桥梁水中基础钢板桩计算书

某大桥钢板桩围堰计算书一、 基本资料1、 工程概况某大桥912#墩位于水中，1315#墩位于岸边。912#墩承台底在枯水位以下6.77.6m，1315#墩承台底位于枯水期稳定水位以下3.86.3m，承台拟采用钢板桩围堰施工。11墩位地质情况915#墩位地质主要为卵石层、强风化泥岩与砂岩互层层，墩位处地质各层标高如下表:地层墩台号9101112131415水深321.22.2卵石层5.28.737.4611.66109.76.9强风泥岩与砂岩互层8.876.41111.241414.918.11.2水文枯水期水位高程为853m，设计水位为855m ，水流流速12m/s，最大流速3m/s。2、 土体参数岩土名称饱和容重(KN/m3)浮容重(KN/m3)内摩擦力()黏聚力C(kpa)卵石2111.19350强风化砂岩2217.13040强风化泥岩2220103、 材料特性型号规格截面面积单重惯性距截面抗弯矩宽高厚单根单根每米宽每米宽每米宽mmmmmmCm2Kg/mKg/mCm4Cm3Sp-(L)40017015.596.9976.11903860022704、 计算公式4.1静水压力公式q=h4.2流水压力作用在钢板桩围堰的流水压力，根据公路桥涵设计通用规范JTG D600-2004(4.3.8)公式计算：P=kAv2/2g水的容重，取值10KN/m3v设计流速，取值3m/sA阻水面积m2G重力加速度，取值9.81 m/s2K桥墩形状系数，钢板桩围堰为矩形K取值1.3 桥墩形状系数4.3土压力根据朗金土压力公式：主动土压力：Pa=Kah-2c(Ka)1/2被动土压力：Pp= Pa=Kph+2c(Kp)1/2计算土压力的点至地面的距离基坑外侧土的的重度主动土压力系数，为基坑外加权平均摩擦角被动土压力系数，为基坑内加权平均摩擦角基坑内固块黏聚力=0.27，=3.694.4围堰坑底涌砂隆起验算根据建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）4.2.4条，支撑式支挡结构，其嵌固深度应满足坑底隆起稳定性要求，抗隆起稳定性可按下列公式计算：m2DNQ+cNc/(m1(h+D)+q0)KheNQ=tg2(45+/2)etanNc=( NQ-1)/tanKhe抗隆起安全系数；安全等级按一级考虑，取值1.8m1基坑外挡墙构件底面以上土的重度m2基坑内挡土构件底面以上土的重度D基坑底面至挡土构件底面的土层厚度H基坑深度q地面以上均布荷载c挡土构件地面以下土的黏聚力挡土构件地面以下土的内摩擦角二、 计算依据及计算方法1、计算方法采用容许应力法，钢板桩设计为固定支承和自由支承两种，桩体按照竖向连续梁法计算。2、计算依据(1) 公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)(2) 钢板桩工程手册（欧领特编）人民交通出版社(3) 建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）(4) 路桥施工计算手则三、计算选取对象钢板桩围堰采用封底与不封底两种方案施工承台，钢板桩插打至强风化砂岩或泥岩中最小锚固深度。根据915#墩地质柱状图地质情况、河床标高、承台标高及钢板桩插入度的不同，以最大开挖深度9#墩承台与卵石层最大厚度12#墩计算。9#墩承台钢板桩插打深度满足坑底隆起要求控制，12#墩承台以钢板桩在吸泥到封底混凝土底工况满足固端支撑最小锚固深度要求控制。9#、12#墩承台墩号河床标高(m)卵石层底标高(m)强风化砂岩底标高(m)承台底标高(m)9850845.08836.21845.01412850.8839.14827.9845.87四、9#墩计算1、围堰坑底隆起验算根据建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）4.2.4条，支撑式支挡结构，其嵌固深度应满足坑底隆起稳定性要求，抗隆起稳定性可按下列公式计算：m2DNQ+cNc/(m1(h+D)+q0)KheNQ=tg2(45+/2)etanNc=( NQ-1)/tan9#墩钢板桩插到强风化泥岩与砂岩互层顶面以下1m，基坑开挖深度按5m计，钢板桩入土深度1.5m。