钢板桩围堰结构设计计算

中铁十一局集团有限公司技术管理部

2014年07月

钢板桩围堰结构设计计算 第 I 页

目 录

1钢板桩围堰简介 ............................................................................................................................... 1

1.1钢板桩发展 ............................................................................................................................. 1 1.2钢板桩支护结构 ..................................................................................................................... 2 1.3技术性能参数 ......................................................................................................................... 2 1.4施工特点及适用性 ................................................................................................................. 3

1.4.1施工特点 ....................................................................................................................... 3 1.4.2拉森钢板桩与地质适应性 ........................................................................................... 4 1.4.3适用范围及应用领域 ................................................................................................... 4

2钢板桩围堰结构设计计算 ............................................................................................................... 5

2.1设计计算依据 ......................................................................................................................... 5 2.2计算内容 ................................................................................................................................. 5 2.3水平荷载 ................................................................................................................................. 6

2.3.1考虑因素 ....................................................................................................................... 6 2.3.2支护结构上的土压力确定 ........................................................................................... 6 2.3.3水压力计算 ................................................................................................................... 8 2.3.4土中竖向应力标准值 ................................................................................................... 8 2.3.5均布附加荷载作用下的土中附加竖向应力标准值 ................................................... 8 2.3.6局部附加荷载作用下的土中附加竖向应力标准值 ................................................... 9 2.3.7水流作用力 ................................................................................................................. 10 2.4钢板桩支护结构的计算 ....................................................................................................... 11

2.4.1悬臂式钢板桩计算 ..................................................................................................... 11 2.4.2单撑（单锚）钢板桩计算 ......................................................................................... 13 2.4.3多撑（多锚）式钢板桩计算 ..................................................................................... 15 2.5稳定性验算 ........................................................................................................................... 18

2.5.1基坑底部土体的抗隆起稳定性验算 ......................................................................... 18 2.5.2抗管涌验算 ................................................................................................................. 21 2.5.3抗倾覆稳定性验算 ..................................................................................................... 22 2.5.4变形估算 ..................................................................................................................... 23

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2.6构件设计 ............................................................................................................................... 23

2.6.1钢板桩设计 ................................................................................................................. 23 2.6.2围檩设计 ..................................................................................................................... 24 2.6.3支撑设计 ..................................................................................................................... 24 2.6.4立柱设计 ..................................................................................................................... 24 2.6.5构造要求 ..................................................................................................................... 25

3钢板桩施工 ..................................................................................................................................... 25

3.1场地条件 ............................................................................................................................... 25 3.2钢板桩施工前准备 ............................................................................................................... 26

3.2.1作业条件 ..................................................................................................................... 26 3.2.2作业人员 ..................................................................................................................... 27 3.3钢板桩沉桩设备及振动打桩 ............................................................................................... 27

3.3.1沉桩机械种类 ............................................................................................................. 27 3.3.2液压振动打桩 ............................................................................................................. 28

3.3.2.1 施工原理 .......................................................................................................... 28 3.3.2.2 施工特点 .......................................................................................................... 29 3.3.3静力压桩 ..................................................................................................................... 30 3.4 钢板桩的沉桩方法 .............................................................................................................. 30 3.5施工工艺 ............................................................................................................................... 31

3.5.1工艺流程 ..................................................................................................................... 31 3.5.2操作工艺 ..................................................................................................................... 32 3.6施工过程中注意事项 ........................................................................................................... 33 4结论与展望 ..................................................................................................................................... 34

4.1结论 ....................................................................................................................................... 34 4.2展望 ....................................................................................................................................... 35 5参考文献 ......................................................................................................................................... 35

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钢板桩围堰结构设计计算

1钢板桩围堰简介

1.1钢板桩发展

在基础结构施工领域，钢板桩自1908年于欧洲的开创性应用至今已有百余年历史。作为一种现代基础与地下工程领域的重要施工材料，钢板桩可满足传统水利、土木、道路交通工程，环境污染整治及突发性灾害控制等众多工程领域的施工需求。

钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧（或冷弯）型钢，靠锁口或钳口相互连接咬合，形成连续的钢板桩墙，用来挡土和挡水；具有高强、轻型、施工快捷、环保、美观、可循环利用等优点。钢板桩断面形式很多，英、法、德、美、日本、卢森堡、印度等国的钢铁集团都制定有各自的规格标准。常用的钢板桩截面形式有 U 型、Z 型、直线型及组合型等。

由于种种原因，以前我国国内生产钢板桩规格很少，仅鞍钢等少数钢厂生产过小规格的“拉森”式（U 型）钢板桩，在沿海地区港口工程中多使用日本、卢森堡等国钢铁集团生产的钢板桩，而进口钢板桩的价格较高，这些因素都限制了在我国国内钢板桩的大规模应用。近年来随着国民经济的高速发展，国内各种建设项目钢板桩的用量逐年递增，钢板桩应用水平也在不断提高，带动了钢板桩行业的发展。为此在 2007 年，由中国钢铁工业协会牵头，制订了国内热轧 U 型钢板桩标准《热轧 U 型钢板桩（GB/T 20933-2007）》，为大力推广国产钢板桩的生产和应用打下了良好的基础。

钢板桩产品按生产工艺划分有冷弯薄壁钢板桩和热轧钢板桩两种类型。在工程建设中，冷弯钢板桩应用范围较狭窄，大都作为应用的材料补充，热轧钢板桩一直是工程应用的主导产品。我国前些年热轧钢板桩生产与应用均属空白，近年来随着国民经济建设的高速发展。热轧U型钢板桩已逐渐在堤防加固、截流围堰、构筑船坞码头及挡水墙等水工工程以及构建挡土墙、山体护坡、筑造基坑支护等基础工程中得到应用。

近年来钢板桩朝着宽、深、薄的方向发展，使得钢板桩的效率（截面模量/重量之比率）不断提高，此外还可采用高强度钢材代替传统的低碳钢或是采用大截面模量的组合型钢板桩，这都极大地拓展了钢板桩的应用领域。

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1.2钢板桩支护结构

钢板桩支护结构由打入土层中的钢板桩和必要的支撑或拉锚体系组成，以抵抗水、土压力并保持周围地层的稳定，确保地下工程施工的安全。从使用的角度可分为永久性结构和临时性结构两大类，永久性结构主要应用于码头、船坞坞壁、河道护岸、道路护坡等工程中；临时性结构则多用于高层建筑、桥梁、水利等工程的基础施工中，施工完成后钢板桩可拔除。本文主要述及后者，重点介绍作为临时工程的钢板桩支护结构的计算和施工要点。

根据基坑开挖深度、水文地质条件、施工方法以及邻近建筑和管线分布等情况，钢板桩支护结构型式主要可分为悬臂板桩、单撑（单锚）板桩和多撑（多锚）板桩等，此外常见的围护（挡土、挡水）结构还有桩板式结构、双排或格型钢板桩围堰等。

1.3技术性能参数

（1）国内常用拉森钢板桩型号如下表1-1~1-2所示。通常定尺长度为6m、9m、12m、15m、18m等。（拉森以供应商提供的参数表为准，下表仅供参考）

表1-1拉森钢板桩部分技术参数表

尺寸规格 型号 mm SP-Ⅱ SP-Ⅲ SP-Ⅳ SP-ⅤL SP-ⅥL SP-ⅡW SP-ⅢW SP-ⅣW 单根钢板桩 Per pile 截面积 理论重量 惯性矩 cm2单根每米壁宽 Per 1m of pile wall width 截面模数 截面积 理论重量 惯性矩 cm3Dimensions mm 100 125 170 200 225 130 180 210 mm 10.5 13 15.5 24.3 27.6 10.3 13.4 18 Type 宽度/w 高度/h 厚度/t 截面模数 cm/m 874 1340 2270 3150 3820 1000 1800 2700 4 Kg/m 48 60 76.1 105 120 61.8 81.6 106 cm4 cm/m 153 191 242.5 267.6 306 131.2 173.2 225.5 2Kg/m2 cm/m 8740 16800 38600 6300 8600 13000 32400 56700 4400 400 400 500 500 600 600 600 61.18 76.42 96.99 133.8 153 78.7 103.9 135.3 1240 2220 4670 7960 11400 2110 5220 8630 152 223 362 520 680 203 376 539 120 150 190 210 240 103 136 177

