水中钢板桩围堰设计(后讲)

钢板桩设计计算过程1.工程概况1.1项目概况 河床地质：主要为粉土和粉砂，施工水位+1.59m，且河道内水流流速很小。土层容重，内摩擦角φ=14.85°，粘聚力c=15Kpa，河床底标高-6.12m。1.2钢板桩围堰结构参数钢板桩拟采用拉森SKSP-SX27钢板桩，材质为SY295，钢板桩具体参数见表1-2。表1-2钢板桩截面参数表钢板桩型号单根钢板桩每延米钢板桩宽侧厚壁厚面积惯性矩截面矩BHtAIxWxmmmmmmcm2/mcm4/mcm3/mSKSP-SX2760021018225.5567002700共设4道内支撑：（1）第一道围囹采用2HW588×300，围囹上下翼缘板采用10mm厚钢板焊接，见图1.1，内支撑采用φ600×12mm的钢管。（2）第二、三、四道围囹均采用2HN900×300，围囹上下翼缘板采用10mm厚钢板焊接，见图1.2，长内支撑采用φ660×16mm钢管，短内支撑采用φ600×12mm的钢管。钢板桩采用SY295钢材，其余钢材均按照Q235钢材计算。材料容许应力为：SY295bz钢板桩：[σ]＝215Mpa；Q235钢材，强度计算：[σ]=170MPa；稳定性计算：[σ]=215MPa。图1.2围堰立面布置图2.计算假定及荷载分析2.1计算假定本工程土压力计算采用的水土分算法，即钢板桩承受静水压力、主动土压力及被动土压力。2.2土压力计算主动土压力系数：；被动土压力系数：；水土分算土的浮重度为：根据《建筑施工计算手册》，被动土压力修正系数：，则主动土压力：令，求得h=4.2m2.3静水压力计算3.工况分析3.1工况分析通过分析对以下几个工况进行计算，图中qa为主动土压力强度，qp为被动土压力强度，qw为水压力强度。（1）工况一：安装好第一、二道内支撑（第二道内支撑未安装对撑），抽水至-4.24m标高，计算钢板桩和第一、二道内支撑受力情况；工况一受力示意图（2）工况二：安装好第二道内支撑的对撑后，抽水吸泥至-6.72m标高，计算钢板桩围堰和第一、二两道内支撑受力情况；工况二受力示意图（3）工况三：安装好第三道内支撑的对撑后，抽水吸泥至-9.089m标高，计算钢板桩围堰和第一、二、三道内支撑受力情况；工况三受力示意图（3）工况四：安装完第四道内支撑后，向围堰内注水与围堰外水位一致，围堰内吸泥、清淤至-15.989m，保证围堰内水位不变，计算钢板桩围堰和三道内支撑受力情况；工况四受力简图（4）工况五：混凝土封底完成，抽水，计算钢板桩围堰和四道内支撑的受力情况；工况五受力简图4.钢板桩受力计算4.1工况一坑内降水至-4.24m标高，计算作用在钢板桩上水土压力强度为零点，该点距离河床顶面高程为Y，采用等值梁法计算嵌固深度：通过计算解得：将钢板桩作为梁计算，内支撑作为模型的支点，建立midas模型。工况一模型图工况一内撑反力图工况一弯矩图工况一钢板桩计算结果表Mmax(kN*m)R1(kN/m)R2(kN/m)Rf(kN/m)78.732217.65729.15表中钢板桩强度满足要求。要求嵌固深度实际嵌固深度为21.91-6.12=15.79m满足规范要求。4.2工况二坑内开挖至-6.72m标高，计算作用在钢板桩上水土压力强度为0点，该点距离河床顶面高程为Y，采用等值梁法计算嵌固深度.计算得：将钢板桩作为梁计算，内支撑作为模型的支点，建立midas模型。工况二模型图工况二内撑反力图工况二弯矩图工况二钢板桩计算结果表Mmax(kN*m)R1(kN/m)R2(kN/m)Rf(kN/m)130.121.7290.9103.248.15表中钢板桩强度满足要求。