分布，基坑内地下水位以下按照矩形常量分布。—第i层土的主动土压力系数；—第i层土的容重，地下水位以上土层取天然容重，地下水位以下土层取浮容重; —第i层土直接快剪粘聚力标准值； —土层厚度。
B点上的静水压力为 =9.8*3.09=30.28KN/m;B点上的水平荷载为30.28+7.03=37.31KN/m。
C点上属淤泥层按照水土分别计算，静水水压力和土压力合计为：
γ2ˊ* *+
=47.96KN/m
C点下为强风化花岗岩层，静水水压力和土压力合计 =29.25KN/m<30.28，取 =30.28KN/m。
D点为强风化花岗岩，水平荷载 =（γ2ˊ* +γ3* ）*Ka2 + =40.52KN/m
图三 钢板桩基坑外侧水平荷载标准值计算图
基坑外侧板桩每延米宽度的压力合计：
F =（7.03+37.31）*3.09/2+（30.28+47.96）*6.1/2+（30.28+40.52）*2/2
=377.94KN
6.1.1.3 基坑内侧板桩每延米宽度的土体能够提供的水平抗力标准值（基坑内侧的 为7.7m）
C点上属淤泥层，按照水土分别计算，水平抗力标准值为：
γ2ˊ* *
=58.77 KN/m
C点下属强风化花岗岩层，水平抗力标准值 155.51 KN/m
D点上为强风化花岗岩层，D点上的抗力标准值=278.23KN/m
图四 围堰内侧土体可以提供的水平抗力
基坑内侧板桩每延米宽度可以提供的抗力：
E = =477.31KN
6.1.1.4 基坑内侧支撑点压缩弹簧系数
参照并查（D《上海市基坑工程设计规程》得：土体按照均匀分布的弹簧支座模拟，土体水平弹簧压缩刚度; —地基水平向基床系数，在淤泥层表面k取0;在淤泥层中k取6000； —分别为弹簧的水平向和垂直向计算间距，h取0.833m，b取3m；影响深度系数Z取3～5米，考虑安全Z取大值。为方便计算假设5m范围内分成六处弹簧计算，经计算得：
（ 位于淤泥层顶，弹簧压缩刚度取0）
基坑内支撑点弹性支座的压缩弹簧系数 （钢支撑2I36a工字钢做成）
—与支撑松弛有关的折减系数，取0.75；
E—支撑结构材料的弹性模量，钢支撑取
A—支撑构件的截面面积；
L、S—分别为计算构件长度和间距；
6.1.1.5压缩弹簧刚度验算
根据钢板桩的受力、弹簧支座系数，采用有限元软件建模计算，支座受力和钢板桩弯矩分布如图五图六。
图五 各支点反力图（KN）
图六 钢板桩弯矩图（KN.M）
经计算得：入土部分钢板桩的反力和=314.4KN/m＜水平抗力标准值和477.31KN /m满足要求。
钢板桩受到的最大弯矩 ， 满足要求。
6.2 A工况钢支撑强度验算
经验算得：最大弯曲应力=64MPa、压应力=63MPa＜215MPa ；最大剪应力=30MPa ＜125MPa本工况下设计结构是安全的。计算结果如图七~图十。
图七 计算模型(KN)
图八 各杆件剪切应力图（MPa）
图九 各杆件压应力分布图（MPa）
图十 弯曲应力分布图（MPa）
6.3 B工况下钢板桩强度验算
本工况下封底混凝土对钢板桩的作用相当于一道支撑。计算结果如图十一、图十二。
图十一 各支点反力图（KN）
图十二 钢板桩弯矩图（KN.M）
經验算得：钢板桩受到的最大弯矩51KN.M； ＜215Mpa，强度满足要求。
6.4 B工况下钢支撑强度验算
从钢板桩计算得钢支撑受力为19.5KN/m，应力计算结果如图十三、图十四、图十五。
图十三各杆件压应力图（MPa）
图十四 各杆件剪应力分布图（MPa）
图十五 弯曲应力分布图（MPa）
经验算得：最大弯曲应力和压应力=63MPa＜215MPa ；最大剪应力=18MPa ＜125MPa本工况下采用的设计结构安全。
7结语
5#、6#墩承台围堰于2010年12月开始施工至2011年2月中旬安全顺利完成。本文可为类似方案借鉴。
钢板桩施工应选用质量合格材料、垂直度控制在1%以内、高程误差控制在10cm以内、平面位移控制在15cm以内，沉桩过程要连续、桩与桩要连锁；正式施工前应先进行试拼、试打取得控制参数。钢板桩长度应根据入土最小深度另行验算，避免围堰内基坑开挖后出现管涌等不利工况。
参考文献：
[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003；
[2]《建筑施工计算手册》江正荣编著；
[3]《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）；
[4]《实用土木工程手册》杨文渊编著。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词： 承台 钢板桩围堰设计安全性验算
Abstract: this paper through the guangdong zhongshan enterprise toki river bridge # 5 ~ 6 # main piers steel sheet pile bearing platform design and safety of check dam project example, analyze pile caps is steel sheet pile design and safety of checking the cofferdam method, main points and steps to the similar project construction scheme design reference.