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表1-2拉森钢板桩性能指标

力学性能参数 标准号 型号 屈服点 N/mm SYW295 295 min 390 min 295 min 390 min 2拉伸强度 N/mm 490 min 540 min 490 min 540 min 2延伸率(%) 17 min 15 󰀀in 17 min 15 min 冲击吸收能量 J(0°C) 43 min 43 min - 焊接用热压延钢板桩，JIS A 5523 SYW390 SY295 热压延钢板桩，JIS A 5528 SY390 - 1.4施工特点及适用性 1.4.1施工特点

（1）钢板桩是一种边缘带有联动装置，且这种联动装置可以自由组合以便形成一种连续紧密的挡土或者挡水墙的钢结构体。根据钢板桩横截面形状和用途主要分为：U形、Z形、W形三种形状钢板桩，同时根据壁厚分为轻型和普通型冷弯钢板桩。其中，拉森钢板桩是一种U型咬合式钢板桩，是一种新型建材，在建桥围堰、大型管道铺设、临时沟渠开挖时作挡土、挡水、挡沙墙；在码头、卸货场作护墙、挡土墙、堤防护岸等，工程上发挥重要作用。

（2）其中拉森钢板桩有强度高、结合紧密、不易漏水、施工简便、速度快、可减少基坑土方开挖量、可全部机械施工、对临时工程拔出后可多次重复使用等特点。

1）强度高，容易打入坚硬土层；可在深水中施工，必要时加斜支撑成为一个围笼； 2）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；

3）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。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；

4）施工简单，工期缩短、耐久性良好，寿命50年以上； 5）保证其适用性、互换良好，并且可以重复使用；

6）施工具有显著的环保效果，大量减少了取土量和混凝土的使用量，有效地保护了土地资源；

7）救灾抢险的时效性较强，如防洪、塌方、塌陷、流沙等。

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拉森钢板桩做围堰不仅绿色、环保而且施工速度快、施工费用低，具有很好的防水功能。

1.4.2拉森钢板桩与地质适应性

根据需要打设钢板桩现场的地质等相关情况选择合适的桩型。选桩的基本准则：地质情况越差的情况下（如淤泥）选择宽桩；地质情况比较好情况下，为了施工期间能顺利沉桩，通常可以选择窄桩，厚度较大的桩。具体的选型还需要根据工程的实际情况确定。

通常可以通过地质报告来判定打设拉森桩的难易，通常可以根据土体的标准贯入度N值来判断打桩的难易，但在一些情况下，比如地层为粘质或砂质和砾质，其中夹杂一些大粒径的颗粒，则很难根据N值来判断打桩的难易。在这种情况下，通常需要试打钢板桩。在试打之后应当对打桩的难易程度进行评价，然后选择合适的打桩机械和桩型，或者考虑是否需要采取辅助的方法来打桩，比如高压水枪或者预钻。

有大漂石及坚硬岩石的河床不宜使用钢板桩围堰。另外可以通过对土层的容许承载力来判断沉桩的难易，通常情况下当土层的容许承载力达到250kPa的情况下，或者位于半坚硬粘土和碎卵石等地质中，沉桩往往会出现困难，需要增加额外的辅助措施，比如高压射水引孔施工法，但在黏土中不宜使用射水下沉方法。

1.4.3适用范围及应用领域

拉森钢板桩适用于软弱地基和地下水位高且多的地区，用作地下构筑物或深基坑施工的临时支护挡土、防水结构或在水中建造构筑物做围堰。

钢板桩围护墙,由拉森钢板桩正反扣搭接或并排组成。拉森钢板桩长12m、15m、18m等，型号及长度由计算确定。钢板桩具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将钢板桩拔出回收再次使用。拉森钢板桩由于抗弯能力较强，多用于周围环境要求不甚高的深5m~8m的基坑，视支撑（拉锚）加设情况而定。

由于拉森钢板桩符合功能、外观、实用价值的这三点当今人们选择建筑材料的时候所采用的标准，拉森钢板桩的应用贯穿并延伸到整个建筑工业，从传统的水利工程和民生工程的应用一直到环境污染的控制方面的应用。

国内拉森钢板桩主要的应用领域主要包含以下几个方面：

（1）水利工程—港口，码头墙；船坞、船厂的建造；护墩桩，（码头）系船桩；雷达测

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距器；下沉的铁路，地下水的保留；隧道。

（2）水路。水路的维护；护墙；巩固路基、堤岸；停泊设备；防止冲刷。

（3）水利工程建筑物。（河流的）船闸、水闸；堰、堤坝；路基；（公路、铁路等的）涵洞、地下电缆道；安全门；防洪堤；桥柱、码头；入口和出口。

（4）挡水。抽水机、泵；下水道作业；防洪；防止塌陷，防止塌方；保护堤岸。 （5）运输路线的建筑物—公路和铁路。围护墙、挡土墙；隔离噪音墙；桥基；斜坡、坡路。

（6）民用工程。地基的挖掘；路基；沟渠；地下停车场；建房。

（7）污染的控制—填方、被污染的地方、围栏。竖直的密封围篱；为置换土壤而挖掘；水槽围场；顶端斜坡的保护。

2钢板桩围堰结构设计计算

2.1设计计算依据

（1）建筑基坑支护技术规程[S]，JGJ 120-2012 （2）基坑工程设计规程，DBJ-61-97 （3）基坑工程技术规范，DG/TJ08-61-2010 （4）热轧U型钢板桩，GB/T20933-2007 （5）钢结构设计规范[S]，GB50017-2003

2.2计算内容

钢板桩围堰设计计算包括三个部分的内容，即稳定性验算、结构内力计算和变形计算。主要有钢板桩支护结构的水平荷载作用、钢板桩支护结构的入土深度计算、基坑稳定性验算、变形计算、各构件强度验算（如：钢板桩、围檩、支撑、立柱等）。

稳定性验算是指分析土体或土体与围护结构一起保持稳定性的能力，包括坑底抗隆起稳定、抗渗流稳定和抗倾覆稳定等，基坑工程设计必须同时满足这几个方面的稳定性。

结构内力计算为结构设计提供内力值，包括弯矩、剪力等，不同体系的围护结构，其内力计算的方法是不同的；由于围护结构常常是多次超静定的，计算内力时需要对具体围护结

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构进行简化，不同的简化方法得到的内力不会相同，需要根据工程经验加以判断。

变形计算的目的则是为了减少对环境的影响，控制环境质量，变形计算内容包括围护结构的侧向位移、坑外地面的沉降和坑底隆起等项目。

2.3水平荷载

在基坑工程中，地下水位以下的土体侧压力计算时一般有两个原则，即：水土分算的原则和水土合算的原则。

水土分算原则，即分别计算土压力和水压力，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、粉性土和粉质粘土。

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。

2.3.1考虑因素

计算作用在支护结构上的水平荷载时，应考虑下列因素： （1）基坑内外土的自重（包括地下水）； （2）基坑周边既有和在建的建（构）筑物荷载； （3）基坑周边施工材料和设备荷载； （4）基坑周边道路车辆荷载； （5）冻胀、温度变化等产生的作用； （6）水流荷载作用。

