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钢围堰设计、施工与监测钢围堰设计、施工与监测牛润明TEL：13933013128QQ：976879702石家庄铁道大学土木工程学院2014.122钢围堰钢围堰————设计、施工与监测设计、施工与监测l一、概述l二、围堰方案设计及荷载计算l三、钢套箱(吊箱)围堰的结构设计计算l四、钢板桩围堰的结构设计计算l五、与钢板桩围堰相关的技术研究l六、总结3一、概述l围堰是土木工程施工中临时挡水、挡土的临时结构。l围堰的种类：土石围堰、钢围堰(钢板桩围堰、双壁钢围堰、钢吊箱等)、钢筋混凝土围堰等。适用于水深在8~10m以下的低桩承台基础，且覆盖层较好，能够保证钢板桩围堰有足够的入土深度以自稳。钢板桩围堰石块就地取材，流速小于3.0m/s，河床坚实、透水性较小。堆石围堰水深小于3m，流速小于1.5m/s，河床透水性较小。土袋围堰水深小于2米，流速小于0.3m/s；河床透水性较小的土壤，河边浅滩处；土围堰土石围堰适用于河滩浅基开挖不稳定性土壤。或在既有线旁开挖桥涵基坑，用以代替板桩，保护既有建筑物的安全。钢筋混凝土围堰适用于深水桥梁高桩承台基础钢吊箱由于其壁板整体刚度较双壁钢围堰小，仅适用于规模较小的低桩承台基础。单壁钢围堰大型河流的深水(10m以上)基础，受覆盖层影响较小，自身刚度和整体稳定性较好。双壁钢围堰钢围堰适用条件分类围堰分类及适用条件5u钢套(吊)箱围堰：刚度、强度高，稳定性好，内部支撑少，施工空间较大。用钢量大，造价高。u钢板桩围堰：施工快捷，用材料少且回收率高。刚度小，内部支撑多，需考虑防渗。6钢板桩围堰正在安装第二层支撑正在安装第四层支撑完成垫层及导渗系统准备浇第一层砼新光大桥钢板桩围堰—逐层抽水逐层安装支撑蕉门水道特大桥—内支撑整体下放先拼装下放支撑围檩，然后打钢板桩，再清底浇筑封底砼。钢板桩围堰逆作法只设置两道内支撑12钢管桩围堰13双壁钢围堰钢吊箱围堰天兴洲长江大桥3#墩吊箱围堰苏通长江大桥钢吊箱16二、围堰方案设计及荷载计算二、围堰方案设计及荷载计算Ø1、围堰的技术要求Ø2、围堰设计程序Ø3、荷载种类及计算Ø4、土压力计算中几个问题探讨171、围堰的技术要求：①围堰顶面一般要高出施工期间可能出现的最高水位(包括浪高)0.5~0.7m。②围堰外形应考虑河流断面被压缩后，流速增大引起水流对围堰、河床的集中冲刷及影响通航、导流等因素；③堰内平面尺寸应满足基础施工的需要；④构造简单，便于施工、维修、撤除方便；⑤结构上要有足够的强度、稳定性及较大的刚度；⑥尽量做到防水严密，减少渗漏；⑦经济合理；2、围堰设计程序1）设计资料收集：如气象、水文、地质、周边环境等资料，还有加工制造、运输、吊装等有关数据。2）根据承台埋深、形状及尺寸大小，结合桥位处水文地质等资料，确定围堰类型、平面形状及尺寸。3）资料中的围堰设计参数计算。如风力、水流、波浪、土压力系数。4）确定施工顺序(先挖后撑、先撑后挖)。不同的施工顺序对围堰受力影响较大。5）绘出围堰方案图。初步拟定采用的材料、型钢型号、支撑形式及间距等。6）围堰本身结构计算(强度、刚度)。7）围堰整体计算(整体稳定、基坑隆起、抗管涌、封底混凝土等)19（1）围堰初步设计：1）结合实际工程确定围堰平面形状、尺寸及堰顶标高；2）结构形式的确定(钢板桩围堰、钢套箱围堰等)；20l当筑岛施工时，可采用钢筋混凝土围堰、钢板桩围堰等；l当处于深水区时，高桩承台可采用钢吊箱；低桩承台可采用双壁钢套箱；l根据施工经验，当围堰内开挖为10m左右时，都可以采用钢板桩围堰施工；高桩承台水深在6m以内时，采用单壁钢吊箱比较经济合理；低桩承台水深在6m以上且截面较大时，采用双壁钢套箱比较经济合理；设计需搜集的资料地质资料(各层土的性质、参数)；地下水位的标高；施工期最高水位；水流速；浪高；风力；附近有无堆载；可利用的型材等；22进驻施工现场之后，应及时结合现场的实际情况对设计提供的水文、地质资料进行复核、调查和勘察，并进行必要的补充，为后续的施工组织设计提供参考依据。