钢管桩围堰毕业设计

大学毕业时候的毕业设计

目录

第1章 绪 论 ......................................................... 1

1.1 引 言 ........................................................... 1

1.2 本文主要研究工作 ................................................ 3

第2章 钢板桩围堰的设计与施工 ......................................... 4

2.1 钢板桩长度的设计 ................................................ 4

2.1.1 钢板桩最小入土深度的计算 ..................................... 4

2.1.2 钢板桩总长度的计算 ........................................... 5

2.1.3 钢板桩围堰尺寸的拟定 ......................................... 6

2.2 钢板桩围堰所受荷载的计算 ........................................ 6

2.2.1 静水压力的计算 ............................................... 6

2.2.2 流水压力的计算 ............................................... 7

2.3 钢板桩的检算 .................................................... 8

2.4 围囹的计算 ..................................................... 11

2.5 钢板桩围堰的施工 ................................................ 12

第3章 结束语 ........................................................ 18

参考文献 .............................................................. 20

致 谢 ................................................................ 21

附录A .................................................................. 1

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第1章 绪 论

1.1 引 言

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。

钢板桩围堰是最常用的一种板桩围堰 1 。钢板桩是带有锁口的一种型钢,其截面有直板形、槽形及Z形等,有各种大小尺寸及联锁形式。常见的有拉尔森式，拉克万纳式等。其优点为：强度高，容易打入坚硬土层；可在深水中施工，防水性能好；能按需要组成各种外形的围堰，并可多次重复使用，因此，它的用途广泛。在桥梁施工中常用于沉井顶的围堰，管柱基础、桩基础及明挖基础的围堰等。这些围堰多采用单壁封闭式围堰内有纵横向支撑，必要时加斜支撑成为一个围笼。如中国南京长江桥的管柱基础，曾使用钢板桩圆形围堰，其直径21.9m，钢板桩长36m，待水下混凝土封底达到强度要求后，抽水筑承台及墩身，抽水设计深度达20m。在水工建筑中，一般施工面积很大，则常用以做成构体围堰。它系由许多互相连接的单体所构成，每个单体又由许多钢板桩组成，单体中间用土填实。围堰所围护的范围很大，不能用支撑支持堰壁，因此每个单体都能独自抵抗倾覆、滑动和防止联锁处的拉裂。常用的有圆形及隔壁形等形式。

与沉井、 钢套箱相比，沉井及钢套箱的制作场地要求高、需配置大型托运设备、一次性投入大且不易回收等不利因素，而钢板桩围堰又具有以下几个方面优越性：占用场地小；配置设备要求低；钢板桩围堰基底清淤、拆除等较钢套箱围堰安全，拆除方便，对原河道恢复较容易；可同时多套投入、 多次周转，打设速度快且比较经济；钢板桩打拔方便、 安全等。一般来说，钢板桩围堰是深水基础、 基坑支护有效的施工方法，且施工比较简单，结构受力明确。钢板桩围堰适用条件：钢板桩围堰适用于水深4m以上，河床覆盖层较厚的砂类土、石土和半干性粘土，风化岩层等基础工程。

宁波市绕城高速公路西段工程半浦余姚江特大桥由南、北岸引桥和主桥组成，桥梁全长1489m。主桥全长230m，主桥下部结构采用单箱双室薄壁空心墩，承台采用整体式承台，高度300cm，桩基础采用钻孔灌注桩主桥的左幅25、26号、右幅26、27号

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墩，均位于余姚江主河道中，水深达6～7m，且承台顶面位于河床面以下，承台施工时需水下开挖河床，因此，承台施工采用打入钢板桩围堰方案进行。水中承台平面尺寸为9.5m×15m的六边形，混凝土方量为349.131m3，为C30混凝土，承台底标高为-8.4m，混凝土一次性浇筑完成。从半浦余姚江特大桥主桥水中基础施工所采用的方案选择及结构布置的效果来看，钢板桩围堰具有施工进度快、更安全、占地空间小等优点，这对于水较深、淤泥或粉细砂等软基上与其他围堰施工相比较较为有利，而且相对钢围堰，钢板桩围堰一次性投入费用较低，占用流动资金较少，因此采用钢板桩围堰，在经过技术性、经济性、施工安全性以及便利性比较后使用在半浦余姚江特大桥主桥基础施工上还是相当合理和可行的。在此处对低桩承台的施工方案设计、施工进行了总结，可为日后同类型桥梁的施工提供一些借鉴。