2.3.2支护结构上的土压力确定

作用在支护结构上的土压力应按下列规定确定：

作用在支护结构外侧、内侧的主动土压力强度标准值、被动土压力强度标准值宜按下列公式计算(图2.3.2)：

（1）对于地下水位以上或水土合算的土层

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pakakKa,i2ciKa,i （2.3.2-1）

Ka,itan2(45i2) (2.3.2-2)

ppkpkKp,i2ciKp,i （2.3.2-3）

Kp,itan2(45i2) (2.3.2-4)

式中： pak──支护结构外侧，第i层土中计算点的主动土压力强度标准值(kPa)；当 pak

<0时，应取pak＝0；

σak、σpk──分别为支护结构外侧、内侧计算点的土中竖向应力标准值(kPa)，按第2.3.5

条的规定计算；

Ka，i、Kp，i──分别为第i层土的主动土压力系数、被动土压力系数；

ci、i──第i层土的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)；按建筑基坑支护技术规程3.1.14

条的规定取值；

ppk──支护结构内侧，第i层土中计算点的被动土压力强度标准值(kPa)。 （2）对于水土分算的土层

pakakuaKa,i2ciKa,iua (2.3.2-5) ppkpkupKp,i2ciKp,iup (2.3.2-6)

式中： ua、up──分别为支护结构外侧、内侧计算点的水压力(kPa)，按第2.3.4条的规定

取值。 0akpk 图2.3.2土压力计算 钢板桩围堰结构设计计算 第 8 页

2.3.3水压力计算

对静止地下水，水压力（ua、up）可按下列公式计算(图2.3.2)：

uawhwa (2.3.3-1) upwhwp (2.3.3-2)

式中： γw──地下水的重度(kN/m3)，取γw＝10kN/m3；

hwa──基坑外侧地下水位至主动土压力强度计算点的垂直距离(m)；对承压水，地

下水位取测压管水位；当有多个含水层时，应以计算点所在含水层的地下水位为准；

hwp──基坑内侧地下水位至被动土压力强度计算点的垂直距离(m)；对承压水，地

下水位取测压管水位。

当采用悬挂式截水帷幕时，应考虑地下水沿支护结构向基坑面的渗流对水压力的影响。

2.3.4土中竖向应力标准值

土中竖向应力标准值（σak、σpk）应按下式计算：

akack,j （2.3.4-1） pkpc （2.3.4-2）

式中： σac──支护结构外侧计算点，由土的自重产生的竖向总应力（kPa）；

σpc──支护结构内侧计算点，由土的自重产生的竖向总应力（kPa）；

Δσk，j──支护结构外侧第j个附加荷载作用下计算点的土中附加竖向应力标准值(kPa)，

应根据附加荷载类型，按第2.3.5～2.3.7条计算。

2.3.5均布附加荷载作用下的土中附加竖向应力标准值

附加应力是在外荷载（如基坑周边堆积荷载、建筑物荷载、车辆荷载、路基、地震荷载等）作用下，土中产生的应力增量，是对基坑的变形产生影响。

均布附加荷载作用下的土中附加竖向应力标准值应按下式计算（图2.3.5）：

k,jq0 （2.3.5）

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式中： q0──均布附加荷载标准值(kPa)。 0k,j 图2.3.5 均布竖向附加荷载作用下的土中附加竖向应力计算

2.3.6局部附加荷载作用下的土中附加竖向应力标准值

局部附加荷载作用下的土中附加竖向应力标准值可按下列规定计算：

（1）对于条形基础下的附加荷载（图2.3.6a）： 当d＋a/tanθ≤za≤d＋(3a+b)/tanθ时

dk,jp0b （2.3.6-1） b2a式中： p0──基础底面附加压力标准值(kPa)；

d──基础埋置深度(m)； b──基础宽度(m)；

a──支护结构外边缘至基础的水平距离(m)； θ──附加荷载的扩散角，宜取θ＝45°；

za──支护结构顶面至土中附加竖向应力计算点的竖向距离。 当zad＋(3a+b)/tanθ时，取Δσk，j＝0。 （2）对于矩形基础下的附加荷载（图2.3.6a）： 当d＋a/tanθ≤za≤d＋(3a+b)/tanθ时

k,jp0bl （2.3.6-2）

b2al2a式中： b──与基坑边垂直方向上的基础尺寸(m)；

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l──与基坑边平行方向上的基础尺寸(m)。 当zad＋(3a+b)/tanθ时，取Δσk，j＝0。

（3）对作用在地面的条形、矩形附加荷载，按本条第1、2款计算土中附加竖向应力标准值Δσk，j时，应取d＝0（图2.3.6b）。 0k,jk,jd d （a）条形或矩形基础 （b）作用在地面的条形或矩形附加荷载 图2.3.6 局部附加荷载作用下的土中附加竖向应力计算

2.3.7水流作用力

临水基坑钢板桩结构一侧或多侧邻水，围护结构可能承受水流力及周期性波浪作用力。而在潮汐河口或河流中，受潮汐作用影响，水压力将处于实时变动之中；此外，临水基坑可能一侧临水，一侧挡水土，本身两侧压力不均。因此，水上基坑钢板桩支护结构同陆上基坑有所不同，应考虑对基坑围护结构两侧压力不平衡所带来的影响。

受潮汐影响的临水基坑，基坑外设计水位一般取设计高、低水位，25 年一遇极端高、低水位（基坑使用周期较长，基坑破坏损失严重时可考虑使用 50 年一遇）进行校核计算。不受潮汐影响的基坑，其临水侧坑外设计水位按对应水体的设计高、低水位取值，并应考虑暴雨预降水位工况。当有防洪、防汛要求的基坑，坑外设计水位应按相应防洪、防汛要求选用。

临水基坑钢板桩结构上的水流力可按下式进行计算：

𝜌2

𝐹=𝐶𝑤𝑉𝐴

2

式中：F—水流作用力（kN）；

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V—水流设计流速（m/s），取基坑所处范围内可能出现的最大平均流速； Cw—水流阻力系数，根据下表取值；

𝜌—水的密度（t/m3），淡水取 1.0，海水取 1.025；

A—钢板桩围护结构与流向垂直平面上的投影面积（m2）。

钢板桩迎水侧水流力可考虑采用倒三角形分布，即上式水流力作用点作用于水面下 1/3 水深处。

表2.3.7水流阻力系数

矩形 圆形 长度 Cw 1.0 1.50 1.5 1.45 0.73 2.0 1.30 ≤3.0 1.10 2.4钢板桩支护结构的计算

钢板桩支护结构的计算方法很多，包括古典的静力平衡法、等值梁法等，和解析求解的弹性法到弹性地基梁法（平面/空间）、连续介质数值计算方法等。

古典的静力平衡法、等值梁法均不考虑墙体及支撑变形，将土压力作为外力施加于支护结构，然后通过求解水平方向合力及支撑点弯矩为零的方程得到结构内力。虽然这些方法未考虑墙体变形及墙体于土的相互作用，但在工程界仍广泛运用。

2.4.1悬臂式钢板桩计算

悬臂式钢板桩挡墙无撑无锚，完全依靠钢板桩的入土深度保持挡墙的稳定。一般用于开挖深度不大的基坑工程中。

静力平衡法（自由支撑法）：

悬臂式板桩的入土深度和最大弯矩的计算按以下步骤进行：

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图2.4.1-1悬臂式板桩计算图式

（1）通过计算确定板桩埋入深度t1，假定埋入深度为t1，然后将净主动土压力acd和净被动土压力def对e点取力矩，要求由def产生的抵抗力矩大于由acd所产生的倾覆力矩的2倍，即防倾覆的安全系数为2以上。