要求嵌固深度实际嵌固深度为21.91-6.72=15.19m嵌固深度满足规范要求。4.3工况三坑内开挖至-9.089m标高，计算作用在钢板桩上土压力强度为0点，该点距离开挖河床顶面高程为Y，采用等值梁法计算嵌固深度.计算得：将钢板桩作为梁计算，内支撑作为模型的支点，建立midas模型。工况三模型图工况三内支撑反力图工况三钢板桩弯矩图工况三钢板桩计算结果表Mmax(kN*m)R1(kN/m)R2(kN/m)R3(kN/m)Rf(kN/m)332.1942.446538.9133.6123表中钢板桩强度满足要求。嵌固深度实际嵌固深度21.91-9.089=12.821m嵌固深度满足规范要求。4.4工况四坑内开挖至-15.989m标高，同一高程两边水荷载强度抵消，不考虑粘聚力，计算钢板桩强度。（1）钢板桩强度将钢板桩作为梁计算，内支撑作为模型的支点，建立midas模型。工况四钢板桩模型图工况四支撑反力图工况四钢板桩弯矩图工况四钢板桩计算结果表Mmax(kN*m)R1(kN/m)R2(kN/m)R3(kN/m)R4(kN/m)Rf(kN/m)436.7-2.340.3-252.3435.8137.0161.74表中钢板桩强度满足要求。（2）嵌固深度计算1)嵌固深度构造要求：依据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012,嵌固深度对于多支点支护结构ld不宜小于0.2h。嵌固深度构造长度ld：3.516m。2)嵌固深度满足整体滑动稳定性要求：按《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012圆弧滑动简单条分法计算嵌固深度：圆心(-3.959，12.238)，半径=13.464m，对应的安全系数Ks=1.459≥1.300嵌固深度计算值ld=0.500m。3)嵌固深度满足坑底抗隆起要求：符合坑底抗隆起的嵌固深度ld=0.000m4)嵌固深度满足以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性要求：符合以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定的嵌固深度ld=7.900m。实际嵌固深度21.91-15.989=5.921m嵌固深度不满足规范要求，建议将嵌固深度加长至8m以上。4.5工况五基坑封底后，封底混凝土顶标高-12.989m，不考虑封底混凝土以下钢板桩受力，抽干基坑内的水，该工况下计算钢板桩围堰的强度，使用midas建立模型。主动土压力方向：水作用10*（12.989+1.59）=145.79kPa土作用5.51*6.869-23.08=14.77kPa工况五钢板桩模型图工况五内支撑反力图工况五钢板桩弯矩图工况五钢板桩计算结果表Mmax(kN*m)R1(kN/m)R2(kN/m)R3(kN/m)R4(kN/m)Rf(kN/m)224.542.4214.751.7523.5260.283.13表中钢板桩强度满足规范要求。4.6基坑抗隆起稳定性验算（1）选取工况三进行计算根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012），按照安全等级为二级的基坑工程计算，安全系数取1.6。基坑深度嵌固深度基坑坑底抗隆起稳定性满足规范要求。（2）选取工况四进行计算基坑深度嵌固深度基坑抗隆起稳定性满足规范要求。4.7抗管涌稳定性选取水位差最大的工况三进行计算，按照安全等级为二级的基坑工程计算，安全系数取2.5。