施工水位855m，基坑采取抽干水施工承台，取水头差10m，则q0=109.81=981KN/m2。容重取、内摩擦角强风化砂岩与强风化泥岩平均值：容重22KN/ m3，内摩擦角25，黏聚力取泥岩黏聚力10Kpa，卵石土浮容重11.19KN/ m3。代入以上各项数据有：Nq=tg2(45+/2)*etan= tg2(45+25/2)*e tan25=10.66Nc=( NQ-1)tan=(10.66-1)/tan25=22.86m2DNQ+cNc/(m1(h+D)+q0)=(22110.66+1022.86)/(11.19（5+1）+98.1)=2.81.8经计算钢板桩满足坑底隆起稳定性要求。图1 钢板桩围堰布置图3、计算工况钢板桩围堰采用无封底施工，钢板桩桩底按自由支撑设计。工况一：第一层内支撑下放完毕，抽水至河床标高 。图2 工况一示意图工况二：安装第二层内撑后，开挖至第三层内撑以下0.5m。图3 工况二示意图工况三：第临时内支撑安装后，开挖至第三层内撑以下3.5m处。图4 工况三示意图4、钢板桩计算围堰结构计算分为迎河面、顺水面及河流方向斜交面对围檩的作用力。迎水面：4.1工况一计算4.1.1流水压力计算根据计算公式5.2流水压力计算公式得：P=kAv2/2g=1.3519.8132/2/9.81=29.25 KN4.1.2静水压力河床处钢板桩外侧静水压力：P外=h=9.81KN/m35m=49.05 kpa 4.1.3土压力计算钢板桩位于卵石层中，卵石层内摩擦角为=35，根据主动和被动土压力系数计算公式得：卵石层中主动和被动土压力系数为：=0.27，=3.69强风化砂岩与泥岩互层中主动和被动土压力系数为：内摩擦角、黏聚力取强风化砂岩与强风化泥岩平均值：=tan2(45-25/2)=0.406= tan2(45+25/2)=2.464卵石层底部钢板桩主动土压力：Pa= Kah-2c(Ka)1/2+whw=0.2711.195+109.81=113.21kpa强风化砂岩泥岩互层主动与被动土压力按水土合算。钢板桩主动土压力：强风化层顶面：Pa=Kah-2c(Ka)1/2 =(5m21+5m9.81)0.406-2100.406=49.8kpa钢板桩底面：Pa=Kah-2c(Ka)1/2 =(5m21KN/m3+1m22 KN/m3+5m9.81)0.406-210 kpa0.406=58.7kpa钢板桩被动土压力：卵石土底面：Pp=Kah+2c(Ka)1/2+whw =511.193.69+203.69+59.81=255.51kpa强风化层顶面：Pp=Kah+2c(Ka)1/2 =5212.464+2102.464=290.1kpa钢板桩底：Pp= Pa=Kph+2c(Kp)1/2=（521+122）2.464+2102.464=344.32kpa3.1.4主动、被动土压力平衡临界点图5 钢板桩围堰工况一受力图该工况中，由于钢板桩入土深度大，对钢板桩约束大，可以认为桩端固定支撑，当被动土压力与主动土压力相等时，设距离河床下距离为y,49.05+(113.2-49.05)/5y=255.51/5y 解得：y=1.28m4.2工况二工况二时，安装第二层内撑后，承台吸泥至第三层内撑以下0.5m处。钢板桩外侧主动土压力与工况一相同，本工况仅计算钢板桩内侧被动土压力。4.2.1被动土压力计算钢板桩内侧被动土压力采用水土分算法：卵石层底面：Pa= Kah-2c(Ka)1/2+whw=3.6911.192.2-200.271/2+9.812.2=112.42kpa强风化层顶面：Pp=Kah+2c(Ka)1/2=2.464212.2+2102.464=145.23kpa钢板桩底：Pp= Pa=Kph+2c(Kp)1/2=（2.221+122）2.464+2102.464=199.44kpa图6 钢板桩围堰工况二受力图4.3工况三工况三安装第三层内撑后，开挖至承台底处。