石湾特大桥是佛山市禅西大道工程中跨越东平水道的一座特大桥，主桥为（90.5+150+90.5）m矮塔斜拉桥，斜拉锁为双塔单索面布置。箱梁顶板宽33.5m，底板宽16.5m，梁高3.5-5m。主墩采用空心薄壁板异形墩，墩高16.0m，采用C40混凝土。主墩承台为正方形，尺寸为17.5m×17.5m×4m,采用C30混凝土，单个承台混凝土方量为1225m3，承台下设16根Ф2.0钻孔桩。本项目位于珠江三角洲腹地，属第四纪第一级海相冲淤积阶地。场区第四纪土层主要由软土及粉细沙组成，基岩由下第三系宝月组和下白垩统白鹤洞组泥岩，粉砂质泥岩和泥质粉砂岩组成。本项目承台具有以下几个特点：（1）按航道部门要求，承台预面埋入现状河床以下，开挖深度达到11.0m；(2)汛期长，且刚好跨汛期施工，水位深且变化大给施工带来一定难度；

(3)距离石湾水厂近，一级水源保护区吸水口只有100m，环保措施方面要求高；(4)距离大堤护坡坡脚较近，水利部门要求高。如何解决承台施工的受力问题、防备洪水袭击、满足航道环保水利部门要求、满足工期要求，将是决定本桥承台施工成败的关键问题，也是其选择承台施工方案的出发点。根据现场施工条件和公司既有设备情况，可以采用钢板桩围堰、填沙筑岛围堰和钢套箱围堰三种方案进行承台施工。经比较填沙筑岛围堰方案会压缩航道，并极易造成下游水厂水质破坏同时河床起伏大使得该方案不经济，钢套箱围堰方案使用钢材较多，并且大部分不能回收，下沉时人员及设备投入多，工序复杂，且钢套箱施工的承台比较容易出现施工裂缝，质量控制上比较难以保障，为此选择钢板桩围堰施工方案，能更好的满足要求。

鉴于钢板桩围堰在桥梁基础施工中的广泛用途，本设计以管窥豹，研究学习钢板桩施工设计。

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1.2 本文主要研究工作

本文主要是介绍黄河大桥的基础施工临时结构设计，应编写施工工艺。

在设计时，为了避免出现涌砂现象，首先要确保钢板桩围堰的最小入土深度，满足安全要求后，对钢板桩围堰的尺寸进行拟定，之后对围堰所受荷载进行计算，其所受荷载主要包括：静水压力、流水压力。最后还要对其进行检算，然后对围囹进行计算和检算。均满足要求后，对钢板桩围堰的用量进行计算，争取做到既节省材料，又满足设计要求。

桥梁的基础施工是一项技术复杂而涉及面极广的工作，需要有周密的计划，完善合理的施工方案和精心的组织。在黄河大桥基础施工临时架构设计中，本着学习的态度，试着设计围堰，并根据资料编写施工工艺。

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第2章 钢板桩围堰的设计与施工

2.1 钢板桩长度的设计

(1)基本设计资料及主要的技术指标如下：

承台的形状及尺寸：圆形，直径9.8m

水流流速： 1m/s 河水容重： 10.0kN/m3 土质： 砂土 水深： 8m

封底混凝土底与水面的距离13m

(2)由《地基与基础设计规范》 2 查得砂土的主要参数如下：

砂土的相对密度G： 2.65 砂土的空隙比e：0.45

2.1.1 钢板桩最小入土深度的计算

根据施工环境及河床地质资料，考虑在钢板桩打入完成后进行基坑处理时极易出现的涌砂现象，就必须保证钢板桩的打入深度，从而使基坑稳定 3 。

钢板桩的打入深度是由基坑内外所受外力的平衡为条件，。其打入深度的计算图示见图2-1。

图2-1 钢板桩打入深度的计算图示

基坑抽水后水头差h3，水流流程最短h1+ h2，安全条件如公式2-1：

ks

h3 bh1 h2(2-1)

