摘要： 根據(jù)鋼板樁圍堰的實際受力狀況建立力學模型。通過理論計算確定鋼板樁圍堰的實際受力，并通過實際施工情況驗證該方法的可行性。比規(guī)范中采用的經(jīng)驗算法具有更高的精確性和安全性，能夠更好的滿足工程施工需要。
關鍵詞： 鋼板樁圍堰 設計 施工
目前，對于鋼板樁圍堰的設計主要是沿用《公路橋涵手冊》和教科書中的經(jīng)驗算法。由于經(jīng)驗算法帶有很大的近似性，并不一定能夠真實反映鋼板樁圍堰的實際受力狀況，有時會出現(xiàn)較大的偏差，給圍堰的使用帶來很多不安全因素。筆者在洪澤蘇北灌溉總渠大橋中，為避免出現(xiàn)較大的變形，在對鋼板樁圍堰設計時采用了理論算法。經(jīng)實踐檢驗，理論算法能夠較為精確的反映圍堰的實際受力狀況，對于合理設置內(nèi)支撐和減小封底厚度起到了重要的保證作用。
下面就鋼板樁圍堰的設計與做詳細論述：
1 已知條件 1.1 承臺尺寸：10.3m（橫橋向）×6.4m（縱橋向）×2.5m（高度），底部設計有10.7×6.8m×1.0m的封底砼。
1.2 承臺及河床高程 承臺頂面設計高程為h=5.0m，河床底高程為5.5m，河床淤集深度約為30cm。 1.3 水位情況 正常水位：h常=10.8m（此時水深5.3m），最高水位hmax =11.5m（水深6.0m），圍堰設計時按最高水位考慮。
1.4 水流速度 因該橋位于水電站下游，水流較為湍急。設計時速V=1.0 m/s，不考慮流速沿水深方向的變化，則動水壓力為： P=10KHV2×B×D/2g=53.2KN 式中：P-每延米板樁壁上的動水壓力的總值（KN）； H-水深（米）； V-水流速度（1.0m/s）； g-重力加速度（9.8m/s2); B-鋼板樁圍堰的計算寬度，B=10m； D-水的密度（10KN/m3）; K-系數(shù)，（槽形鋼板樁圍堰K=1.8~2.0，此處取1.8）。（參照《公路手冊》，假定此力平均作用于鋼板樁圍堰的迎水面一側(cè)。）
1.5 河床水文地質(zhì)條件 河床土質(zhì)良好，多為粘土、亞粘土，局部有亞砂土，承載力較強。圍堰基底至河床部分土質(zhì)為粘土(層厚約2m)、亞砂土(硬塑狀態(tài)，很濕，層間無承壓水，層厚約為1m)。
2 擬定方案
結(jié)合河床地質(zhì)情況及要求，擬采用日本產(chǎn)鋼板樁進行圍堰，長度為15m，寬度為40cm，厚度為18cm。 圍堰頂面標高擬定為12.5m，高出最高水位1.0m。圍堰設計圖3，所有內(nèi)圍囹均采用56b工字鋼制作，節(jié)點采用焊接（中嚴格執(zhí)行鋼規(guī)范）。為確保整個圍囹的剛度和穩(wěn)定性，對每層中間一道工字鋼上面加焊型鋼并將上下四道工字剛用25#槽鋼焊接連接。在期間安排專人值班以防吊物碰撞。
3 圍堰（支撐）內(nèi)力計算
3.1 確定受力圖式
3.1.1 鋼板樁嵌制形式 河床底部土質(zhì)較為密實，假定鋼板樁底部嵌固于(鋼板樁入土深度)t/3=1.5 m處，即承臺底2.0m處。（封底砼厚度采用50cm）
3.1.2 動水壓力 P=10KHV2×B×D/2g=53.2KN
3.1.3 河床土質(zhì)為亞粘土，為不透水層，但考慮到鋼板樁中會引起板側(cè)土體的擾動，縫隙里充滿水，所以考慮水壓力的影響。土壓力計算取用浮容重， Υ'=19.4-9.8=9.6KN/m3，ιj=30~50Kpa，σ=100KPa。
3.1.4 經(jīng)分析可知迎水面為最不利受力面，以此為計算面。所承受荷載假定由兩根工字鋼平均承擔，計算兩根工字鋼的共同受力。 由受力圖式可知，此為四次超靜定，因計算較為繁瑣，計算過程不在此詳細敘述，得出最大支撐力為2734.95KN，最大彎矩為1117.59KN。
4 驗算鋼板樁的入土深度是否滿足要求
鋼板樁入土深度達4.5m，從橋位處地質(zhì)勘探資料分析，持力層中無承壓水，如經(jīng)計算各道支撐的受力均能滿足要求，可不驗算鋼板樁的入土深度。
5 根據(jù)求得的內(nèi)力驗算鋼板樁的受力狀態(tài)及變形情況