掌握第一手水文地质资料很重要！！(1)与当地水文站建立联系，以便得到及时预报的水文资料；(2)复核河床断面，掌握确切的实际的河床断面及标高。(3)必要时对墩位处的地质情况进行补勘。尽管设计提供了地质资料，但不尽完善，有时不能为钢管桩、钢护筒及围堰的施工提供详细的数据。23l静水压力分布与计算：33、荷载种类及计算、荷载种类及计算注意方向，注意方向，是垂直的！是垂直的！(1)(1)水压力水压力24l流水压力分布与计算：25l风力、波浪力——参照相关规范计算。26钢板桩围堰结构计算方法：平面有限元法：整体计算模型：等值梁法：实战练习：梁单元静水、流水压力施加！实战练习：板单元静水、流水压力施加！需计算P0，g（2）土压力计算l土压力的计算是个比较复杂的问题。它随板桩墙可能发生位移的方向分为主动土压力、被动土压力和静止土压力。土压力的大小还与墙后填土的性质、墙背倾斜方向等因素有关。l需要明确土的性质及参数：透水性、土的容重(天然容重、浮容重，饱和容重)、摩擦角、粘聚力等。30l三种土压力：311)静止土压力如果挡土墙在土压力作用下不发生移动或转动而保持原来位置，则墙后土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土压力。322)主动土压力当挡土墙在填土产生的土压力作用下向背离墙背方向移动和转动时，随着位移量的增大，作用于墙后的土压力逐渐减少，当位移量达某一（微量）值时，墙后土体处于主动极限平衡状态，此时作用于墙背上的土压力称为主动土压力。333)被动土压力当挡土墙在外荷载作用下推向土体时，随着墙向后位移量的增加，土体对墙背的反力也逐渐增加，当位移量足够大，直到土体在墙的推压下达到被动极限平衡状态时，作用于墙背上的土压力称为被动土压力。34l静止土压力：假定：地表面水平，墙背竖直、光滑；00()pzqKg=+γ——土的重度(kN/m3)；Z——计算点的深度(m)；q——地面均布超载(kPa)；H——围护墙高度；K0——计算点处土的静止土压力系数；φ’——土的有效内摩擦角。'01sinKj=-'00.95sinKj=-对砂性土：对粘性土：一般情况下砂土K0=0.35~0.5，粘性土K0=0.5~0.7l两个经典的古典土压力理论(1)朗肯(Rankine)土压力适用的范围：墙背光滑、垂直，填土水平，假设墙后各点均处于极限平衡状态(极限应力法)；主动土压力系数：——假定挡土墙是刚性的！(2)库伦(CoMlomb)土压力滑动楔体法目前，基坑支护简化设计计算过程中，土压力计算以朗肯土压力理论计算，在基坑外侧采用朗肯主动土压力，在基坑内侧采用朗肯被动土压力。40l主动土压力：无粘性土：粘性土：Ka——计算点处土的主动土压力系数；φ——土的内摩擦角；c——土的粘聚力(kPa)；41l被动土压力：无粘性土：粘性土：Kp——计算点处土的被动土压力系数；φ——土的内摩擦角；c——土的粘聚力(kPa)；三个土压力大小关系！在相同条件下，主动土压力Ea小于静止土压力E0，而静止土压力E0又小于被动土压力Ep，即EaE0Ep，而且产生被动土压力所需的位移量Dp大大超过产生主动土压力所需的位移量Da。练习在Midas中施加梁单元梯度荷载（土压力）！临近铁路线开挖基坑，列车经过对基坑的影响；临近铁路线开挖基坑，列车经过对基坑的影响；建筑工程中临近建筑对基坑的影响；建筑工程中临近建筑对基坑的影响；基坑附件堆载基坑附件堆载((土方，工程机械土方，工程机械))47l（1）土压力计算中的水土分算与合算问题：u水土分算原则：即分别计算土压力和静水压力，两者之和即总的侧压力。这一原则适用于土孔隙中存在自由的重力水的情况或土的渗透性较好的情况，一般适用于砂土、碎石类土。u水土合算的原则：认为土孔隙中不存在自由的重力水，而存在结合水，它不传递静水压力，以土粒与孔隙水共同组成的土体作为对象，直接用土的饱和重度计算侧压力，这一原则适用于不透水的粘土层。4、土压力计算中几个问题探讨！