工况三钢板桩外侧主动土压力与工况一相同。只计算钢板状内侧被动土压力，作出钢板桩土压力受力图。4.3.1钢板桩内侧被动土压力强风化层顶面：Pp=Kah+2c(Ka)1/2+whw =2.464220+2102.464=31.39kpa钢板桩底端：Pp=Kah+2c(Ka)1/2+whw =2.464221+2102.464=85.6kpa图7 钢板桩围堰工况三受力图5、迎水面计算各支撑点的反力、钢板桩弯矩5.1各工况荷载(1)工况一图8 工况一受力图(2)工况二图9 工况二受力图 (3)工况三图10 工况三受力图 5.2各工况支点反力图（1）工况一图11 工况一反力图（2）工况二图12 工况二反力图（3）工况三图13 工况三反力图5.3各工况弯矩图(1)工况一图14 工况一弯矩图 (2)工况二图15 工况二弯矩图(3)工况三图16 工况三弯矩图5.4各工况剪力(1) 工况一图17 工况一剪力图 (2)工况二图18 工况二剪力图 (3)工况三图19 工况三剪力图迎水面围堰侧各工况围檩下及钢板桩受力统计表工况围檩受力（KN/m）钢板桩最大剪力(KN)钢板桩最大弯矩（KN.m）第一层第二层第三层第四层临时工况一111.9103.6128.8工况二38277.80195.8256.1工况三77.9-4.5479.90254.6353.25.5钢板桩应力计算通过以上五种工况计算，钢板桩最大剪力254.6KN，最大弯矩353.2KN.m，则钢板桩的应力为：=M/W=353.2KN.m/2270 Cm3=353.2106/2270103=155.6Mpa=210 Mpa=254.6KN/(96.99/0.4) Cm2=254.6103/242.5102=10.51Mpa566KN满足稳定性要求。长斜杆容许轴力：P=A=0.911194.778102140=2484.2KN752.5KN满足稳定性要求。顺桥横撑容许轴力：P=A=0.687194.778102140=1873.4KN484.1KN满足稳定性要求。 围檩2I63b工资钢验算：弯曲应力：=M/W+ P/A =391.4106/(4893103)+ 1208.5103/(293.16102)=121.2Mpa1.25=1451.25=181.25Mpa(临时性结构时钢材容许应力提高系数可取1.25倍)满足规范要求。满足规范要求。工字钢剪应力：=Q/hd=285.4103/(256014.5)=17.6Mpa1658.3KN满足稳定性要求。长斜杆容许轴力：P=A=0.911194.778102140=2484.2KN1832.9KN满足稳定性要求。顺桥横撑容许轴力：P=A=0.687194.778102140=1873.4KN1456.5KN满足稳定性要求。 围檩3I56b工资钢验算：弯曲应力：=M/W+ P/A =660.7106/(7339.5103)+ 3010103/(439.74102)=158.5Mpa1.25=1451.25=181.25Mpa(临时性结构时钢材容许应力提高系数可取1.25倍)满足规范要求。满足规范要求。工字钢剪应力：=Q/hd=729.6103/(356014.5)=30Mpa2387.9KN满足稳定性要求。顺桥横撑容许轴力：P=A=0.771266.91102140=2881KN2338.3KN满足稳定性要求。横桥横杆容许轴力：P=A=0.91194.778102140=2481.5KN1054.5KN满足稳定性要求。 围檩4I56b工资钢验算：在横桥向围檩与顺桥向内撑相交位置出现弯矩最大915.5KN.m，轴力4659.2KN；顺桥向围檩与横桥向内撑相交位置出现最大轴力4695.2KN，弯矩为847.6KN.m；两斜撑间围囹最大弯矩为847.3KN.m，轴力3006.9KN。