（2）确定实际所需深度t，将通过计算求得的t1增加15%，以确保钢板桩的稳定性。 入土深度 t=t1×1.15

（3）求入土深度t2处剪力为零的点g，通过计算求出g点，该点净主动土压力acd应等于被动土压力dgf。

（4）计算最大弯矩，此值应等于acd和dgh绕g点的力矩之差值。

（5）选择板桩截面，根据求得的最大弯矩和钢板桩材料的截面抗弯模量确定板桩型号。 可参考表1-1拉森钢板桩部分技术参数表。

图2.4.1-2 U型钢板桩截面图

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2.4.2单撑（单锚）钢板桩计算

单撑（单锚）钢板桩根据入土深度的深浅，计算方法分为两种，当入土深度较浅时，板桩的上端为简支，下端为自由支承；当入土深度较深时，下端则为固定支承。

浅埋钢板桩与深埋钢板桩界限划分：首先，计算出反弯点的深度。其次假定支护钢板桩符合浅埋条件，按照简支梁法计算出嵌固长度。如果长度小于反弯点深度，这说明假定正确。反之，就应按照深埋桩计算。

（1）单撑浅埋钢板桩计算

假定上端为简支，下端为自由支承。这种板桩相当于单跨简支梁，作用在板桩后的土压力为主动土压力，作用在墙前的为被动土压力（图2.4.2-1）。

图2.4.2-1 单撑浅埋板桩计算简图

为使钢板桩保持稳定，作用在板桩上的力Ra、Ea、Ep必须平衡，对A点取矩等于零，即

MA=0,亦即

22EaHa-EpHpEa(H+t)-Ep(Ht)0

33整理上式可求得最小入土深度t：

t(3Ep2Ea)H2(Ea-Ep)

再由X=0，即可求得作用在A点的支撑反力Ra

Ra=Ea-Ep

根据求得的入土深度t和支撑反力Ra，可计算并绘出钢板桩的内力图，依此求得剪力为零的点，该点截面处的弯矩即为板桩最大弯矩Mmax。

据此最大弯矩和钢板桩材料的允许应力选择板桩的截面。而由支撑反力即可设计内支撑

钢板桩围堰结构设计计算 第 14 页

或锚拉结构。

板桩的入土深度主要取决于桩前的被动土压力，而被动土压力只有当土体产生较大变形时才会产生，因此计算时，被动土压力只取其一部分，安全系数多取为2。

（2）单撑深埋钢板桩计算

单撑深埋板桩上端为简支，下端为固定支承，用等值梁法计算为简便。其计算简图如图2.4.2-3所示。

图2.4.2-3 用等值梁法计算单撑板桩简图

ab为一根梁，一端为简支，另一端固定，其反弯点在c点。如c点切断ab梁，并于c点置一自由支承形成ac梁，则ac梁上的弯矩图将保持不变，此ac梁即为ab梁上ac段的等值梁。

用等值梁计算板桩，为简化计算，常用土压力等于零点的位置来代替反弯点的位置。其计算步骤如下：

1）计算作用于板桩上的土压力强度，并绘出土压力分布图，计算土压力强度时，应考虑板桩墙于土的摩擦作用，将板桩墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数（为安全起见，对主动土压力则不予折减），钢板桩的被动土压力修正系数见下表：

表2.4.2钢板桩的被动土压力修正系数

土的内摩擦力 K（墙前） K（墙后）

40° 2.3 0.35

35° 2.0 0.4

30° 1.8 0.47

25° 1.7 0.55

20° 1.6 0.64

15° 1.4 0.75

10° 1.2 1.0

2）计算板桩墙上土压力强度等于零的点离挖土面的距离y，在y处板桩墙前的被动土压力等于板桩墙后的主动土压力，即

γKKpy=γKa(H+y)=Pb+γKay

钢板桩围堰结构设计计算 第 15 页

y=Pb

γ(KKp-Ka)式中：Pb——挖土面处钢板桩墙后的主动土压力强度值； 其余符号意义同前。

3）按简支梁计算等值梁的最大弯矩Mmax和两个支点的反力（即Ra和P0） 4）计算板桩墙的最小入土深度t0

t0=y+x

X根据P0和墙前被动土压力对板桩底端D点的力矩相等求得，即：

P0γ(KKp-Ka)6x2

板桩下端的实际埋深应位于x之下，所需实际板桩的入土深度为

t=(1.1～1.2)t0

一般取下限1.1，当板桩后面为填土时取1.2。

用等值梁法计算板桩是偏于安全的，实际计算时常将最大弯矩予以折减，折减系数根据经验为0.6～0.8，一般采用0.74。

2.4.3多撑（多锚）式钢板桩计算

（1）支撑（锚杆）的布置和计算

支撑（锚杆）层数和间距的布置，影响着钢板桩、支撑、围檩的截面尺寸和支护结构的材料量，其布置方式有以下两种：

1）等弯矩布置

这种布置是将支撑布置成使钢板桩各跨度的最大弯矩相等，充分发挥钢板桩的抗弯强度，可使钢板桩材料用量最省，计算步骤为：

①根据工程的实际情况，估算一种型号的钢板桩，并查得或计算其截面模量W。 ②根据其允许抵抗弯矩，计算板桩悬臂部分的最大允许跨度h。

h=3式中，[δ] ——钢板桩抗弯强度设计值； W——截面抗弯模量；

6[δ]W Ka钢板桩围堰结构设计计算 第 16 页

γ——钢板桩后土的重度 Ka——主动土压力系数；

③计算板桩下部各层支撑的跨度，把板桩视作一个承受三角形荷载的连续梁，各支点近似的假定为不转动，即把每跨看作两端固定，可按一般力学计算各支点最大弯矩都等于Mmax、Mmin时各跨的跨度，其值如图2.4.3-1所示。

④如果算出的支撑层数过多或过少，可重新选择钢板桩的型号，按以上步骤进行计算。

图2.4.3-1 支撑的等间距布置

2）等反力布置

这种布置是使各层围檩和支撑所受的力都相等，使支撑系统简化。

计算支撑的间距时，把板桩视作承受三角形荷载的连续梁，解之即得到各跨的跨度如图2.4.3-2所示：

图2.4.3-2支撑的等反力布置

这样除顶部支撑压力为0.15P外，其他支撑承受的压力均为P，其值按下式计算：

(n1)P0.15P1γKaH2 2 钢板桩围堰结构设计计算 第 17 页

γKaH2 P2(n10.15)通常按第一跨的最大弯矩进行板桩截面的选择。 （2）多撑（多锚）式钢板桩入土深度计算

多撑（多锚）式钢板桩入土深度，可用盾恩近似法或等值梁法进行计算。 1）盾恩近似法计算 其计算步骤如下：

①绘出板桩上土压力的分布图，经简化后的土压力分布如图2.4.3-3所示。

图2.4.3-3 多层支撑板桩计算简图

②假定作用在板桩FB′段上的荷载FGN′B′。一半传至F点上，另一半由坑底土压力MB′R′承受。

由图2.4.3-3几何关系可得：

11γKaH（L5x)γ(Kp-Ka)x2 22即: (Kp-Ka)x2KaHxKaHL50 式中：Ka、Kp、H、L5均为已知，解得x值即为入土深度。

③坑底被动土压力的合力P的作用点，在离基坑底2x/3处的W点，假定此W点即为板桩入土部分的固定点，所以板桩最下面一跨的跨度为：

2FWL5x3

④假定F、W两点皆为固定端，则可近似地按两端固定计算F点的弯矩。 2）等值梁法计算

其计算步骤同单撑（单锚）板桩：

钢板桩围堰结构设计计算 第 18 页

①绘出土压力分布图，如图2.4.3-4；

图2.4.3-4等值梁法计算多层支撑板桩计算简图

（a）土压力分布图；（b）等值梁；（c）入土深度计算简图

②计算板桩上土压力强度等于零点离开挖面的距离y值；

③按多跨连续梁AF，用力矩分配法计算各支点和跨中的弯矩，从中求出最大弯矩Mmax,以验算板桩截面，并可求出各支点反力RB、RC、RD、RF，即作用在支撑上的荷载。

