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摘要：结合大南沙特大桥主桥基础钢板桩围堰设计实例，对钢板桩围堰结构桩长、堰体宽度、结构内力以及整体稳定等进行了计算复合, 指出围堰设计方法对同类工程围堰结构的设计、计算具有参考价值。
关键词：大南沙特大桥；钢板桩围堰设计；深度计算
Abstract: combining the main bridge foundation south Saudi big steel cofferdam pile design examples of the steel cofferdam pile structure pile length, width, structure and internal force pointed overall stability of composite calculation, and points out that the design of the cofferdam method of similar projects in the structural design of the cofferdam, calculation has reference value.
Keywords: big south Saudi bridge; Steel sheet pile cofferdam design; Depth calculation
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
1.1 钢板桩围堰尺寸
大南沙特大桥主桥20#主墩承台尺寸为24.8m（横桥向）×9.2m（纵桥向）×5m（高度）（未含50cm塔座高度），综合考虑承台模板、围囹及施工空间需要，施工时拟定钢板桩内侧缘宽出承台各边1.5m，即钢板桩围堰内尺寸为27.8m（横桥向）×12.2m（纵桥向）。20#墩位于小榄水道河滩，根据现场实测情况，墩位处河床标高为+0.0m。20#墩承台顶面设计标高为-2.0m（未含50cm高塔座），底标高-7.0m，考虑水下封底，封底厚度为100cm，下面抛片石50cm，则20#墩基坑底标高为-8.5m。
2 工程地质条件
根据本工程地质勘察报告，20#主墩承台范围河床以下30m均為④-1层，土质为淤泥质粉质粘土，力学性能参数为=15.9KN/m³,=12.8º, C＝2.0kpa。
根据设计资料提供的最高设计水位、水文站勘测资料等数据，以及施工现场的观测，综合比较分析，施工时计算水位取+2.5m，围堰钢板桩顶标高取+3.5m。
按满足施工操作空间的需要以及现有平台钢管桩的位置，单墩钢板桩围堰平面内壁尺寸采用27.8m（横桥向）×12.2m（纵桥向），根据实际施工情况需要，钢板桩围堰顶面高程采用+3.5m。围堰材料采用国产新IV型钢板桩。
3 计算参数确定
本计算书中是采用的单边容许应力法，按《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》取值。即：
Q235：[σ拉、压]=140Mpa
[σ弯]=145Mpa
[τ]=85Mpa
Q345（16Mn）：[σ拉、压]=200Mpa
[σ弯]=210Mpa
[τ]=120Mpa
根据该规范规定，临时结构可在容许应力基础上乘以1.3的扩大系数，由于钢板桩为租用，考虑材料折旧等因素，钢板桩材料容许应力不作临时提高。
允许挠度：L/400。
4国产新Ⅳ型钢板桩尺寸和截面特性
1、截面尺寸：宽度：400mm、高度：180mm、厚度：15.5mm。钢板桩材质为16锰钢。
2、截面特性（单根板桩）：B=400mm、h=180mm、t=15.5mm、t=10.5mm，截面积为，截面抵抗矩为,惯性矩为,重量为。
国产新IV型钢板桩
5板桩结构计算
5.1钢板桩入土深度计算
根据封底砼厚度1.0m，下抛片石0.5m，确定围堰内基坑底标高为-8.5m，采用等值梁法计算钢板桩入土深度。
计算的工况为：围堰内抽水至标高-4.0m，第二层内支撑安装完毕后，基坑开挖至标高-8.5m。