平均水力坡度：极限水力坡度：安全系数：5.内支撑受力计算5.1内支撑受力最大值通过对五个工况内支撑受力比较，内支撑二、三、四在工况二以后结构形式一样，因此选取最大R3=538.9kN计算即可，在工况一中第二道内支撑未加对撑，该工况下按照R2=217.6kN计算，第一道内支撑按照R1=32.4kN计算。内支撑受力最大值统计表内支撑标号R1R2（未加对撑）R2R3R4最大值（kN/m）32.4217.6290.9538.9523.55.2第一道内支撑结构受力计算第一道内支撑模型图第一道内支撑弯曲应力图围囹最大应力出现在转角处，强度满足规范要求。第一道内支撑斜撑轴力图第一道内支撑弯矩图（单位N*mm）长斜撑：轴力，弯矩短斜撑：轴力，弯矩5.3第二道内支撑（未加对撑）结构受力计算第二道内支撑（未加对撑）模型图第二道内支撑（未加对撑）围囹应力图围囹最大应力出现在转角处，围囹强度不满足规范要求。第二道内支撑（未加对撑）轴力图第二道内支撑（未加对撑）弯矩图长斜撑：轴力，弯矩短斜撑：轴力，弯矩5.4第二道内支撑（加对撑）结构受力计算第二（加对撑）道内支撑模型图第二（加对撑）道内支撑应力图围囹最大应力出现在对撑附近，围囹应力满足规范要求。第二（加对撑）道内撑轴力图第二（加对撑）道内撑弯矩图对撑：轴力，弯矩短斜撑：轴力，弯矩长斜撑：轴力，弯矩5.5三、四道内支撑结构受力计算图6.13第三、四道内支撑模型图图6.14第三、四道内支撑应力图围囹最大应力出现在对撑附近，围囹应力不满足规范要求。第三、四道内撑轴力图第三、四道内撑弯矩图对撑：轴力，弯矩短斜撑：轴力，弯矩长斜撑：轴力，弯矩5.6钢管稳定性计算（1）对撑稳定性计算钢管规格为φ660×16mm，钢管最大自由长度为：对撑最大荷载：轴力，弯矩钢管截面积：根据《钢结构设计规范》，稳定系数φ＝0.867，等效弯矩系数取，压弯稳定计算：对撑稳定性满足规范要求。（2）短斜撑稳定性计算1)最大荷载计算短斜撑钢管规格为φ600×12mm，钢管最大自由长度为：，最大荷载出现在三、四道内撑。短斜撑最大荷载：轴力，弯矩钢管截面积根据《钢结构设计规范》，稳定系数φ＝0.995，等效弯矩系数取，压弯稳定计算：第三、四道内支撑短斜撑稳定性不满足规范要求。第二道内支撑（加对撑）短斜撑计算短斜撑荷载：轴力，弯矩第二道内支撑（加对撑）短斜撑稳定性满足规范要求。（3）长斜撑计算1）第一道内支撑的长斜撑计算钢管规格为φ600×12mm，长斜撑，钢管最大自由长度为：长斜撑最大荷载：轴力，弯矩根据《钢结构设计规范》，稳定系数φ＝0.968，等效弯矩系数取，压弯稳定计算：第一道内撑的长斜撑满足规范要求。第三、四道内支撑的长斜撑稳定性计算钢管规格为φ660×16mm，钢管最大自由长度为：长斜撑最大荷载：轴力，弯矩根据《钢结构设计规范》，稳定系数φ＝0.929，等效弯矩系数取，压弯稳定计算：第三、四道内撑的长斜撑满足规范要求。第二道内支撑（加对撑）长斜撑的轴力和弯矩小于三、四道内支撑，因此，第二道内支撑满足规范要求。7.混凝土抗浮稳定性计算钢护筒与混凝土之间的粘结力按120kPa考虑，封底混凝土采用C30，厚度为3m，承台下共有11根桩，桩径2m，混凝土重度。（1）封底混凝土强度两个钢护筒最大净距6.9m，取1m宽度按照两端简支进行计算，受力简图见7.1。图7.1封底混凝土受力简图封底混凝土所受压强：（2）封底混凝土抗浮稳定性总浮力：混凝土重量：钢板桩及内撑的重量：5466.52kN。钢护筒存在与封底混凝土及桩的作用力，钢护筒与混凝土接触的最小长