④根据RF和墙前被动土压力对板桩底端O的力矩相等的原理可求得x值，而 t0=y+x

所以板桩入土深度为：t=(1.1～1.2) t0

2.5稳定性验算

稳定性验算主要包括：抗隆起、抗管涌、抗倾覆等，下面分别给出了各自的计算方法，实际计算过程中，需要根据各自的施工实际情况，进行对应的验算，确保基坑安全。

2.5.1基坑底部土体的抗隆起稳定性验算

（1）板桩底地基承载力，按照下式计算：

结构底平面作为求极限承载力的基准面，可由以下公式求抗隆起安全系数

Kwz=γ2DNq+cNcγ1(h0+D)+q

钢板桩围堰结构设计计算 第 19 页

式中：γ1——坑外地表至板桩底，各土层天然重度的加权平均值； γ2——坑内开挖面以下至板桩底，各土层天然重度的加权平均值； c——桩底处地基土粘聚力； q——基坑外地面荷载； h0——基坑开挖深度；

D——板桩在基坑开挖面以下的桩入土深度； Nq、Nc——地基承载力系数；

Nq=eπtgΦtg2(45) 2Nc=Φ——桩底处地基土内摩擦角；

Nq-1tgΦ

Kwz——围护墙底地基承载力安全系数，根据基坑重要性取值。一级基坑工程取2.5；二级基坑工程取2.0；三级基坑工程取1.7。

备注：基坑工程根据其重要性分为以下三级： 1）符合下列情况之一时，属一级基坑工程： ①支护结构作为主体结构的一部分时； ②基坑开挖深度大于、等于10米时；

③距基坑边两倍开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护时。 2）除一级、三级以外的均属二级基坑工程；

3）开挖深度小于7米，且周围环境无特别要求时，属三级基坑工程。

钢板桩围堰结构设计计算 第 20 页

图2.5.1-1围护墙底地基承载力验算图式

（2）基坑底部土体的抗隆起稳定性 按照下式计算：

KL=式中：MRL——抗隆起力矩；

MRL=R1KstgΦ+R2tgΦ+R3cR1=D(MRL MSL

γh011+qh0)+D2qf(α2-α1+sinα2cosα2-sinα1cosα1)-γD3(cos3α2-cos3α1)223111R2=D2qf+[α2-α1-(sin2α2-sin2α1)]-γD3[sin2α2cosα2-sin2α1cosα1+2(cosα2-cosα1)]223R3=h0D+(α2-α1)D2

qf=γh0+q0

γ——围护墙底以上地基土各土层天然重度的加权平均值； D——围护墙在基坑开挖面以下的入土深度；

Ka——主动土压力系数，取Katg2(45-)Φ2；

c、Φ——滑裂面上地基土的粘聚力和内摩擦角的加权平均值； h0——基坑开挖深度；

α1——最下一道支撑面与基坑开挖面间的水平夹角；

钢板桩围堰结构设计计算 第 21 页

α2——以最下一道支撑点为圆心的滑裂面圆心角； q——坑外地面荷载；

MSL——隆起弯矩，MSL=1(γh0+q0)D2;

2KL——抗隆起稳定性安全系数；一级基坑工程取2.5；二级基坑工程取2.0；三级基坑工程取1.7。

注：悬臂式支挡结构可不进行抗隆起稳定性验算。

图2.5.1-2 基坑底抗隆起计算简图

2.5.2抗管涌验算

地下水位较高的地区，开挖后会形成水头差，产生渗流，当渗流较大时，有可能造成底部管涌稳定性破坏。因此，验算管涌稳定性也是十分必要的，可通过下式对其进行验算：

Kg=ic i式中：ic——临界水力坡度，icρ1

e1ρ——坑底土体相对密度 e——坑底土体天然空隙比 i——渗流水力坡度，i=hw——坑内外水头差； L——最短渗流流线长度；

Kg——抗渗流安全系数，取1.5～2.0。基坑底土为砂性土、砂质粉土或粘性土与粉性土中有明显薄层粉砂夹层时取最大值。

hw L钢板桩围堰结构设计计算 第 22 页

图2.5.2基坑底土体渗流计算简图

2.5.3抗倾覆稳定性验算

钢板桩结构的抗倾覆稳定性，可按下式验算：

KQ=MRC MQC式中：MRC——抗倾覆力矩。取基坑开挖面以下钢板桩入土部分坑内侧压力，对最下一道支撑或锚定点的力矩。

MQC——倾覆力矩。取最下一道支撑或锚定点以下钢板桩坑外侧压力，对最下一道支撑或锚定点的力矩。

KQ——抗倾覆稳定性安全系数，一级基坑工程取1.20；二级基坑工程取1.10；三级基坑工程取1.05。

图2.5.3抗倾覆稳定计算图式

钢板桩围堰结构设计计算 第 23 页

2.5.4变形估算

当基坑附近有建筑物和地下管线时，必须对支护进行变形估算，以确保建筑物及管线的安全，变形包括支护周围土体变形和地基回弹变形两部分，对于中小基坑地基回弹变形可不进行估算。

基坑周围土体的变形应根据土质、支护情况及当地经验采用合适的估算方法，本文采用以下公式计算：

δv=k1αh

式中：k1——修正系数，对于钢板桩k1=1.0； h——基坑开挖深度；

α——地表沉降量与基坑开挖深度之比（%），可参照图2.5.4查得；

图2.5.4 α系数表

2.6构件设计 2.6.1钢板桩设计

计算出最大弯矩Mmax后，可根据下式对钢板桩进行选型：

maxMmax []W

式中：σmax——桩身最大应力； W——钢板桩截面抵抗矩；

钢板桩围堰结构设计计算 第 24 页

β——抵抗矩折减系数，对于小启口钢板桩，当设有整体围檩和冠梁时，β取1.0，不设冠梁或围檩分段设置时，β取0.7；

2.6.2围檩设计

围檩实际情况按照连续梁或简支梁计算其最大弯矩，一般采用工字钢或H型钢，可根据下式进行选型：

maxMmax []W

式中各参数意义同前。

2.6.3支撑设计

支撑按偏心受压构件计算。偏心弯矩除竖向荷载产生的弯矩外，还应考虑轴向力对构件初始偏心距的附加弯矩。初始偏心距可根据《钢结构设计规范》相关规定计算。同时，考虑到支撑预压力和温度的影响，验算时轴力宜乘以1.1～1.2的增大系数。构件型号可根据下式确定：

maxNMmax [f]AW

式中：N——轴心压力； A——构件界面面积；

φ——稳定系数，根据《钢结构设计规范》相关规定取值； Mmax——构件自重引起的最大弯矩；

2ql2γ钢AlMmax==88

2.6.4立柱设计

当基坑跨度较大，稳定性计算安全系数较低时，需要设置立柱。立柱截面承载力计算应符合下列规定：

（1）立柱截面承载力应按偏心受压构件计算。开挖面以下立柱的竖向荷载和水平承载力按单桩承载力验算。

钢板桩围堰结构设计计算 第 25 页

（2）立柱截面的弯矩应包括下列各项： 1）竖向荷载对立柱截面形心的偏心弯矩； 2）支撑轴向力1/50的横向力对立柱产生的弯矩； 3）土方开挖时，作用于立柱的侧向土压力引起的弯矩。

