桥墩钢板桩围堰设计方案

1、鸭绿江大桥24#桥墩钢 板 桩 围 堰 设 计 方 案鞍山紫竹桩基础工程有限公司二00二年一月十八日24#桥墩钢板桩围堰计算书一、 工程概况24号桥墩位于K11+187.00鸭绿江特大桥K11+820.00处，在朝鲜侧，承台长31.482m，宽10.8m，高度为4m，封底混凝土厚度1.5m，封底底标高为-4.2m；水文地质条件是：鸭绿江涨潮最高水位为+4.28m，水流速为2.86m/s，河床平均标高+2.2m，自上而下分别为粉质粘土、细沙、卵石；根据实际工程情况，本工程拟采用深基坑开挖拉森钢板桩围堰支护方式进行施工。二、 拉森钢板桩围堰设计1、 钢板桩选型：根据工程实际条件围堰选用热轧拉森型钢

2、板桩，长度为15m。 图一 钢板桩结构形式钢板桩结构参数：TypeWidth 宽度WHeight高度HMass(single pile)质量（单根桩）质量（每平米）SteelGrade材质Moment of Inertia惯性矩Section Modulus截面模量mmmmkg/mkg/m2cm4/mcm3/mTYPE-IV40017076.1190.25Q345R386002270钢板桩力学性能：b =510MPa s=345MPa =215MPa2、 围堰外形设计：根据承台设计尺寸，考虑到施工需要，主要是围堰打设方便、承台模板安装作业空间以及施工期间围堰内抽水、集水井设置等因素，并且使围堰

3、边长满足所选钢板桩模数的整数倍，最后确定围堰为矩形单壁钢板桩围堰，围堰平面几何中心尺寸为：34.74m13.94m，围堰内净尺寸为34.4m13.6m，钢板桩数量为2（85+33）=236（支），角桩4支，“人”字形分水岭钢板桩挡墙40支，钢板桩重量为：0.076115（236+6+40）=322（吨）。3、 围堰标高设计：根据施工季节鸭绿江潮汐情况和河流的历史最高水位，考虑浪头影响，钢板桩围堰上标高设定为+6.0m，钢板桩下标高-9.0m，承台下标高为-4.2m，则围堰内基坑深度为10.2m，钢板桩入土深度4.8m。钢板桩打拔施工利用钢平台做为施工通道。4、 钢板桩围堰支撑设计：承台上标高及

4、钢板桩实际受力情况分析，钢板桩围堰设三道围檩和内支撑，第一道支撑位于钢板桩上标高以下3.3m处，第二道支撑在第一道支撑以下2.8m处，第三道支撑在第二道支撑以下1.5m处，第三道支撑距离坑底1.6m，由于第二、第三道支撑影响承台施工，而混凝土封底达到强度后相当于在基坑底部的内支撑，当封底混凝土浇筑强度达到70%后即可拆除第三道支撑，承台混凝土需要分两次浇筑，第一次浇筑1.3m高，达到强度后加内支撑，拆除第二道支撑，实际上是对第二道支撑的置换；围檩均采用2I50a工字钢钢双拼焊接而成，沿围堰四周布置，围檩安装在与钢板桩焊接的牛腿上，牛腿间距1.6m，牛腿采用100100等边角钢制作，围檩与外层钢

5、板桩之间采用型钢顶紧焊接，50a工字钢Ix=46472cm4 Wx=1859cm3 A=119cm2 q=93.6Kg/m =170MPa 用量54吨；围堰内支撑均采用40014钢管，间距5m，每层6根，内支撑均用40014制作角部斜撑，钢管用量38.5吨。如图二所示。图二 钢板桩围堰平面图三、钢板桩受力计算1、围堰基本形式：如图三所示，河流水位按历史最高水位+5m计算，河水流速为2.86m/s，根据地勘钻孔编号为BZK53地质报告显示，24号桥墩处河床实际标高按+2.67米计算，水深为2.33m，围堰内最大开挖至-4.2m，抽水后基坑开挖深度：2.67+4.2=6.87m，钢板桩下标高-9m