48γ——土的重度(kN/m3)；γ’——土的浮重度(kN/m3)；γW——水的重度(kN/m3)；49γ——土的重度(kN/m3)；γsat——土的饱和重度(kN/m3)；l（2）如果桥位处各层土厚度、重度及强度指标相差不大，可以采用“加权平均法”，将n层土视为一均质土层：1111niiniiiniiiniiiHhhHchcHhHggjj========∑∑∑∑l（3）实际上，板桩墙本身会发生位移，墙上土压力形式较为复杂！弹性支点法！l（4）考虑到围堰工作状态的变形比较复杂，土压力大小难以准确确定，在围堰简化设计时，可偏安全的按静止土压力计算。一方面，钢板桩围堰在工作状态下的桩身位移量较小，围堰外侧的土压力很难处于主动极限平衡状态，也就是没有达到主动土压力；另一方面，即使围堰外侧土体达到主动极限平衡状态，而在相同位移量的条件下，围堰内侧土体也不可能达到被动极限平衡状态，也就是说围堰内侧土压力不可能达到被动土压力。前述计算结果偏不安全！53构造：壁板、竖肋、水平环板、水平斜撑、隔仓、刃脚、封底等。受力分析：宜采用有限元软件建立整体计算模型。三、水中钢套三、水中钢套((吊吊))箱围堰的结构设计箱围堰的结构设计计算内容：钢围堰结构整体稳定钢围堰结构应力及变形封底混凝土强度抗浮稳定抗滑移稳定抗倾覆稳定内外壁板竖肋、水平肋水平支撑桁架等练习用midas建立钢套箱围堰57四、钢板桩围堰的结构设计计算四、钢板桩围堰的结构设计计算l1、钢板桩常用的规格、型号；l2、钢板桩围堰一般结构形式；l3、围堰的初步设计及要求；l4、钢板桩围堰的受力计算；5811、钢板桩常用的规格、型号、钢板桩常用的规格、型号l加工工艺上：热轧钢板桩及冷弯钢板桩。59目前，钢板桩的生产厂家主要集中在日本、韩国及卢森堡等国。钢板桩种类主要分为U型钢板桩、Z型钢板桩、组合型钢板桩以及目前在日本已广泛应用的900mm帽型钢板桩。帽型钢板桩U型钢板桩组合型钢板桩Z型钢板桩l钢板桩的种类60l截面形状。世界上第一块U型剖面铆凸互锁的钢制板桩是1902年由德国工程师TryggveLarssen先生在不来梅开发制作的！61l常见的是热轧U型钢板桩，基本上为Ⅲ型、Ⅳ型、ⅣW型。1340134022702270270056700177225.55398630106135.318210600SP-ⅣW180032400136173.2376522081.6103.913.4180600SP-ⅢW100013000103131.2203211061.878.710.3130600SP-ⅡW382086002403066801140012015327.6225500SP-ⅥL31506300210267.65207960105133.824.3200500SP-ⅤL227038600190242.5362467076.196.9915.5170400SP-Ⅳ13401680015019122322206076.4213125400SP-Ⅲ874874012015315212404861.1810.5100400SP-Ⅱcm4/mcm4/mKg/m2cm2/mcm3cm4Kg/mcm2mmmmmm截面模数惯性矩理论重量截面积截面模数惯性矩理论重量截面积厚度/t高度/h宽度/wTypePer1mofpilewallwidthPerplieDimensions单根每米壁宽单根钢板桩尺寸规格型号6322、钢板桩围堰一般结构形式、钢板桩围堰一般结构形式l主要为两部分：钢板桩墙和支撑体系通常用“U”型钢板桩，横向通过其特有的锁扣连接，形成组合墙。采用振动锤将钢板桩振入一定深度的土层。64支撑体系，包括多层支撑和围檩可拼形状可拼形状65南京长江隧道工程右汊大桥主墩基础钢板桩围堰67钢板桩支护结构形式锚拉方式内支撑方式68悬臂板桩、单撑板桩、多撑板桩；根据有无内支撑及内支撑的数量，分为：69l钢板桩围堰设计的几点说明u设计依据：《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012、《钢结构设计规范