横桥向围檩弯曲应力：=M/W+ P/A =915.5106/(9786103)+ 4659.2103/(586.32102)=173Mpa1.25=1451.25=181.25Mpa(临时性结构时钢材容许应力提高系数可取1.25倍)满足规范要求。顺桥向围檩弯曲应力：=M/W+ P/A =563.5106/(9786103)+ 4695.2103/(586.32102)=137.7Mpa1.25=1451.25=181.25Mpa(临时性结构时钢材容许应力提高系数可取1.25倍)满足规范要求。斜撑间围檩弯曲应力：=M/W+ P/A =847.3106/(9786103)+ 3006.9103/(586.32102)=137.9Mpa1.25=1451.25=181.25Mpa(临时性结构时钢材容许应力提高系数可取1.25倍)满足规范要求。工字钢剪应力：=Q/hd=1250.3103/(456014.5)=38.5Mpa=85Mpa满足要求。 五、12#墩计算1、封底混凝土计算1.1封底混凝土厚度计算钢板桩插入深度为透水层时，考虑在承台底部浇注封底混凝土止水。封底砼的自重及砼与钢护筒之间的握裹力之和抵抗封底混凝土的浮力。施工期间最高洪水位距承台底的高差为9.13m，取值9.5m，假定封底混凝土厚度为Xm，则封底混凝土承受的浮力为：F浮=gA=9.81(9.5+X)32.8521.6=66127.44+6960.78x封底砼重：G=(32.8521.6-1.1224)24X=14839.9X钢护筒与封底砼之间的握裹力，根据以往经验及参考资料，钢护筒与封底混凝土之间的握裹力系数取200kpa（200KN/m2）。F握=242.2X200=33175.2x封底混凝土最小厚度足以使自重及砼加钢护筒之间的握裹力之和与封底混凝土的浮力代数和为零达到平衡。即F浮=Gz+ F握66127.44+6960.78x-33175.2x-14839.9X=0 X=1.61m考虑一定的安全系数，封底混凝土厚度取值1.8m。1.2封底混凝土应力计算在最大抽水状态，还必须验算封底混凝土的强度。检算时可取桩护筒间的单位宽度的混凝土梁，偏于安全地简化为简支梁计算，根据桩位的布置，简支梁的跨度为6.25米，梁高为1.8米，作用的荷载大小为10.939.81=107.22KN/m的均布荷载，则跨中最大弯矩为：M=ql2/8=107.226.252/8=523.55KN.mW=bh2/6=11.82/6=0.54m3所以混凝土中的拉应力为：=M/W=523.55106/0.54109=0.97Mpa若采用C40混凝土封底，在强度充分发展的情况下其抗拉容许应力为：2.4MPa(公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范2004)，但要考虑封底混凝土的抗拉容许应力会降低很多，在适当保证超过封底混凝土质量的情况下，认为封底混凝土是安全的。2、围堰内撑布置钢板桩围堰采用封底混凝土施工，封底混凝土厚度1.8m，为了保证基坑吸泥至封底混凝土底标高时，钢板桩在土体锚固长度最短，减少钢板桩主动土压力和被动土压力差值,考虑在洗泥时在钢板桩围堰内侧注水来平衡内外高程。图73 内支撑布置图3、计算工况工况一：第一层内支撑安装完毕，围堰内外水位相等后，吸泥至封底混凝土底标高处。图74 工况一工况二：基坑封底混凝土浇注后，抽水至第2层内支撑以下0.5m处。图75 工况二工况三：第2层内撑安装完毕，抽水至第3层内支撑以下0.5m处。图76 工况三工况四：安装第三层内撑后，抽水至封底混凝土顶面时。图77 工况四4、钢板桩计算围堰结构计算同9#墩围堰计算相似，分为迎河面、顺水面及河流方向斜交对围堰钢板桩的作用力。