（3）立柱受压计算长度取竖向相邻水平支撑的中心距，最下一层支撑以下的立柱取该层支撑中心线至开挖面以下5倍立柱直径（或边长）处的距离。

（4）立柱按轴心受压构件计算时，轴向力设计值可按下列经验公式确定：

Nz=Nzl+0.1Ni

i=1n式中：Nzl——水平支撑及柱自重产生的轴力设计值； Ni——第i层交汇于本立柱的最大支撑轴力设计值； n——支撑层数。

2.6.5构造要求

（1）为防止接缝处漏水，在沉桩前应在锁口处嵌填黄油、沥青或其它密封止水材料，必要时可在沉桩后坑外注浆防水或另施工防水幕墙。

（2）在基坑转角处的支护钢板桩，应根据转角的平面形状做成相应的异性转角桩，且转角桩和定位桩宜加长1m。

3钢板桩施工

3.1场地条件

为了能顺利打入钢板桩，对场地条件要有一个完整的认识，这对准确评估环境和地质条件是非常重要的。通常，在勘察阶段就应对场地条件做出评价，而且随着设计的推进，对场地条件的评价也应更完善。现场的地质条件会影响钢板桩的长度，而施工中的重大事件也会改变钢板桩的长度，甚至在软土中钢板桩可能会被超打。钢板桩可以利用液压锤、振动锤等打桩机具进行施工，但在人口密集区应采用液压锤以避免噪音和对其周围建筑的损害。在施工过程中，应采用型钢导向架来控制钢板桩的位置。施工现场的上空和地下存在的障碍物，

钢板桩围堰结构设计计算 第 26 页

如管道、输电线和已有建筑物，可能导致需要采用特殊的施工技术。有些情况下甚至需要改变钢板桩墙的排列。打桩对临近建筑或路堤的影响也不能忽视。

这里所说的地质条件是指地下土层的特性。为了使钢板桩到达设计贯入深度，需要借助于地质勘查，包括原位测试和室内试验。需提供以下材料：

（1）土层分层；

（2）土颗粒大小、形状及均匀性； （3）包含物；

（4）孔隙率和孔隙比； （5）土密度； （6）地下水位高程； （7）渗透系数和含水量； （8）土层剪切参数，粘聚力；

（9）动探、静探成果以及标准贯入和旁压测试。

3.2钢板桩施工前准备

在钢板桩沉桩前，应该作充分的调查和准备，以在施工时制定可行的施工组织计划和施工工艺。施工场地条件的调查主要包括场地周边环境、地质条件的调查，场地周边环境包括场地周边的建筑、地下管道等及其对施工作业在净空、噪音、振动方面的限制；周边道路交通状况；施工场地钢板桩堆放及运输的能力；施工设备及水电供应条件；沉桩条件（陆上打桩还是水上打桩）；施工作业气象或海象条件以及钢板桩施工对周边通航等方面的环境影响等。而地质条件主要需要调查地层的分布、颗粒组成、密实度、土体强度、静/动力触探及标贯试验结果等。此外，还需掌握工程所用钢板桩数量、尺寸、截面形状、钢材材质及其施工难易程度，如 Z 型钢板桩由于形心不对称可能造成钢板桩的旋转等。

3.2.1作业条件

（1）岩土工程勘察报告完成。

（2）基坑支护设计完成，已经过强度、稳定性和变形计算。钢板桩的设置位置应便于基础施工，即在基础结构边缘之外并留有支、拆模板的余地。特殊情况下如利用钢板桩作为箱

钢板桩围堰结构设计计算 第 27 页

基底板或桩基承台的侧模，则必须村以纤维板（或油毛毡）等隔离材料，以利于钢板桩的拔除。

（3）做好测量放线工作，在基坑边做好轴线标高桩。材料机具均已进场。

（4）钢板桩的平面布置，应尽量平直整齐，避免出现不规则的转角，达到充分利用标准钢板桩和便于设置支撑的目的。

3.2.2作业人员

（1）主要作业人员：机械操作人员、壮工。

（2）机械操作人员应经过专业培训并取得相应资格证书，主要作业人员经过安全培训，并接受了技术交底。

3.3钢板桩沉桩设备及振动打桩 3.3.1沉桩机械种类

钢板桩沉桩机械设备种类繁多且应用均较为广泛，沉桩机械及工艺的确定受钢板桩特性、地质条件、场地条件、桩锤能量、锤击数、锤击应力、是否需要拔桩等因素影响，在施工中需要综合考虑上述多种因素，以选择既经济又安全的沉桩机械，同时又能确保施工的效率。沉桩机械主要有液压振动打桩机械、静力压桩机械等。其中目前国内常用的沉桩机械为液压振动打桩机械。下面将主要针对振动打桩机械进行详细介绍。

下表给出了各种沉桩机械的适用情况，供选型时参考。

钢板桩围堰结构设计计算 第 28 页

表3-1各类沉桩机械的适用情况 机械类别 形式 钢板桩型 长度 软弱粉土 地层条件 粉土、黏土 砂层 硬土层 辅助设备 发音 施工条件 振动 贯入能量 施工速度 优点 其他 缺点 振动锤 所有形式 板桩 很长桩 不适合 合适 合适 可以 不可以 简单 小 大 一般 一般 打拔都可以 瞬时电流较大、或需要专门液压装置 压桩机 除小型板桩外所有板桩 任意长度 可以 合适 可以 不适 规模大 几乎没有 无 一般 一般 打拔都可以 主要适用于直线段 3.3.2液压振动打桩

3.3.2.1 施工原理

目前钢板桩施工使用最多的是液压振动法，液压振动打桩的原理是将机器产生的垂直振动传给桩体，导致桩周围的土体结构因振动而降低强度。对砂质土层，颗粒间的结合被破坏，产生微小液化；对黏土质土层，破坏了原来的构造，使土层密度改变，粘聚力降低，灵敏度增加，板桩周围的阻力便会减少。对砂土还会使桩尖下的阻力减少，利于桩的贯入。对结构紧密的细砂层，这种减阻效果不明显，当细砂层本身较松散时，还会因振动而加密，更难于沉桩。

液压振动锤根据最高工作频率的大小，主要有：低频振动锤（f≤15Hz）、中频振动锤（15Hz～25Hz）、高频振动锤（25Hz～60Hz）、超高频振动锤（f≥60Hz）。近年来，我国也自主研发并在一些重点工程中开始推广应用液压高频振动桩锤。

液压振动打桩施工速度较快；如需拔桩时，效果更好；相对冲击打桩机施工的噪声小；在施工净空受限时可以使用；不易损坏桩顶；操作简单；无柴油或蒸汽锤施工所产生的烟雾。但是对硬土层（砂质上 N >50，粘性土 N >30）贯入性能较差；对桩体周围土层要产生振动；

钢板桩围堰结构设计计算 第 29 页

设备容量的大小与停打之间的关系不明确。 3.3.2.2 施工特点

在桩工机械中，许多桩工机械只具有单一的成桩作业性能，兼容性和应用领域有限，而高频液压振动锤作为一种新型的桩工机械，具有其它桩工机械没有的功能，它区别于其它桩工机械有以下六大特点：

1）是一种环保型的桩工机械。高频液压振动锤与电动锤、柴油锤相比，它施工时振感小、噪音小，不扰民，如果配备降噪动力箱，工作时几乎无噪音，非常适合市区、人群较集中的地方和对周围有较严格限制的地方施工。