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式中： ks——安全系数，取2.0

——河的密度，10KN/m3

b——沙的浮密度， b=（G-1）（1-e）

（1-0.45）=0.9075 b=（2.65-1）

ksh3 b h1 h2

13 1.0 0.9075 13 2h22.0

即 h2 7.8m

钢板桩入土深度取7.8m，如图2-2所示：

+8m

-2m

-5m

-7.8m

图2-2 钢板桩入土深度示意图

2.1.2 钢板桩总长度的计算

考虑实际施工所能遇到的情况，并考虑施工的安全保障，要设计一定的预留高度，所以钢板桩总长度按如下方法作近似计算：

钢板桩总长：预留高度+封底混凝土底到水面的距离+入土深度

=0.5+13+7.8=21.3m

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2.1.3 钢板桩围堰尺寸的拟定

钢板桩围堰的尺寸受承台的尺寸和安装、拆卸承台模板时的施工作业面的控制， 所以围堰的尺寸设计如下：

钢板桩围堰的直径=承台直径+模板厚度+钢围囹宽度+施工作业面宽度

=9.8+0.106×2+0.3×2+0.6×2=11.812m

钢板桩直径实际取12m。

2.2 钢板桩围堰所受荷载的计算

由该工程所在地的水文地质条件可知钢板桩设计时的外荷载有静水压力、流水压力、土压力以及风荷载等等，此设计可忽略土压力、风荷载，所以我们只计算前两种荷载即可 4 。

2.2.1 静水压力的计算

由前面的计算知道钢板桩的长度取为21.3m，施工时在水平面以上的预留高度为0.5m，由封底混凝土底到水面的距离为13m，封底混凝土厚3m。单位宽度的钢板桩静水压力为三角形的分布力 5 。

静水压强的计算公式为2-2：

p=gh (2-2)

式中，p－－静水压强(kPa)；

g－－液体的容重，此处取河水的容重10kN/m3；

h－－液体的深度(m)。

取单位宽度的钢板桩其静水压力的计算，单宽钢板桩所受的静水压力为内外水压力的差值。所以由内外所受的静水压力叠加后可得钢板桩所受的总的静水压力如图2-3所示。

其压力P=1000kg/m3×9.8N/kg×10m=98kN/m2

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图2-3 单宽钢板桩的静水压力总图(单位：kN)

2.2.2 流水压力的计算

位于水中的桥墩，迎水面因受到流水冲击的影响而产生流水压力，流水压力可假定为倒三角形的分布力（因水流的速度是近似的随水深呈三角形分布）。流水压力P(t)与水流速度和桥墩平面的形状有关，在此设计中把它换算成集中力来处理，其作用点在水位线以下三分之一水深处。

作用于水中构筑物的动水侧压力可按公式2-3计算：

式中：k——系数，圆形取1.9；

——河水的容重10KN/m3。 k v2p 2g（2-3）

1.9 10 12

0.97 kN/m2 即p 2 9.8

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2.3 钢板桩的检算

本设计的钢板桩选用仿拉森TSP-IV型，其截面形式和几何特性如下图2-4：

图2-4 钢板桩截面图(单位：mm)

1m宽度的钢板桩的截面特性如下 6 ：

短截面积：242 cm2/m 断面二次矩：38600 cm4/m

断面系数：2270 cm3/m 单位质量： 190 kg/m2

此处计算时钢板桩长度取10m，从水平面(+8m)到封底混凝土底面的高度(-2m)，此长度范围内钢板桩受到的荷载有静水压力和流水压力，这些荷载值前已求出。经初步分析，并考虑施工的方便和快捷，按照等间距设计可考虑设置四层围囹来进行加固，第一层设在水平面下2m处，第二层设在水平面下4m，第三层设在水平面下6m，第四层设在水平面下8m。在确定钢板桩在地基中的支点的位置时，由于是在封底混凝土达到规定的强度要求后进行抽水，故认为封底混凝土可给钢板桩一个良好的支撑，取封底混凝土的底面处施加约束(按两种情况计算：一种为固定端，一种为简支端)。围囹和支撑的位置确定之后，就需要对钢板桩的桩身和围囹及内支撑进行检算。

此钢板桩桩身的计算全部利用有限元程序MIDAS来计算。

(1)混凝土封底作为简支端

取单位宽度即1m宽的钢板桩作为研究对象，而不是取一根钢板桩，并将静水压力，流水压力和约束分别施加后加载，经软件计算后此约束下的桩身弯矩图、剪力图和反力图分别如图2-5、2-6、2-7所示。

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由这几个图中可以看出固定端时的最大弯矩是-26.4kN× m，最大剪力是93.9kN。各层支撑的支反力分别为50.1kN，73.2 kN，119.8kN，157.9KN，93.9KN。

图2-5 固定端时桩身弯矩图（单位：kN×m）

图2-6 固定端时桩身剪力图(单位：

kN)