钢板桩围堰相关设计相关控制参数：
⑴封底砼浇筑前设置两层内支撑，第一层内支撑中心标高为+0.0m，第二层内支撑中心标高为-3.5m。
⑵围堰外设计水位为+2.5m，围堰内设计水位为-4.0m。
⑶钢板桩顶标高为+3.5m，设计钢板桩长21m，则钢板桩底标高为-17.5m。
⑷墩位处原始河床标高为+0.0m，围堰内最终基坑开挖标高为-8.5m。
淤泥质粉质粘土力学性能参数表（最近提供地质资料）
容重() 粘聚力() 内摩擦角(°) 主动土压力系数 被动土压力系数
15.9 2.0 12.8 0.637 1.569
说明：表中所指容重为土的天然容重。
其中：主动土压力系数，
：被动土压力系数，
根据地勘资料，河床面以下30m范围均为饱和状不透水淤泥质粉质粘土，钢板桩采用水土合算进行，将土面以上水深作为均布的超载作用考虑，将均布荷载换算成位于土面以上假想的当量土层：
围堰外2.5m高水当量的土层厚度
围堰内4.5m高水当量的土层厚度
钢板桩入土深度计算图式
y：钢板桩上压力强度等于零的点离挖土面的距离。
t0：钢板桩的最小入土深度。
t：钢板桩的入土深度。
钢板桩上压力强度为零点处作用于钢板桩上的主动压力和被动压力的计算如下：
求得
以压力零点作为一个支点，按照简支梁计算该点反力。
计算图式
支点反力图
由上图可知，，，
根据和墙前被动土压力对钢板桩底端力矩相等的原理，计算如下：
求得
要求钢板桩的入土深度在基坑开挖面以下处，，即要求钢板桩底标高为-8.5-6.38=-14.88，钢板桩的顶标高为+3.5，由此求得钢板桩的总长度为3.5+14.88=18.38，项目上报方案中钢板桩长度取21m可以满足要求。
5.2抗倾覆验算
根据上面计算可知，钢板桩理论入土深度为，按多锚点情况验算钢板桩入土深度能否满足抗倾覆要求。
多支点支护钢板桩插入深度计算简图
即上面计算的钢板桩入土深度能满足抗倾覆要求。
5.3基坑底抗管涌验算
根据地勘资料，河床面以下30m范围均为饱和状不透水淤泥质粉质粘土，故不需要进行基坑抗管涌验算。
5.4基坑底部的隆起验算
设能满足基底抗隆起要求的钢板桩最小入土深度为x，抗隆起安全系数取为，则x计算如下
，计算得
则要求钢板桩最小长度为，即项目采用21m长钢板桩能满足基底抗隆起要求。
6钢板桩及支撑系统计算
6.1承台钢板桩围堰施工流程
根据项目提供的《钢板桩围堰设计计算书》和《承台施工方案》等相关资料，确定采用先下钢板桩再设围囹的施工顺序进行钢板桩施工。
先按照设计位置插打钢板桩，然后围堰内抽水至标高为-0.5m，堰内开挖基坑至标高为-0.5m左右，安装第一层围囹和内支撑；继续抽水和开挖基坑至标高为-4.0m时，安装第二层围囹和内支撑；保持堰内水头不变，继续开挖基坑至标高为-8.5m，然后抛填50cm厚片石，水下浇筑1.0m厚封底砼；待封底砼强度达到90%后，堰内抽水至标高为-7.0m（此时围堰内水已全部抽出），绑扎第一层承台钢筋，浇筑第一层承台砼；待砼强度达到设计要求后，进行第一次支撑转换；拆除第二层围囹和内支撑；绑扎第二层承台钢筋，浇筑第二层承台砼；待砼强度达到设计要求后，进行第二次支撑转换；拆除第一层围囹和内支撑；进行墩身施工；待墩身出水面后，拔除钢板桩。
6.2承台钢板桩围堰工况分析
根据施工流程分析，钢板桩围堰主要受力工况为：
1、围堰外水位为+2.5m，河床标高为0m，围堰内抽水至标高为-0.5m，围堰内基坑标高为-0.5m，第一层围囹和内支撑尚未安装。
2、安装第一层围囹和内支撑。
3、围堰外水、土施工条件不变，围堰内抽水至标高为-4.0m，围堰内基坑标高为-4.0m，第二层围囹和内支撑尚未安装。
4、安装第二层围囹和内支撑。
5、保持围堰内水位不变，基坑开挖至标高为-8.5m。
6、浇筑封底砼。
7、围堰内抽水至标高为-7.0m。
8、浇筑第一层承台砼，待强度满足设计要求后，施工第一层圈梁。
9、拆除第二层围囹和内支撑。
10、浇筑第二层承台砼，待强度满足设计要求后，施工第二层圈梁。
11、拆除第二层围囹和内支撑。
12、墩身施工。
6.3承台钢板桩和支撑系统计算
