船坞口大跨度双排钢板桩围堰工程

宋博

【摘 要】本文以龙穴大型造船基地四二七厂船坞式试验场工程为研究对象,对围堰结构进行设计.本工程地质属典型的软土地基,结合工程基础资料,拟定双排钢板桩围堰作为本工程的围堰形式.对板桩围堰进行结构设计,并利用经验公式校核围堰结构的稳定性.为了使结构设计更加精准,应用有限元软件FLAC3D对双排钢板桩结构作数值模拟计算,并对设计的双排钢板桩结构的内力和强度进行分析,符合承载力设计要求.通过本文的研究,将对大跨度软土地基工程双排钢板桩围堰的设计提供借鉴和有益的参考.%This paper took No.427 dock of LongXue shipbuilding base as a research object,and designed the cofferdam structure.The double sheet-piled cofferdam was used owing to the soft ground.After the design of the cofferdam,this paper had a stability analysis with empirical formula.To make the design more accurately,this paper used FLAC 3D for numerical simulation.At the last of this paper,it analyzed the force and strength of the structure.The results proved that the design meets the requirements of the structure bearing capacity.This paper will be a useful reference to the design of large span double steel sheet-pile cofferdam. 【期刊名称】《广州航海高等专科学校学报》 【年(卷),期】2017(025)001 【总页数】4页(P9-12)

【关键词】双排钢板桩围堰;有限元;稳定性分析

【作 者】宋博

【作者单位】广州航海学院 船舶与海洋工程学院,广东 广州 510725 【正文语种】中 文 【中图分类】U656.4

围堰是水利工程建设中常见的临时性结构，根据修建位置的地形等具体情况可采用多种材料(木板、钢板、土石、砼等)，形式上也很多样(单排或双排)[1-3].钢板桩围堰在软土地基上打设较为方便，不仅经济性突出，可重复利用，且能承受较大的变形.但是钢板桩由于内外侧分别承受潮水变化，并且受开挖工序影响较大，变形明显，经常出现险情，并考虑到钢板桩的强度可能会影响到钢板桩围堰的承载能力，因此考虑采用双排钢板桩围堰的设计.

本文研究的四二七厂船坞式试验场工程位于龙穴造船基地的北端，中船龙穴造船基地位于虎门外珠江右岸、龙穴岛围垦区的东岸线上，珠江口是典型的软土地基，23 m以内浅土层均为粘性土.船坞式试验场尺度为L×B×H=260×96×14.3 m.本文考虑采用双排钢板桩围堰的设计，并与已施工的码头沉箱结构衔接，内外排桩之间回填中粗砂，采用拉杆连成整体，形成坞口干施工挡水、挡浪屏障.

设计规范：《干船坞设计规范》JTJ 252-87及其配套港口工程技术规范；《板桩码头设计与施工规范》 JTJ 292-98.

设计水位：设计高水位3.24 m(潮峰10%)；设计低水位0.53 m(潮谷90%)；极端高水位4.44 m(50年一遇)；极端低水位-0.10 m(50年一遇).

波浪资料如表1所列，地基土的物理力学计算如表2所列，回填料的物理力学指标如表3所列.

双排钢板桩围堰宽度为12 m，围堰轴线两侧各设置一排钢板桩板桩型号均为

AU23(S355GP)型，并通过规格为Ф60@1500的拉杆连接成整体，形成挡水挡土结构.围堰内排钢板桩距坞口前沿线46.0～45.5 m，其内侧设置充填袋砂棱体，以增强围堰的稳定性.围堰设计高水位3.24 m，极端高水位为4.44 m；外排板桩顶标高6.00 m、内排为3.50 m.

外板桩长度29 m，内板桩长度30.5 m.其中迎水侧钢板桩打桩顶高程6.00 m，桩尖高程-23.00 m；背水侧桩顶高程为3.5 m，桩尖高程为-27.00 m.在高程1.2 m设置一道钢拉杆，钢拉杆水平距离为1.2 m，导梁采用2[28b.

本围堰工程板桩长度长达163 m，直线段长度80 m，内排钢板桩距坞口仅23 m，围堰内侧与坞口相距较近，近距离深基坑开挖难度较大，对围堰强度提出了挑战，因此有必要对板桩围堰的承载力进行研究.

研究大量双排钢板桩的力学特性的文献，将其方法主要归纳以下两种[4].①将内、外板桩简化为悬臂梁，端点嵌于基础表面视为“自立式”重力体，根据变形协调条件来进行处理.②将内、外排钢板桩视为独立个体，按照单锚板桩内力计算方法来处理.本文采用方法①，将围堰视为“自立式”的挡水挡土体，来分析结构的整体稳定性.