图2-7 固定端时桩身反力图(单位：kN)

所以由钢板桩的截面几何特性可算得钢板桩的正应力。

正应力的计算如公式2-4：

式中， ――所求处的正应力(MPa)；

M――计算截面的弯矩(kN m)；

W――表示弯曲截面系数(cm3)。

则钢板桩的最大正应力

M (2-4) W

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maxMmax26.4 103 11.63MPa 145MPa W2270

所以钢板桩的强度满足要求。

(2)混凝土封底作为铰支端

同样也取单位宽度即1m宽的钢板桩作为研究对象，而不是取一根钢板桩，并将静水压力，流水压力，和约束分别施加后加载，此情况下的桩身弯矩图、剪力图和反力图分别如图2-8、2-9、2-10所示。

图2-8 铰支时桩身弯矩图（单位：kN×m）

图2-9 铰支时桩身剪力图(单位：

kN)

图2-10 铰支时桩身反力图(单位：kN)

由这几个图中可以看出铰支时的最大弯矩是-34.7kN m，最大剪力是102.4kN。 各层支撑的反力为49.8kN，74.8kN，113.2kN,182.9KN,74.2KN。

则钢板桩的最大正应力：

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maxMmax34.7 103 15.29MPa 145MPa W2270

所以钢板桩的强度满足要求。

综上所述，由以上两种情况的计算可知无论把封底看作固支还是铰支端钢板桩的强度均满足要求。

由两种约束下的支反力图，取两种约束下的各层最大支反力从而计算围囹的受力并验算围囹的安全性。第一层到第四层围囹的反力最大分别为50.1KN,74.8KN,119.8KN,182.9KN,93.9KN.

2.4 围囹的计算

钢板桩围堰为圆形，围囹设计为圆形，无需加支撑 7 ，本设计中设置四层围囹，第一层设在水平面下2m处，第二层设在水平面下4m，第三层设在水平面下6m，第四层设在水平面下8m。围囹作为钢板桩的内导向，其所受荷载与钢板桩的受力息息相关。本方案取的围囹钢材为：Q235钢材，尺寸为560×168×14.5/21mm。

由于围堰为圆形，围囹受到的最大支反力为182.9KN，其应力图如图2-11所示：

图2-11：围囹应力图

由图2-11知由图中可以看围囹的最大正应力 max 130.3MPa 145MPa，

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满足强度要求。

其位移图如图2-12所示：

图2-12： 围囹位移图

由图2-12知由图中可以看围囹的最大位移为lmax 1.65mm l 50mm。

2.5 钢板桩围堰的施工

2.5.1 钢板桩施工工艺流程

钢板桩工艺流程 8 如图2-13：

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图2-13：钢板桩工艺流程

2.5.2主要施工步骤

(1) 施工准备 9

①钢板桩整理

钢板桩运到工地后应进行检查，分类存放。本次使用的钢板桩长度为21.3m，对长度不够要求的钢板桩可用同类型的钢板桩等强度焊长，焊接时先对焊或将接口补焊合缝，再焊加固板，相邻板桩接长缝应注意错开。检查完毕后，清除锁扣内杂物（如电焊瘤渣、废填充物），对缺陷部位加以整修。锁扣检查的方法：用一块长约2m的同类型、同规格的钢板桩作标准，将所有同类型的钢板桩作锁口通过检查。检查采用卷扬机拉动标准钢板桩平车，从桩头至桩尾作锁口通过检查。对于检查出来的锁口扭曲及“死弯”进行及时的校正，校正后再用标准钢板桩进行检查，直到合格。

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为确保每片钢板桩的两侧锁口平行，同时，尽可能使钢板桩的宽度都在同一宽度规格内，需要进行宽度的检查。检查方法：对于每片钢板桩分为上中下三部分用钢尺测量其宽度，使每片桩的宽度在同一尺寸内，每片相邻数差值以小于1cm为宜。对于肉眼看到的局部变形可进行加密测量，对于超过偏差的钢板桩将不予采用。

对于桩身残缺的、不整齐等都要做全面的检查，并采取相应措施，以确保正常使用。为使检查合格后的钢板桩在施工过程中能够顺利插拔，并增加钢板桩在使用时放渗性能。钢板桩要进行锁口润滑及防渗措施，其做法为每片钢板桩锁口都均匀涂以混合油，其体积比为黄油：干膨胀土：干锯末=5：5：3。