承台钢板桩围堰采用midas空间有限元分析程序计算，对钢板桩围堰整体进行建模分析，并对杆件赋予自有材料特性，以下选取承台施工过程中钢板桩围堰最不利工况进行详细计算。由于本工程所处河流流速和潮差均很小，本计算书中忽略不计。
工况1：围堰外水位为+2.5m，河床标高为0m，围堰内抽水至标高为-0.5m，围堰内基坑标高为-0.5m，第一层围囹和内支撑尚未安装。主要荷载有：外侧静水压力、主动土压力和被动土压力。
⑴外侧静水压力
围堰外水位标高为+2.5m，河床顶面标高为0.0m，水头高度为，外侧静水压力计算如下：
⑵外侧主动土压力
围堰外水位为+2.5m，河床标高为0m，即堰外水高，河床以下30m范围为淤泥质粉质粘土，则2.5m高水的当量土层厚度计算如下：
围堰外侧河床顶面主动土压力强度计算如下：
围堰外侧钢板桩底面主动土压力强度计算如下：
⑶内侧被动土压力
围堰内水位为-0.5m，围堰内基坑标高为-0.5m，河床以下30m范围为淤泥质粉质粘土。
围堰内侧基坑顶面被动土压力强度计算如下：
围堰内侧钢板桩底面被動土压力强度计算如下：
激活和钝化组
激活结构组 钢板桩
激活边界组 钢板桩端部约束、地基弹性约束（从标高-0.5m开始）
激活荷载组 外侧静水压力、外侧土压力（含2.5m高水）、内侧土压力（标高-0.5m）
荷载分布图
钢板桩应力图
钢板桩最大应力为。
整体变形图
最大变形为。
结束语
钢板桩围堰在各种工况荷载作用下，是安全的，能满足广珠中线二期工程大南沙特大桥主桥20#墩承台在各种工况条件下施工的要求。
钢板桩围堰作为一种轻型围堰结构形式, 具有体积小、施工方便、经济, 并且钢板桩可以回收利用等优点, 在软土地基中有着较好的应用效果。本文通过围堰设计实例, 对该种围堰结构形式进行设计, 并对堰体宽度、桩长等各项稳定指标进行复核计算, 计算结果表明该堰形能够保证施工期围堰结构的稳定要求, 可作为软土地基中施工围堰的推广体形。
参考文献:
[1] 周连有. 双排钢板桩围堰设计实例[ Z] . 天津: 天津市交通委
员会, 2002.
[2]《路桥施工计算手册》
[3]《基础工程》
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：大南沙特大桥；钢板桩围堰设计；深度计算
Abstract: combining the main bridge foundation south Saudi big steel cofferdam pile design examples of the steel cofferdam pile structure pile length, width, structure and internal force pointed overall stability of composite calculation, and points out that the design of the cofferdam method of similar projects in the structural design of the cofferdam, calculation has reference value.
Keywords: big south Saudi bridge; Steel sheet pile cofferdam design; Depth calculation
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
1.1 钢板桩围堰尺寸
大南沙特大桥主桥20#主墩承台尺寸为24.8m（横桥向）×9.2m（纵桥向）×5m（高度）（未含50cm塔座高度），综合考虑承台模板、围囹及施工空间需要，施工时拟定钢板桩内侧缘宽出承台各边1.5m，即钢板桩围堰内尺寸为27.8m（横桥向）×12.2m（纵桥向）。20#墩位于小榄水道河滩，根据现场实测情况，墩位处河床标高为+0.0m。20#墩承台顶面设计标高为-2.0m（未含50cm高塔座），底标高-7.0m，考虑水下封底，封底厚度为100cm，下面抛片石50cm，则20#墩基坑底标高为-8.5m。