2）是一种非常高效的桩工机械。一般来说，高频液压振动锤的施工效率是普通桩工机械的十倍，振动沉桩速度一般在4—7米/分种，在非於泥地质最快速度达到12米/分钟，若与振动专用桩架配套使用，则可缩短对桩时间，提高工作效率。

3）是一种比较轻便的桩工机械。与静压桩机相比，在相同工况条件下，高频液压振动锤全部工作质量只有静力压桩机的二十分之一，整套设备运输只需2辆中型卡车，施工时转场非常方便。

4）是一种相对比较价廉的桩工机械。国外在中国市场销售的高频液压振动锤，价格非常昂贵，其销售价是国产价格的二倍多，再加上销后服务等因素，我国进口数量非常有限；我国自主知识产权高频液压振动锤的销售价尽管比电动锤、柴油锤售价高，但相对于静压桩机和旋挖钻机来说，在完成相当工作的前提下，高频液压振动锤价格更便宜，不及进口产品售价的一半。

5）是一种适用地质范围广的桩工机械。高频液压振动锤分常规型、高频型、无共振型三大系列，根据地质情况和工程需要可选用不同系列、不同激振力的高频液压振动锤作为施工机械，高频液压振动适用于砂质粘土、砂土、软土地区施工，不宜用于砾石和密实的粘土层。

6）是一种多功能的桩工机械。高频液压振动锤不仅可以沉拔混凝土预制管桩(PHC桩)、各类型钢板桩和钢护筒，还可作振动沉管灌注桩、薄壁防渗墙、地表压实、深层压实工程和筒桩的施工。筒桩是目前在桩基础领域中，非常具有应用和推广前景的一种新型成桩工艺，用高频液压振动锤作筒桩施工，是当前一种经济、高效、环保的成桩工艺，它比当前旋挖钻机成孔的灌注桩更高效、更环保、更节能。

钢板桩围堰结构设计计算 第 30 页

3.3.3静力压桩

为了解决钢板桩施工过程中所造成的振动和噪音等建设公害问题，静力压桩机械应运而生，其施工原理是：钢板桩压入过程中，以桩基重力（自重和配重）作为作用力，克服压桩过程中桩身周围的摩擦力和桩尖阻力，将钢板桩压入地层中。

特点是：无噪音、无振动、无污染，对周围环境的干扰小，桩身不受冲击应力，损坏可能性小，施工质量好，效率高。不用试桩可以得出单桩承载力。

静力压桩适用于软土、填土及一般黏性土层中应用，特别适合于居民稠密及危房附近环 境要求严格的地区沉桩，但不宜用于地下有较多孤石、障碍物或有厚度大于2m 的中密以上 砂夹层的情况，以及单桩承载力超过1600kN 的情况。

静力压桩相对于液压振动打桩，无论在地质适用范围还是价格以及轻便度方面均处于劣势，一般对环境和周边条件要求较高的地区使用静力压桩。

3.4 钢板桩的沉桩方法

1.沉桩方法

钢板桩沉桩方法分为陆上沉桩和水上沉桩两种。沉桩方法的选择应综合考虑场地地质条件、是否能能达到需要的平整度和垂直度以及沉桩设备的可靠性、造价等各种因素。

陆上打桩，导向装置设置方便，设备材料容易进入，打桩精度容易控制。应尽量争取这种方法施工。在水中水深较浅时，也可回填后进行陆上施工，但需考虑到水受污染及河流流域面积减少等因素。但水深很大，靠回填经济上不合理，需用船施工，船上施工的桩架高度比陆上施工低，作业范围广，但是材料运输不方便，作业受风浪影响大，精度不易控制，对导向装置要求较高，为解决此类不足，也可在水上打设打桩平台，用陆上的打桩架进行施工，这样对精度控制较有力，但打桩平台的搭设在技术和经济上要求较均高。

2.沉桩的布置方式

钢板桩沉桩时第一根桩的施工较为重要，应该保证其在水平向和竖直向平面内的垂直度，同时需注意后沉的钢板桩应与先沉入桩的锁口应可靠连接。沉桩的布置方式一般有三种，即：插打式、屏风式及错列式。

插打式打桩方法即将钢板桩一根根地打入土中。这种施工法速度快，桩架高度相对可低一些，一般适用于松软土质和短桩。由于锁口易松动板桩容易倾斜，对此可在一根桩打入后，

钢板桩围堰结构设计计算 第 31 页

把它与前一根焊牢，既防止倾斜又可避免被后打的桩带入土中。

屏风式打桩法将多根板桩插入土中一定深度；使桩机来回锤击，并使两端 1~2 根桩先打到要求深度再将中间部分的板桩顺次打入。这种屏风施工法可防止板桩的倾斜与转动，对要求闭合的围护结构，常采用此法。此外还能更好的控制沉桩长度。其缺点是施工速度比单桩施工法慢且桩架较高。

错列式打桩每隔一根桩进行打入，然后再打击中间的桩。这样可以改善桩列的线形，避免了倾斜问题。

在进行组合钢板桩沉桩时，常用错列式沉桩法，一般先沉截面模量较大的主桩，后沉中间较小截面的板桩。

屏风式打桩法有利于钢板桩的封闭，工程规模较小时可考虑将所有钢板桩安装成板桩墙后再进行沉桩。用插打法沉桩时为了有利于钢板桩的封闭，一般需从离基坑角点约 5 对钢板桩的距离开始沉桩，然后在距离角点约 5 对钢板桩距离的地方停止，封闭时通过调整墙体走向来保证尺度要求，且在封闭前需要校正钢板桩的倾斜，有必要的时候补桩封闭。对于圆形支护结构，若尺度较小可安装好所有板桩后沉桩；直径较小的支护结构只通过锁口转动不能达到预定效果，可使用预弯成型的板桩封闭；尺度较大时需要严格控制板桩的垂直度，否则可能需要调整板桩的走向但会增加或减小结构直径，因此亦可使用预弯成型的钢板桩。

3.辅助沉桩措施

在用以上方法沉桩困难时，可能需要采取一定的辅助沉桩措施，如：水冲法、预钻孔法、爆破法等。

水冲法：包括空气压力法、低压水冲法、高压水冲法等。原理均是通过在板桩底部设置喷射口，并通过管道连接至压力源，通过喷射松散土体利于沉桩。但水冲法大量的水可能引起副作用，如沉降问题等。高压水冲水量比低压水冲要小，因此更为有利，而且低压水冲可能会影响土体性质，应慎用。

3.5施工工艺 3.5.1工艺流程

钢板桩检验→钢板桩矫正→建（构）筑物定位→钢板桩定位放线→挖沟槽→安装导向架 沉打钢板桩→拆除导向架支架→第一层支撑位置处开沟槽→挖第一层土→→→安装最后一层

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支撑及围檩→挖最后一层土(至开挖设计标高) →基础承台施工→填土或换撑→拆除最下层支撑→拔出钢板桩。

3.5.2操作工艺

（1）打桩机械选择

钢板桩可采用锤击打入法、振动打入法、静力压入法及振动锤击打入法等施打方法，工程中采用前两者居多。根据不同的施打方法应采用相应的打桩机械。同时在选择打桩机械型号时，应考虑工程地质，现场作业环境，钢板桩形式、重量、长度、总数量等具体条件，以使选用机械适用、经济、安全。

（2）钢板桩的检验及矫正

用于基坑支护的成品钢板桩如为新桩，可按出厂标准进行检验；重复使用的钢板桩使用前，应对外观质量进行检验，包括长度、宽度、厚度、高度等是否符合设计要求，有无表面缺陷，端头矩形比，垂直度和锁口形状等。