5.1 應力 由內(nèi)力計算結(jié)果可知，Mmax=1117.59KN·M。鋼板樁外緣拉應力σ=Mmax/W=123MPa＜340MPa(容許應力)，滿足要求。
5.2 變形 經(jīng)計算，各單元跨中變形值如表1所示。 表1 各單元跨中變形值 單元號 橫向位移υ（mm）
1 7 2 10 3 2 4 5 5 3 6 3
6 驗算工字鋼的受力狀態(tài)
6.1 軸向受力 由計算可知，最大支撐反力發(fā)生在第二道圍囹處，其數(shù)值為2734.95KN，因工字鋼與鋼板樁連接處均采用焊接，且角撐剛度較大，不考慮其失穩(wěn)，僅考慮縱向撓曲，系數(shù)取ζ=2，此時其承載力 P=292.9×10-4m2×340×106N/m2/2=4980KN， 安全系數(shù)n=4980/2734.95=1.8，其承載力滿足要求。
6.2 橫向工字鋼的抗彎能力 假定支撐反力P=2734.95KN平均作用在橫向工字鋼上（長度按8.8m計算），荷載集度q=2734.95/8.8=310.8KN/M。經(jīng)計算，對工字鋼跨中產(chǎn)生的最大彎矩Ml/2=864.5KN·M。工字鋼抵抗彎矩M`=1000KN·M。安全系數(shù)N=1000/864.5=1.15（此處未考慮鋼板樁與工字剛的共同作用，實際情況應更為安全），承載力滿足要求。
6.3 工字鋼撓度 在上述彎矩的作用下，計算出工字鋼的跨中撓度L=14mm，滿足及使用要求。
7 鋼板樁豎向承載力的驗算
因此鋼板樁圍堰將利用作為鉆機平臺，其承受的豎向荷載有：
7.1 鉆機及其配套設備自重：150KN；
7.2 支架及其他荷載：100KN；
7.3 鋼板樁自重：1300KN；
7.4 圍囹自重：300KN。 合計：1850KN 上述豎向荷載全部靠鋼板樁側(cè)摩阻力及其樁尖反力承擔，查相關規(guī)范及工程地質(zhì)報告，計算如下: 樁側(cè)摩阻力P1=（13.8+9.6）×2×5.7×10=2668KN; 樁尖反力P2=117根×8.85E-3M2/根×100KPa=104KN 合計: =2668+104=2772KN 安全系數(shù)N=2772/1850=1.5，承載力滿足要求。
8 圍堰整體穩(wěn)定性驗算
鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定性僅表現(xiàn)圍堰在動水壓力作用下的抗傾覆能力。該動水壓力與鋼板樁入土深度范圍內(nèi)所受的土壓力相平衡。因鋼板樁圍堰底部嵌入地基中達4.5米，在動水壓力作用下所能承受的土壓力要比動水壓力要大的多，此處可不必驗算，其整體穩(wěn)定性應能得到很好的保證。
9 中注意事項
該鋼板樁圍堰在整個工程中極為順利，經(jīng)實測各單元的變形與計算結(jié)果相符。中要注意以下幾點：
9.1 鋼板樁的堵漏 一般的做法是在鋼板樁施打過程中用棉絮、黃油等填充物填塞接縫。剛開始時我們也采用此法，效果不是很理想，后在鋼板樁全部插打完畢開始抽水安裝圍囹時，采用一邊抽水一邊順著鋼板樁的接縫下溜較干細砂的方法，借助水壓力將細砂吸入接逢內(nèi)而達到堵漏的目的，對于變形較大的接縫在圍囹安裝后用棉絮塞填。經(jīng)現(xiàn)場實施，效果非常明顯，期間在圍堰內(nèi)僅設置一臺潛水泵即可將漏水抽凈。
9.2 圍囹的安裝 圍囹的安裝應隨著抽水的深度逐層實施，安裝過程中要密切注意河床水位的變化，并安排專人負責期間的抽作。值得注意的是工字鋼與鋼板樁的連接，由于鋼板樁在插打過程中受多方面的影響，整個圍堰的側(cè)面順直度較差，工字鋼安裝后與鋼板樁之間有較大的間隙。為防止圍堰的變形，要求將工字鋼與鋼板樁之間的間隙全部用型鋼焊接支撐連接，圍堰的四個角更應加強。
10 結(jié)束語
用理論算法進行鋼板樁圍堰的設計能夠較為真實的反映鋼板樁的實際受力狀態(tài)，從而具有較大的安全性。采用逐層抽水加固的方案較為方便，在基底土質(zhì)良好的條件下可以實現(xiàn)“干法”，不需要采取水下封底，在質(zhì)量上易于保證。