2 工程地质条件
根据本工程地质勘察报告，20#主墩承台范围河床以下30m均為④-1层，土质为淤泥质粉质粘土，力学性能参数为=15.9KN/m³,=12.8º, C＝2.0kpa。
根据设计资料提供的最高设计水位、水文站勘测资料等数据，以及施工现场的观测，综合比较分析，施工时计算水位取+2.5m，围堰钢板桩顶标高取+3.5m。
按满足施工操作空间的需要以及现有平台钢管桩的位置，单墩钢板桩围堰平面内壁尺寸采用27.8m（横桥向）×12.2m（纵桥向），根据实际施工情况需要，钢板桩围堰顶面高程采用+3.5m。围堰材料采用国产新IV型钢板桩。
3 计算参数确定
本计算书中是采用的单边容许应力法，按《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》取值。即：
Q235：[σ拉、压]=140Mpa
[σ弯]=145Mpa
[τ]=85Mpa
Q345（16Mn）：[σ拉、压]=200Mpa
[σ弯]=210Mpa
[τ]=120Mpa
根据该规范规定，临时结构可在容许应力基础上乘以1.3的扩大系数，由于钢板桩为租用，考虑材料折旧等因素，钢板桩材料容许应力不作临时提高。
允许挠度：L/400。
4国产新Ⅳ型钢板桩尺寸和截面特性
1、截面尺寸：宽度：400mm、高度：180mm、厚度：15.5mm。钢板桩材质为16锰钢。
2、截面特性（单根板桩）：B=400mm、h=180mm、t=15.5mm、t=10.5mm，截面积为，截面抵抗矩为,惯性矩为,重量为。
国产新IV型钢板桩
5板桩结构计算
5.1钢板桩入土深度计算
根据封底砼厚度1.0m，下抛片石0.5m，确定围堰内基坑底标高为-8.5m，采用等值梁法计算钢板桩入土深度。
计算的工况为：围堰内抽水至标高-4.0m，第二层内支撑安装完毕后，基坑开挖至标高-8.5m。
钢板桩围堰相关设计相关控制参数：
⑴封底砼浇筑前设置两层内支撑，第一层内支撑中心标高为+0.0m，第二层内支撑中心标高为-3.5m。
⑵围堰外设计水位为+2.5m，围堰内设计水位为-4.0m。
⑶钢板桩顶标高为+3.5m，设计钢板桩长21m，则钢板桩底标高为-17.5m。
⑷墩位处原始河床标高为+0.0m，围堰内最终基坑开挖标高为-8.5m。
淤泥质粉质粘土力学性能参数表（最近提供地质资料）
容重() 粘聚力() 内摩擦角(°) 主动土压力系数 被动土压力系数
15.9 2.0 12.8 0.637 1.569
说明：表中所指容重为土的天然容重。
其中：主动土压力系数，
：被动土压力系数，
根据地勘资料，河床面以下30m范围均为饱和状不透水淤泥质粉质粘土，钢板桩采用水土合算进行，将土面以上水深作为均布的超载作用考虑，将均布荷载换算成位于土面以上假想的当量土层：
围堰外2.5m高水当量的土层厚度
围堰内4.5m高水当量的土层厚度
钢板桩入土深度计算图式
y：钢板桩上压力强度等于零的点离挖土面的距离。
t0：钢板桩的最小入土深度。
t：钢板桩的入土深度。
钢板桩上压力强度为零点处作用于钢板桩上的主动压力和被动压力的计算如下：
求得
以压力零点作为一个支点，按照简支梁计算该点反力。
计算图式
支点反力图
由上图可知，，，
根据和墙前被动土压力对钢板桩底端力矩相等的原理，计算如下：
求得
要求钢板桩的入土深度在基坑开挖面以下处，，即要求钢板桩底标高为-8.5-6.38=-14.88，钢板桩的顶标高为+3.5，由此求得钢板桩的总长度为3.5+14.88=18.38，项目上报方案中钢板桩长度取21m可以满足要求。
5.2抗倾覆验算
根据上面计算可知，钢板桩理论入土深度为，按多锚点情况验算钢板桩入土深度能否满足抗倾覆要求。
多支点支护钢板桩插入深度计算简图
即上面计算的钢板桩入土深度能满足抗倾覆要求。
5.3基坑底抗管涌验算
根据地勘资料，河床面以下30m范围均为饱和状不透水淤泥质粉质粘土，故不需要进行基坑抗管涌验算。
5.4基坑底部的隆起验算
设能满足基底抗隆起要求的钢板桩最小入土深度为x，抗隆起安全系数取为，则x计算如下
，计算得