Keywords: pile caps is steel sheet pile cofferdam design safety check
中图分类号： TU473.5文献标识码：A文章编号：
1前言
大跨径跨河桥梁桩基础一般采用桩群，桩顶修建承台进行约束。承台浸泡在水中，施工过程中常采钢套箱、钢板桩等作围堰。按《公路水运工程安全监督管理办法》规定，深基坑施工属危险性较大的作业，需编写专项施工方案并附安全性验算。本文以石岐河桥5#～6#墩承台钢板桩围堰设计与安全性验算的实例,浅析钢板桩围堰设计与安全性验算的方法、步骤及内容。
2主墩承台工程概况
石岐河大桥桥长761.06m。5#、6#墩承台为水中承台，长13.9m、宽7.7m、高3.5m，承台顶标高为3.0m，底标高为-0.5m，每个承台约354m3C35砼，要求一次浇注完成。石岐河为内河IV级航道，通航净宽90米，净空8.0m，其最高通航水位为2.18m。桥位处河面宽约140m，河道最深处高程为-3.11m， 河床主要为淤泥层，地层由海陆交互相沉积层、冲洪积层、下浮加里东期和燕山期基岩组成，岩石强度大。
3 围堰设计
根据河床与水文资料分析拟采用单层拉森Ⅳ型钢板桩施作围堰，板长12m，围堰平面尺寸为10.0 m×35m，顶部标高3.00m、底部标高-9.00m、最小入土深度8.10m；在围堰内侧标高+1.4米处设置内围囹（采用2H35型钢），内部顺桥向设置3处钢内撑（采用直径426mm壁厚8mm的钢管）。为不影响承台施工，围堰封底砼达到强度后只保留桥中线的钢支撑、拆除其余两处钢内撑。见下图。
图一承台和钢板桩围堰示意图
4钢板桩围堰计算参数选定
参考《工程地质勘察报告》，覆盖层地质情况选定相关计算参数。
4.1水γ1=9.8 Kn /m3。
4.2淤泥层γ2=15.68Kn/m3 ；内摩擦角φ=6.4o ；凝聚力C1=6.8Kpa；平均含水率ω=57.8﹪；平均土粒密度γs2=2.6*9.8=25.48 Kn/m3 ；主动土压力系数Ka1=tg2(45-6.4/2)=0.80 ；被动土压力系数Kp1=tg2(45+6.4/2)=1.25；浮容重γ2ˊ=（25.48-9.8）*15.68/25.48/（1+57.8﹪）=6.115 Kn/m3。
4.3强风化花岗岩层γ3=18.62Kn/m3 ；内摩擦角φ=32.3o；C2=11.2Kpa；IL=-0.4<1；主动土压力系数Ka2=tg2(45-32.3/2)=0.303；被动土压力系数KP2=tg2(45+32.3/2)=3.295。
4.4钢板桩E=2.06×105Mpa ；μ=0.3 ；设计强度215Mpa。
4.5拉森Ⅳa型钢板桩技术参数：宽度＝400mm；高度＝170mm，腹板厚度h=12mm；单根理论重量77.7Kg/m，每米板面截面矩 。
4.6最高施工水位标高2.19m，承台顶面标高3.0m，承台底面标高-0.50m。河床底标高验算时取最深处为-0.9m。查《石岐河大桥通航安全评估报告》得，建桥后河水最大流速1.77m/s。
5 钢板桩围堰施工流程和最不利工况分析
5.1施工流程
5.1.1制作安装钢板桩施打导向支撑，支撑固定在桩基钢护筒上。
5.1.2采用吊机和振动锤插打钢板桩。
5.1.3钢板桩插打合拢后进行防渗堵漏、安装钢内撑，开挖围堰内基坑至设计标高。
5.1.4浇注封底混凝土，当其强度达到要求后，拆除左右两道钢内撑。
5.1.5承台施工完成后，拆除围堰。
5.2最不利工况分析
A工况：当围堰内基底开挖至设计标高、围堰内抽干水、整平基底、尚未浇注封底砼时钢板桩和钢支撑受到的水压力与主动土压力最大。
B工况：拆除妨碍承台施工的钢内对撑时钢板桩和钢支撑受内力发生变化。
6 最不利工况下钢板桩和钢支撑强度验算
6.1 A工况钢板桩强度验算
取一米板面宽钢板桩进行受力验算，钢板桩最少入土深度8.10m，根据《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）规定，坑内开挖面以上的内支撑点，以弹性支座模拟。坑内开挖面以下作用在钢板桩面的弹性抗力，以均布的水平弹簧支座模拟,用计算软件建立钢板桩受力模型，用Midas 软件计算。
图二6号墩钢板桩设置和河床地质情况示意图
6.1.1 围堰受到土和水的水平荷载标准值计算
6.1.1.1河床面以上围堰每延米宽度的流水压力，根据《实用土木工程手册》公式计算，得：
P流水=0.5K*A*γ1*v2/g=＝7.03KN;
6.1.1.2基坑外侧板桩每延米寬度的静水压力和土压力，参考《上海市基坑工程设计规程》，按照水土分别计算静水压力和土压力。
主动土压力