3.1 堰体宽度计算[5]

暂定堰体宽度为12 m.本文设计的双排钢板桩结构外板桩长度29 m，内板桩长度30.5 m，板桩长度较长，作为一个柔性结构，堰体宽度必须满足抗剪切稳定安全系数计算公式：

式中：Ms为极限抵抗力矩；根据北岛法Ø)tanØsinØ.γ为围堰内填料的计算容重；H0为围堰内填料极限抵抗力矩时的换算壁高；V0为相对围堰宽度V0=B/H0，B为双排钢板桩间距；Ø=30°内填料的摩擦角.Ms=3 728.2 KN·m.

式中：Md为钢板桩所受的变形力矩；变形力矩Md由围堰两侧的水头差产生 789.6 KN·m.

式中：K为抗剪切变形安全系数，K=3 728.2/1 789.6=2.08>1.20，满足要求，堰体宽度12 m满足抗剪切稳定性设计要求. 3.2 堰体抗滑稳定计算

根据规范，钢板桩抗滑稳定性需满足以下经验公式：

式中：G为内填土重力；Φ为滑动面处淤泥的摩擦角；P水、P土、P波分别为堰体的土压力、水压力、波压力.按照本文设计得抗滑稳定性系数4.68，满足要求. 3.3 抗倾稳定分析

根据规范，钢板桩抗倾稳定性需满足以下经验公式：

式中：M水为水压力对基坑侧的板桩桩尖的力矩、M波为波压力对基坑侧的板桩桩尖的力矩.按照本文设计得抗倾稳定性系数1.73，满足要求[6，7].

上文对设计的双排钢板桩围堰完成了的抗剪、抗滑和抗倾验算，均符合要求.对于大型造船基地大跨度围堰而言，为了更准确直观的呈现板桩的应力-应变状态，使结构设计更加安全、经济，本文采用FLAC 3D有限元软件，按照工程实际对双排钢板桩围堰结构进行数值模拟.

根据经验，当围堰中填料透水性较好时，外排板桩处的水位为：

设计低水位设计高水位-设计低水位)= m；内排板桩处的水位按堰内浸润线坡度为1∶3考虑：外排板状水位围堰宽度 m

堰内浸润线平均标高为：(1.43 m-2.57 m)/2=-0.57 m

(1)钢板桩的宽度强度设计.由图3有限元板桩弯矩图可以看出：外排板桩弯矩极大值为78.1 KN·m/m，内排板桩弯矩极大值为219 KN·m/m.随着基坑深度增加，外排板桩弯矩内力分布趋势基本符合悬臂梁受力特性，外板桩底部弯矩最大，顶部弯矩最小.内排板桩由于拉杆作用，以及基坑开挖的影响内排板桩最大弯矩出现在板桩中上部. 根据经验公式：

式中：Mmax为标准值钢板桩每米板最大弯矩值，根据有限元模拟，得到外排钢板桩每米板最大弯矩Mmax=219 KN·m/m(标准值)；γGQ为综合分项系数，取γGQ=1.35；WZ为钢板桩每米板的抗弯截面模数，钢板桩板桩型号均为

AU23(S355GP)型，WZ=2 270 cm3；钢板桩屈服强度不小于390 MPa，根据规范，将本工程板桩的抗弯截面模数折减系数取0.9，因此钢板桩强度设计值350 MPa.按上式板桩规范计算得外钢板桩最危险点极值应力为130.2 MPa≤350 MPa，满足要求.

(2)拉杆强度设计.由图4有限元拉杆应力云图可以看出：拉杆最大拉力为191 KN.根据经验公式：

式中：RA为拉杆拉力标准值，根据有限元模拟，得到拉杆拉力标准值为RA=191 KN，ξ为拉杆受力不均匀系数，取ξ=1.4；γRA为拉杆拉力分项系数，取γRA=1.35.ft为钢材的强度设计值，取ft=200 MPa.Δd为预留锈蚀量，可取2～3 mm.初选Ф60@1500，钢号Q235，按上式板桩规范计算得d=50 mm，所以选用Ф60@1500满足设计要求.

本文设计的双排钢板桩围堰，直线长度较长，跨度较大，单根板桩高度较高(接近30 m).同时，由于船坞宽度大，基坑开挖、底板浇筑等施工期较长，基坑开挖的时空效应明显，都对围堰的性能提出了较高的要求.本文对软土地基船坞工程双排钢板桩围堰的稳定性和强度分析和研究是非常有意义的，将对大跨度软土地基船坞工程双排钢板桩围堰的设计方法提供参考和借鉴.

【相关文献】

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