则要求钢板桩最小长度为，即项目采用21m长钢板桩能满足基底抗隆起要求。
6钢板桩及支撑系统计算
6.1承台钢板桩围堰施工流程
根据项目提供的《钢板桩围堰设计计算书》和《承台施工方案》等相关资料，确定采用先下钢板桩再设围囹的施工顺序进行钢板桩施工。
先按照设计位置插打钢板桩，然后围堰内抽水至标高为-0.5m，堰内开挖基坑至标高为-0.5m左右，安装第一层围囹和内支撑；继续抽水和开挖基坑至标高为-4.0m时，安装第二层围囹和内支撑；保持堰内水头不变，继续开挖基坑至标高为-8.5m，然后抛填50cm厚片石，水下浇筑1.0m厚封底砼；待封底砼强度达到90%后，堰内抽水至标高为-7.0m（此时围堰内水已全部抽出），绑扎第一层承台钢筋，浇筑第一层承台砼；待砼强度达到设计要求后，进行第一次支撑转换；拆除第二层围囹和内支撑；绑扎第二层承台钢筋，浇筑第二层承台砼；待砼强度达到设计要求后，进行第二次支撑转换；拆除第一层围囹和内支撑；进行墩身施工；待墩身出水面后，拔除钢板桩。
6.2承台钢板桩围堰工况分析
根据施工流程分析，钢板桩围堰主要受力工况为：
1、围堰外水位为+2.5m，河床标高为0m，围堰内抽水至标高为-0.5m，围堰内基坑标高为-0.5m，第一层围囹和内支撑尚未安装。
2、安装第一层围囹和内支撑。
3、围堰外水、土施工条件不变，围堰内抽水至标高为-4.0m，围堰内基坑标高为-4.0m，第二层围囹和内支撑尚未安装。
4、安装第二层围囹和内支撑。
5、保持围堰内水位不变，基坑开挖至标高为-8.5m。
6、浇筑封底砼。
7、围堰内抽水至标高为-7.0m。
8、浇筑第一层承台砼，待强度满足设计要求后，施工第一层圈梁。
9、拆除第二层围囹和内支撑。
10、浇筑第二层承台砼，待强度满足设计要求后，施工第二层圈梁。
11、拆除第二层围囹和内支撑。
12、墩身施工。
6.3承台钢板桩和支撑系统计算
承台钢板桩围堰采用midas空间有限元分析程序计算，对钢板桩围堰整体进行建模分析，并对杆件赋予自有材料特性，以下选取承台施工过程中钢板桩围堰最不利工况进行详细计算。由于本工程所处河流流速和潮差均很小，本计算书中忽略不计。
工况1：围堰外水位为+2.5m，河床标高为0m，围堰内抽水至标高为-0.5m，围堰内基坑标高为-0.5m，第一层围囹和内支撑尚未安装。主要荷载有：外侧静水压力、主动土压力和被动土压力。
⑴外侧静水压力
围堰外水位标高为+2.5m，河床顶面标高为0.0m，水头高度为，外侧静水压力计算如下：
⑵外侧主动土压力
围堰外水位为+2.5m，河床标高为0m，即堰外水高，河床以下30m范围为淤泥质粉质粘土，则2.5m高水的当量土层厚度计算如下：
围堰外侧河床顶面主动土压力强度计算如下：
围堰外侧钢板桩底面主动土压力强度计算如下：
⑶内侧被动土压力
围堰内水位为-0.5m，围堰内基坑标高为-0.5m，河床以下30m范围为淤泥质粉质粘土。
围堰内侧基坑顶面被动土压力强度计算如下：
围堰内侧钢板桩底面被動土压力强度计算如下：
激活和钝化组
激活结构组 钢板桩
激活边界组 钢板桩端部约束、地基弹性约束（从标高-0.5m开始）
激活荷载组 外侧静水压力、外侧土压力（含2.5m高水）、内侧土压力（标高-0.5m）
荷载分布图
钢板桩应力图
钢板桩最大应力为。
整体变形图
最大变形为。
结束语
钢板桩围堰在各种工况荷载作用下，是安全的，能满足广珠中线二期工程大南沙特大桥主桥20#墩承台在各种工况条件下施工的要求。
钢板桩围堰作为一种轻型围堰结构形式, 具有体积小、施工方便、经济, 并且钢板桩可以回收利用等优点, 在软土地基中有着较好的应用效果。本文通过围堰设计实例, 对该种围堰结构形式进行设计, 并对堰体宽度、桩长等各项稳定指标进行复核计算, 计算结果表明该堰形能够保证施工期围堰结构的稳定要求, 可作为软土地基中施工围堰的推广体形。
参考文献:
[1] 周连有. 双排钢板桩围堰设计实例[ Z] . 天津: 天津市交通委
员会, 2002.
[2]《路桥施工计算手册》
[3]《基础工程》
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。