迎水面：4.1工况一计算4.1.1流水压力计算根据计算公式5.2流水压力计算公式得：P=kAv2/2g=1.34.211032/2/9.81=25 KN4.1.2静水压力河床处钢板桩外侧静水压力：P外=h=9.814.2=41.2 kpa封底混凝土底面钢板桩内侧静水压力：P内=h=9.8110.93=107.22kpa4.1.3土压力计算钢板桩位于卵石层中，卵石层内摩擦角为=35，根据主动和被动土压力系数计算公式得：=0.27，=3.69钢板桩围堰内外水位高程相等，钢板桩外侧主动、被动土压力采用水土分算时，内外静水压力相互抵消，仅计算钢板桩受到净主动、被动土压力。钢板桩底部净主动土压力：Pa= Kah-2c(Ka)1/2=0.2710.8m（21-9.81）-200.271/2=32.63kpa钢板桩底部净被动土压力：Pa= Kph-2c(Ka)1/2=3.694.07（21-9.81）-200.271/2=168.1 kpa封底混凝土基坑底部钢板桩主动土压力：Pa= Kah-2c(Ka)1/2+whw=0.2711.196.73-200.271/2=20.33kpa2.1.4主动、被动土压力平衡临界点图78 钢板桩围堰工况一受力图该工况中，由于钢板桩入土深度大，对钢板桩约束大，可以认为桩端固定支撑，假定弯距图上反弯点的位置在被动土压力与主动土压力相等时，设距离河床下距离为y,32.63/10.8y=168.01/4.07(y-6.73) y=7.26m4.2工况二工况二时封底混凝土浇注完成，封底混凝土作为钢板桩底部内支撑，将封底混凝土顶面当着支撑点。4.2.1封底混凝土顶面主动土压力Pa= Kah-2c(Ka)1/2+whw=0.2711.19(850.8-845.87) -200.271/2+9.81(855-845.87)=104.46kpa2.2.2钢板桩内侧水压力P=whw=9.81(850.87-845.87)=49.05kpa图79 钢板桩围堰工况二受力图4.3工况三工况三与工况二钢板桩外侧主动土压力相同，内侧抽水至第三层内撑以下0.5m，钢板状内侧水压力变化。下面只计算钢板状内侧水压力，作出钢板桩土压力受力图。2.3.1封底混凝土顶水压力P=whw=9.812.2=21.58kpa图80 钢板桩围堰工况三受力图4.4工况四工况四与工况二、工况三钢板桩外侧主动土压力相同，内侧抽水至封底混凝土顶面，钢板桩内侧无水压力。图81 钢板桩围堰工况四受力图4.5计算各支撑点的反力、钢板桩弯矩4.5.1迎水面各工况荷载(1)工况一图82 工况一受力图(2)工况二图83 工况二受力图 (3)工况三图84 工况四受力图 (4)工况四图85工况四受力图4.5.2迎水面各工况支点反力图（1）工况一图86 工况一反力图（2）工况二图87 工况二反力图（3）工况三图88 工况三反力图（4）工况四图89 工况四反力图4.5.3迎水面各工况弯矩图(1)工况一图90 工况一弯矩图(2)工况二图91 工况二弯矩图(3)工况三图92 工况三弯矩图 (4)工况四图93 工况四弯矩图4.5.4迎水面各工况剪力(1) 工况一图94 工况一剪力图 (2)工况二图95 工况二剪力图 (3)工况三图96 工况三剪力图 (4)工况四图97 工况四剪力图迎水面各工况下围檩及钢板桩受力统计表工况围檩受力(KN/m)钢板桩剪力(KN)钢板桩弯矩（KN.m）第一层第二层第三层第四层工况一43.655.281.7工况二165.2182.8322.4工况三-15.6291.3186.1181.1工况四49.191.9225.2130.956.94.5.5钢板桩应力计算通过以上四种工况计算，钢板桩最大剪力186.1KN，最大弯矩322.4KN.m，则钢板桩的应力为：=M/W=322.4KN.m/2270 Cm3=322.4106/2270103=142Mpa=210 Mpa=186.1KN/(96.99/0.4) Cm2=237.7103/242.5102=9.8 Mpa900.8KN满足稳定性要求。长斜杆容许轴力：P=