静水压力位于基坑内地下水位以上按照三角形分布，基坑内地下水位以下按照矩形常量分布。—第i层土的主动土压力系数；—第i层土的容重，地下水位以上土层取天然容重，地下水位以下土层取浮容重; —第i层土直接快剪粘聚力标准值； —土层厚度。
B点上的静水压力为 =9.8*3.09=30.28KN/m;B点上的水平荷载为30.28+7.03=37.31KN/m。
C点上属淤泥层按照水土分别计算，静水水压力和土压力合计为：
γ2ˊ* *+
=47.96KN/m
C点下为强风化花岗岩层，静水水压力和土压力合计 =29.25KN/m<30.28，取 =30.28KN/m。
D点为强风化花岗岩，水平荷载 =（γ2ˊ* +γ3* ）*Ka2 + =40.52KN/m
图三 钢板桩基坑外侧水平荷载标准值计算图
基坑外侧板桩每延米宽度的压力合计：
F =（7.03+37.31）*3.09/2+（30.28+47.96）*6.1/2+（30.28+40.52）*2/2
=377.94KN
6.1.1.3 基坑内侧板桩每延米宽度的土体能够提供的水平抗力标准值（基坑内侧的 为7.7m）
C点上属淤泥层，按照水土分别计算，水平抗力标准值为：
γ2ˊ* *
=58.77 KN/m
C点下属强风化花岗岩层，水平抗力标准值 155.51 KN/m
D点上为强风化花岗岩层，D点上的抗力标准值=278.23KN/m
图四 围堰内侧土体可以提供的水平抗力
基坑内侧板桩每延米宽度可以提供的抗力：
E = =477.31KN
6.1.1.4 基坑内侧支撑点压缩弹簧系数
参照并查（D《上海市基坑工程设计规程》得：土体按照均匀分布的弹簧支座模拟，土体水平弹簧压缩刚度; —地基水平向基床系数，在淤泥层表面k取0;在淤泥层中k取6000； —分别为弹簧的水平向和垂直向计算间距，h取0.833m，b取3m；影响深度系数Z取3～5米，考虑安全Z取大值。为方便计算假设5m范围内分成六处弹簧计算，经计算得：
（ 位于淤泥层顶，弹簧压缩刚度取0）
基坑内支撑点弹性支座的压缩弹簧系数 （钢支撑2I36a工字钢做成）
—与支撑松弛有关的折减系数，取0.75；
E—支撑结构材料的弹性模量，钢支撑取
A—支撑构件的截面面积；
L、S—分别为计算构件长度和间距；
6.1.1.5压缩弹簧刚度验算
根据钢板桩的受力、弹簧支座系数，采用有限元软件建模计算，支座受力和钢板桩弯矩分布如图五图六。
图五 各支点反力图（KN）
图六 钢板桩弯矩图（KN.M）
经计算得：入土部分钢板桩的反力和=314.4KN/m＜水平抗力标准值和477.31KN /m满足要求。
钢板桩受到的最大弯矩 ， 满足要求。
6.2 A工况钢支撑强度验算
经验算得：最大弯曲应力=64MPa、压应力=63MPa＜215MPa ；最大剪应力=30MPa ＜125MPa本工况下设计结构是安全的。计算结果如图七~图十。
图七 计算模型(KN)
图八 各杆件剪切应力图（MPa）
图九 各杆件压应力分布图（MPa）
图十 弯曲应力分布图（MPa）
6.3 B工况下钢板桩强度验算
本工况下封底混凝土对钢板桩的作用相当于一道支撑。计算结果如图十一、图十二。
图十一 各支点反力图（KN）
图十二 钢板桩弯矩图（KN.M）
經验算得：钢板桩受到的最大弯矩51KN.M； ＜215Mpa，强度满足要求。
6.4 B工况下钢支撑强度验算
从钢板桩计算得钢支撑受力为19.5KN/m，应力计算结果如图十三、图十四、图十五。
图十三各杆件压应力图（MPa）
图十四 各杆件剪应力分布图（MPa）
图十五 弯曲应力分布图（MPa）
经验算得：最大弯曲应力和压应力=63MPa＜215MPa ；最大剪应力=18MPa ＜125MPa本工况下采用的设计结构安全。
7结语
5#、6#墩承台围堰于2010年12月开始施工至2011年2月中旬安全顺利完成。本文可为类似方案借鉴。
钢板桩施工应选用质量合格材料、垂直度控制在1%以内、高程误差控制在10cm以内、平面位移控制在15cm以内，沉桩过程要连续、桩与桩要连锁；正式施工前应先进行试拼、试打取得控制参数。钢板桩长度应根据入土最小深度另行验算，避免围堰内基坑开挖后出现管涌等不利工况。
参考文献：
[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003；
[2]《建筑施工计算手册》江正荣编著；
[3]《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）；
[4]《实用土木工程手册》杨文渊编著。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。