②内支撑准备

按照设计在钢结构加工场加工钢板桩围堰内支撑结构，加工完成的杠杆及时编号，并对部分调整杆件试拼装。

③设备准备

施工主要设备为40t平台龙门吊机、20t浮吊、DZ60液压震动沉拔桩锤、混凝土汽车输送泵、封底导管等设备。使用前检查打钢板桩用的打桩、起吊及运输等设备，防止机械带病作业，保证打桩的正常进行。

④水上钻孔平台拆除

水中钻孔桩施工完成以并经检验合格后，及时拆除钻孔作业平台中间部分，为钢板桩围堰施工做好准备。

（2）钢板桩施打

钢板桩用汽车运输至桥边，施打采用平台龙门吊机或浮吊配合液压震动锤进行。钢板桩的插打次序从上游开始，在下游合拢。将钢板桩从平台边或运输船只上吊起，然后吊至施打钢板桩的导向装置内，匀速下放，使钢板桩成垂直状态，然后用木楔填塞在导向装置内将钢板桩固定牢靠，松开起吊钩，起吊打桩锤，将钢板桩逐根插打到位。

插打前先将钢板桩做好标记，用吊机的两个吊钩起吊和下方，使钢板桩成垂直状态，脱出小勾移向安插装置，插入导向架内已就位的钢板桩锁口中。起吊前，锁口内填嵌黄油沥青混合料。箍紧钢板桩用的夹板，在插入锁口时逐个拆除。插打钢板桩时应保证其倾斜度不大于0.5%，且要紧靠内导向框，其间隙不得大于20mm。否者要采取措施，检查加固内外导框等。钢板桩的插打质量要求，应符合下列标准：

a插打钢板桩时要严格控制好垂直度，尤其是第一根桩要从两个互相垂直的方向同时控制，确保垂直不偏。已插下的钢板桩，对垂直于导梁的倾斜度或对于插桩前进方向的倾斜度小于1:200。

b插入桩位的钢板桩必须紧靠内导向环，即要求钢板桩沿设计半径垂直插入桩

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位，如不能靠近时，其间隙应小于20mm。

c每组钢板桩必须按编号插入正确的桩位，每组偏差应小于±15mm。如系旧钢板桩，应按钢板桩实际宽度编号并据以列出桩位。

（3）钢板桩围堰合龙

①插入钢板桩的调整

钢板桩在合龙时，两侧锁口往往不尽平行，两端相距在一定范围内时，可参考下列措施进行调整：

a钢板桩上端向合拢口倾斜时，可在钢板桩顶端使用千斤顶互相或以内双套复式滑车组向外侧张拉调整至所需间距。

b钢板桩将近合拢而两侧各剩下几组尚未合拢前，即应考虑合拢情况。

c当合龙钢板桩插下时，由于经过调整的间距不能完全平行，必须施加压力才能使合拢板桩插下。或当钢板桩尚有很大长度未能套入锁口，又不能采用锤击方法打下时，可在顶端安装复式滑车组，并将滑车组下端固定，将钢板桩拉入锁口。在插桩过程中，应做到“插桩正直、分散偏差、有偏即纠、调整合拢”的要点。

②异形钢板桩

由于水流影响或者其他原因，采用上述措施钢板桩仍无法合拢时，可以制作异形钢板桩进行合拢。

a合拢口丈量：丈量位置选择在各层导环平面，用两根小木条各自顶紧两边的钢板桩，用钢钉钉死，取出水面，丈量长度，可以得到准确的合拢口宽度。

b异形钢板桩制造：钢板桩进行调整和丈量后，根据合拢口的宽度及锁口的型式，制作异形钢板桩。若合拢口宽度为40 cm左右时，可制成对扣式异形钢板桩。

（4）围堰内清淤

①钢板桩围堰内清基工作采用吸泥机进行。

②围堰内经过吸泥整平后进行测量，测点分布与导管位置大致相同，基底标高须符合设计要求，局部高低允许偏差为±20cm。清出的淤泥及时用运输车外运到指定的弃土场弃土。

（5）围堰封底

清淤至设计标高后，抛填50cm厚粒径不大于20 cm的片石，之后进行水下混凝土封底。封底混凝土施工从围堰一边向另一边进行。

围堰内灌注水下混凝土工作，工作量大，须连续突击施工。

①混凝土供应

水下混凝土质量及灌注工作是否顺利进行，很大程度上取决于混凝土的供应量。根据灌注的面积和混凝土的凝固时间，须初步估算出封底混凝土供应量，要及时不间