6、,钢板桩入土深度4.8m。2、 地质条件：K11+820.0右14.20m处河床以下土层情况为：粉质粘土：层顶标高+2.67m，层底+0.38m，层厚2.29m，容重1=18.5kN/m3，粘聚力c1=13.3KPa，内摩擦角1=7.1o。细沙：层顶标高+0.38m，层底-5.72m，层厚6.10m，容重2=19.1kN/m3，粘聚力c2=0，内摩擦角2=30o。卵石1：层顶标高-5.72m，层底-12.52m，层厚6.8m，容重3=20.6kN/m3，粘聚力c3=0，内摩擦角3=40o。土质大部分为沙土，透水性较强，水容重水=10KN/m3，为保证钢板桩围堰的整体安全性，计算时按水土分算法计

7、算，不考虑粘聚力C。3、 钢板桩受力计算为保证钢板桩围堰的安全，采用在围堰最不利状态进行计算，最高水位+5m,流速最大2.86m/s，以钢板桩围堰迎水面为对象，围堰开挖后混凝土封底不参加计算，计算以水平1延米为单位 图三 钢板桩示意图1）、流水压力：F/动 =10KA水 v2/2g=101.313.942.33102.862（29.81）=1760（KN）单位水平延米压力值为：P动=10 K水v2/g=108.4（KN/m）F动=176013.94=126.3（KN）设定河床表面水流速为0，则F动作用在河水表面以下1/3处，即0.78m处。由计算可以看出：河水流速对钢板桩围堰每延米的压力为12

8、6.3KN，对钢板桩围堰的整体稳定性产生极其不利的影响，因此，需要采用在围堰上游打设“人”字形分水岭钢板桩挡墙，挡墙与水流方向成300夹角，以减小围堰处水的流速，此时分水挡墙处水的流速为2.86sin300=1.43 m/s，围堰钢板桩处水的流速按0.5 m/s考虑，则此时：P动=10 K水v2/g=3.3（KN/m）F动=3.85（KN）2）、水压力计算 ： P水=水h水3）、主动土、被动土压力计算：主动土压力系数：Ka1=tg2（450-7.10/2）= 0.78 Ka2=tg2（450-300/2）= 0.33 Ka3=tg2（450-400/2）=0.22 被动土压力系数：Kp1=tg

9、2（450+7.10/2）= 1.28Kp2=tg2（450+300/2）= 3 Kp3=tg2（450+400/2）= 4.6P主i= P主i-1 +Kai（i-水）hi+ P水iF主i =12 (P主i-1+ P主i) hi P被i= P被i-1 +Kpi（i-水）hi+ P水iF被i =12 (P被i-1+ P被i) hi 4）、钢板桩受力分布图：图四 钢板桩受力分布图四、 钢板桩围堰计算：1、内支撑层数及上下间距计算：采取等弯矩布置，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，以充分发挥钢板桩的抗弯性能，并使钢板桩材料用量最省。本工程围堰选用热轧拉森型钢板桩，查表得：截面系数W

10、=2270 cm3 ；允许抗拉强度 =215MPa。则：钢板桩最大允许弯矩M=W=488KNm主动土容重加权平均值为=（102.33+18.52.29+19.16.1+20.63.28）（2.33+2.29+6.1+3.28）=17.84 kN/m3主动土内摩擦角加权平均值为=（002.33+7.102.29+3006.1+4003.28）（2.33+2.29+6.1+3.28）=23.60则：Ka= tg2（450-23.60/2）=0.4282 由Mmax = W=(-水)Ka+水 h3/6 计算得： h=2.80m h1=1.11* h=3.11m h2=0.88* h=2.46m h3

11、=0.77* h=2.16m由基坑开挖深度H=9.2m可知，为增加钢板桩支护稳定性，防止钢板桩的倾覆，同时考虑流动水压力的影响，保证结构安全，所以设计采用三道内支撑，h0=3.3m h1=2.8 m h2=1.5m h3=1.6m2、 钢板桩围堰施工各工况计算施工步骤：施工准备打钢板桩 工况一：开挖至+1.2m 工况二：第一道内支撑 工况三：开挖至-1.6m 工况四：第二道内支撑 工况五：开挖至-3.1m 工况六：第三道内支撑 工况七：开挖至-4.2m 工况八： 混凝土封底施工 工况九：封底混凝土强度达70%后拆第三道内支撑 工况十：承台下部施工 工况十一：承台下部达到强度后，第三道内支撑再次