（3）打桩围檩支架（导向架）的设置：

为保证钢板桩沉桩的垂直度及施打板桩墙面的平整度，在钢板桩打入时应设置打桩围檩支架，围檩支架由围檩及围檩桩组成。

围檩可以双面布置，也可以单面布置一般下层围檩可设在离地约500mm处，双面围檩之间的净距应比插入板桩宽度放大8-10mm。围檩支架一般用型钢组成，如H型钢、工字钢、槽钢等，围檩入土深度一般为6-8m，间距2-3m，根据围檩截面大小而定，围檩之间用连接板焊接。

（4）钢板桩焊接

由于钢板桩的长度是定长的，因此在施工中常需焊接。为了保证钢板桩自身强度，接桩位置不可在同一平面上，必须采用相隔一根上下颠倒的接桩方法。

（5）钢板桩的打设方式

1）钢板桩的打设方式可根据板桩与板桩之间的锁扣方式，或选择大锁扣扣打施工法及不锁扣扣打施工法。大锁扣扣打施工法是从板桩墙的一角开始，逐块打设，每块之间的锁扣并没有扣死。大锁扣扣打施工法设简便迅速，但板桩有一定的倾斜度、不止水、整体性较差、钢板桩用量较大，仅适用于强度较好透水性差、对围护系统要求精度低的工程；小锁扣扣打施工法也是从板桩墙的一角开始，逐块打设，且每块之间的锁扣要求锁好。能保证施工质量，

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止水较好，支护效果较佳，钢板桩用量亦较少。但打设速度较缓慢。

2）钢板桩的打设方法还可以分为单独打入法和屏风式打入法两种。

单独打入法是从板桩墙的一角开始，逐块打设，直到工程结束。这种打入方法简便迅速不需辅助支架，但易使板桩间一侧倾斜，误差积累后不易纠正。适用于要求不高，板桩长度较小的情况。 屏风式打入法是将10—20根钢板桩成排插入导架内，呈屏风状，然后再分批施打。这种打入方法可减少误差积累和倾斜，易于实现封闭合拢，保证施工质量。但插桩的自立高度较大，必须注意插桩的稳定和施工安全，较单独打入法施工速度较慢。目前多采用这种打入方法。

（6）钢板桩的打设

1）选用吊车将钢板桩吊至插桩点处进行插桩，插桩时锁口要对准，每插一块即套上桩帽，并轻轻地加以锤击。在打桩过程中，为保证钢板桩的垂直度，用两台经纬仪在两个方向加以控制。为防止锁口中心线平面位移，同是在围檩上预先计算出每一块板桩的位置，以但随时检查校正。

2）钢板桩应分几次打入，如第一次由20m高打至15m，第二次则打至10m，第三次打至导梁高度，待导架拆除后再打至设计标高。开始打设的第一、第二块钢板桩的打入位置和方向要确保精度，它可以起样板导向的作用，一般每打入1m就应测量一次。

（7）钢板桩的转角和封闭

钢板桩墙的设计水平总长度，有时并不是钢板桩的标准宽度的整数倍，或者板桩墙的轴线较复杂、钢板桩的制作和打设有误差等，均会给钢板桩墙的最终封闭合拢施工带来困难，这时候可采用：异型板桩法、连接件法、骑缝搭接法、轴线调整法等方法进行调整。

3.6施工过程中注意事项

（1）钢板桩打桩过程中有时遇上大的块石或其它不明障碍物，导致钢板桩打入深度不够，则采用转角桩或弧形桩绕过障碍物。

（2）钢板桩在淤泥质地段挤进过程中受到淤泥中块石或其它不明障碍物等侧向挤压作用力大小不同容易发生偏斜，采取以下措施进行纠偏：在发生偏斜位置将钢板桩往上拔l.0m～2.0m，再往下锤进，如此上下往复振拔数次，可使大的块石等障碍物被振碎或使其发生位移，让钢板桩的位置得到纠正，减少钢板桩的倾斜度。

（3）由于淤泥质基础较软，有时施工发生将邻桩带入现象，采用的措施是把相邻的数根

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桩焊接在一起，并且在施打当桩的连接锁口上涂以黄油等润滑济减少阻力。

钢板桩围堰抽水完毕后，测量围堰底面标高，用砂浆找平承台底面至承台底面设计标高。在桩基检测完成后，对桩位进行复测，并报请监理验收。在验收合格后，进行承台施工。根据钢板桩围堰内支撑的布设要求，承台砼可一次浇注完成。承台模板使用大块钢模板进行施工。

（4）基坑周边荷载，会增加墙后土体的侧向压力，增大滑动力矩，降低支护体系的安全度。施工过程中，不得随意在基坑周围堆土，形成超过设计要求的地面超载。

（5）钢板桩在拆除工作中应注意：

1）钢板桩围堰拆除与围堰施工顺序相反进行。首先采用水泵加水至最下一道围堰标高处拆除最下一道钢围囹，依次循环,直至最顶一层围囹拆除完毕。

2）钢板桩拔除先行由下游方向开始，对称施工至上游方向，采用振拔锤配浮吊进行施工。 3）拆除过程必须时刻注意施工安全。

4结论与展望

4.1结论

（1）本文主要对钢板桩围堰结构计算进行了较为详尽的分析，同时对其施工工艺进行了介绍。在整个钢板桩围堰结构计算过程中，分别考虑了钢板桩支护结构的荷载作用、钢板桩支护结构的入土深度计算、基坑稳定性验算、变形计算、各构件强度验算（如：钢板桩、围檩、支撑、立柱等）等。对钢板桩围堰的结构受力检算提供了一个模板。计算过程中，对水土合算和水土分算分别给出了计算方法和应用条件。其中水土分算下水压力的计算根据具体情况可分别考虑按照三角形分布（考虑渗流）或梯形分布（不考虑渗流）来进行计算。

（2）一般砂土地基采用水土分算，而黏土和粉土地基一般采用水土合算。支护结构承受的土压力，与土层地质条件、地下水状况、支护结构各构件的刚度以及施工工程、方法、质量等因素密切相关，且呈现出时空效应，由于这些因素千变万化，十分复杂，因此难于计算土压力的精确值，目前国内外常用的计算土压力方法仍以库仑公式或朗肯公式为基本计算公式，均假设土体为极限平衡状态下的计算公式，实测资料表明，围护结构变形和土压力的调整使得作用于基坑围护结构上的土压力往往处于非极限平衡状态[2]。

（3）同其他支护形式的基坑一样，在基坑设计时还需要考虑施工车辆荷载及基坑周边的

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超载、建筑基础荷载等荷载。而临水基坑的钢板桩支护结构中，钢板桩除受波浪、水流荷载作用外，还可能出现其它环境荷载，特别是当钢板桩在水面以上的悬臂段较长时，风荷载成为不可忽略的因素，风荷载的可参照相关规范计算。

4.2展望

上述支护结构计算所用的荷载计算理论或方法，虽经长期实践证明是可行的。但从安全、经济等因素综合评价，尚有不足之处。因为基坑土方开挖，钢板桩围护墙两侧土压和水压的平衡即被破坏，使钢板桩受力发生变形，圈梁支撑等相继承受作用力，随着土方向下继续开挖，变形不断发展，结构承受的作用力亦不断发生变化。因此，整个土方开挖及支护结构施工过程中，支护系统呈现复杂的受力状态。文中钢板桩结构计算所假设荷载的计算方法没有反映出支护结构所承受的侧压力随基坑开挖而变化的实际状态。因此，有条件时最好采用能动态反映支护结构受力的弹塑性法进行设计，计算中采用的有关参数，应尽可能地反映地层的实际情况，并结合实践经验进行反分析以综合判断。而临水基坑所受波浪水流力的计算亦可采用模型试验加以确定。

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