12、支护位于-1.5m处，拆下第二道内支撑 桥墩施工完毕基坑回填夯实拆除内支撑然后拔桩利用理正深基坑支护结构设计软件计算：工况一：工况二：工况三：工况四：工况五：工况六：工况七：工况九：混凝土封底达到强度后，封底混凝土相当于对基坑底部增加一道内支撑，此时基坑深度为7.7m,钢板桩受力情况比工况七要有利，所以该工况不做计算。工况十一：相当于在工况九的条件下将第一道内支撑与第二道内支撑的间距加大到3.2m由计算结果可知： Q1=226.20KN Q2=100.67 Q3=88.77KN Mmax=414.65KNmM=488KNm3、 抗管涌计算：抗管涌稳定安全系数(K = 1.5): K0wh/（h

13、+2D）=式中：0侧壁重要性系数;土的有效重度(kN/m3);w地下水重度(kN/m3);h地下水位至基坑底的距离(m);D桩(墙)入土深度(m);K = 1.75 1.5, 满足规范要求。4、 抗隆起计算：Ks = 25.132 1.5, 满足规范要求。5、 整体稳定性计算：滑裂面数据圆弧半径(m) R = 10.500圆心坐标X(m) X = -2.361圆心坐标Y(m) Y = 5.330整体稳定安全系数 Ks = 2.5091.5满足规范要求6、围檩受力计算：由上述计算可知钢板桩围堰第一道内支撑受力最大，所以以第一道内支撑为对象进行计算：围檩均采用2I50a的工字钢钢双拼焊接而成，查表

14、可知：Ix=46472cm4 Wx=1859cm3 A=119cm2 q=93.6Kg/m =170MPa 由Q1=226.20KN 内支撑间距L=5m得围檩最大弯矩为： Mmax=0.07 Q1L2=395.85KNm安全系数K=1.2时 =Mmax/(2 Wx)=106.5MPa/K =141.67MPa内支撑受力R1= Q1L=1131K压弯应力为：=Mmax/(2 Wx)+ R1/（2A）=111.2MPa/K =141.67MPa7、内支撑受力计算：内支撑选用40014钢管，查表：D=400mm t=14mm i=13.65cm A=169.7717cm2Ix=31644.7cm4

15、Wx=1582.2cm3 L=12.6m长细比=L/i=92.3查表稳定系数=0.669钢管自重弯矩Mmax=26.5 KNm则：= R1/（A）+Mmax/ Wx =116.33 MPa/K =141.67MPa8、围堰整体抗浮验算封底砼采用C25，施工厚度为1.5m，施工考虑砼底存在“夹泥”及顶面浮浆的因素，计算厚度取1.3m，围堰尺寸：34.4m13.6m；C25混凝土设计值ftd=1.27MPa，考虑为施工阶段混凝土的允许弯拉应力取1.5倍安全系数，则=0.85(MPa)，桩基外径为2.8m，共10根；钢与混凝土粘结力：一般取100-200kN/m2，这里取120 kN/m2；混凝土容

16、重：23kN/m3；封底混凝土体积： V=1.3（34.413.6-3.141.4210）=528.2m3封底混凝土自重：G=23528.2=12148.6KN 桩基粘结力：T1=1.33.142.812010=13715.5KN钢板桩与封底混凝土的粘结力：为便于施工后钢板桩拔出，在封底砼浇筑前钢板桩内侧铺设塑料薄膜，所以钢板桩与封底混凝土的粘结力按0.5系数计算：T2=1.334.413.61200.5=36491.5KN封底混凝土底面受水浮力：P=（34.413.6-3.141.4210）109.2=37379.2KN根据地铁设计规范中规定抗浮安全系数不小于1.05，此处抗浮系数K=（G+T