富顺三桥2#墩钢板桩围堰计算-2015.1.14

1、富顺沱江三桥2#墩钢围堰检算报告一、工程概况富顺县沱江三桥是S305线富顺县城过境段改（扩）建工程中跨越沱江的一座独立桥梁，桥梁位于晨光二厂上游约200m，线路全长0.9975km，设计范围：（K8+492.5K9+490）。桥跨结构为120m预制简支箱梁+（73+130+73）悬臂现浇连续箱梁+1820m预制箱梁，桥面全宽26.5米，汽车荷载：公路I级，人群荷载：3.0kN/m2，设计洪水频率：1/100，通航等级：IV-(3)。桥梁总体布置如图1所示：图 1 富顺县沱江三桥总体布置图沱江三桥桥梁2#、3#主墩位于河床中，承台嵌入河床强风化岩层0.6m4m。河床表面只有0.5m左右的卵石覆盖

2、层，河床地质为强风化粉质砂岩。沱江枯水季节流速平缓流速为0.3m/s。3#墩承台水深达到8m，2#墩水深在514米之间。2#墩因承台所处的河床地形陡峭，纵桥向承台边缘的原河床底面标高高差达到8m，钻孔桩平台若采用钢结构平台进行施工，需要进行水下爆破，河床清理平整后才能开始钢结构平台及后续的承台钢套箱施工。此方案施工时间周期较长，投入大型设备较多，施工进出场极为不便；而且办理相关特殊施工许可周期较长，无法保证在洪水来之前完成水下结构物的施工，从而影响整个工期。通过现场勘查，经过综合考虑并结合设计方的方案，确定水中墩的施工方案如下：1）、钻孔桩施工平台都采用筑岛围堰，以减少施工难度及工程造价。2）

3、、2#墩因边坡验算稳定性不够采用钢板桩围堰支护施工。3）、3#墩因填筑的材料透水性较强，直接在筑岛围堰区内明挖深基坑施工安全风险较大，3#墩采用钢板桩支护施工。4）、因承台嵌入岩层为强风化及中风化粉砂质泥岩较硬，尤其是2#墩小里程侧有夹砂岩构造，岩层硬度达到30MPa以上，在进行承台石方开挖时需要进行爆破施工。对2#墩3#墩钢板桩围堰受力进行分析，2#墩钢板桩围堰更不利。下面对2#墩钢板桩围堰进行计算。二、2#墩承台钢板桩围堰施工设计图 2 2#墩承台施工布置图为便于安装承台模板，考虑承台轮廓尺寸按每边大1.5m进行，用C20砼封底，厚度根据水深按1m1.5m考虑，用型钢作围檩及支撑。钢板桩顶

4、标高比筑岛围堰面高1米考虑，底标高比封底混凝土底面低2m以上考虑。设计钢板桩围堰需要计算钢板桩横截面、最小入土深度、支撑结构及间距、钢板桩平面尺寸等，钢板桩受力除土压、水压等外力，还与支撑受力有关。为方便钢板桩通常取1米宽作简化计算，计算时不考虑钢板桩之间的摩擦力。由于基坑底在水面以下较深，为了减小钢板桩的弯矩须设置多层支撑，根据土质、坑深、支撑结构杆件强度、最小入土深度以及施工需要等因素，围堰钢板桩长度为15m。围堰内用型钢HW450*300作为内支撑，以留出墩身施工空间，桁架四周设作为导环。钢板桩采用SP-U400*170型拉森IV型钢板桩，钢板桩围堰内围檩采用H型钢双拼HW450*300

5、，纵向、横向采用600*8mm的钢管作为支撑，具体见图。钢板桩围堰结构形式如下图所示：图 3 2#墩钢板桩围堰施工总布置图三、计算依据钢结构设计规范(GB50017-2003)简明深基坑工程设计施工手册建筑桩基础规范(JGJ94-2008)简明施工计算手册公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)富顺县沱江三桥施工图设计富顺县沱江三桥地质勘测报告27四、富顺县沱江三桥2#墩钢板桩围堰检算4.1 基本参数1）钢板柱截面特性表 1 钢板桩截面参数特性值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BHtAIXZ

6、Xmmmmmmcm2/mcm4/mcm3/mSP-U40017040017015.5242.53860022702）地质资料根据地质勘察报告，2#墩地质资料及土层参数分别如表2。表 2 2#墩土层参数表土层名称层顶标高层底标高容重（kN/m3）内摩擦角（）粘聚力（kPa）风化页岩土夹粘土262.00253.0019.415254.2计算方法通过有限元软件Midas建立钢板桩围堰整体模型，分析工况根据施工步骤确定，每次加内支撑前都是最危险工况，根据土的深度施加土压力和水压力，钢板 桩插入土中后，相当于嵌固在土中，嵌固深度取钢板桩法向抗弯高度的1.5倍，钢板桩与圈梁通过在牛腿处焊接，相当于固接。由

7、此计算出钢板桩和圈梁的最大应力以及弯矩和位移等，判断是否满足要求。钢板桩主动土压力和被动土压力修系数如表3所示。本文计算作出如下假设：1.假设计算时取1m宽单位宽度钢板桩；2.因土处于饱和水状态，为简化计算且偏安全考虑，不考虑土的粘聚力（c=0）；3.弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支梁，方便计算；4.假设钢板桩在封底砼面以下0.5m处固结，在MIDAS中限制全部约束；5.本工程土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。表 3 2#桥墩主、被动土压力系数及被动土压力修正系数土层名称KaKp风化页岩土夹粘土0.5890.

8、7671.6981.3034.3 施工步骤(1)通过静压植桩机配重，将钢板桩压入土中； (2)挖除围堰内的土石方至第一道围堰下0.5m，安装钢板桩围堰顶层即第一道内支撑梁；(3)继续挖除承台土石方至第二道围堰下0.5m，安装钢板桩围堰第二道内支撑梁； (4)继续挖除承台土石方至第三道围堰下0.5m，安装第三道内支撑梁；(5)在围堰内开挖至承台底，浇素混凝土垫层； (6)凿除桩头，并拆除第三道支撑，安装承台钢筋，立模板，灌注承台混凝土； (7) 拆除承台模板，回填基坑土方,拆除第二道内支撑，进行墩身施工；(8) 墩身出水面后，拆除第一道内支撑，拔除钢板桩，清除河道中施工废物。 4.4 计算结果按

9、照最不利受力将计算分为下列四种工况：工况一：开挖至第一层围囹位置下0.5m，还未安装第二层围囹时，如图；工况二：开挖至第二层围囹位置下0.5m，还未安装第二层围囹时，如图；工况三：开挖至第三层围囹位置下0.5m，还未安装第三层围囹时，如图；工况四：三道围囹都已经安装上，开挖值封底混凝土底面时，如图；4.4.1 钢板桩初步验算工况一计算简图工况二计算简图工况三计算简图工况四计算简图工况1：开挖至第一层围囹位置下0.5m，还未安装第一层围囹时。此时，开挖面在钢板桩顶下2.5m处。取1.5倍钢板桩开口长度处为固定端，即钢板桩计算长度为2.5+1.50.388=3.08m计算主动土压力每延米为：，每根

10、钢板桩受到的主动土压力为：11.510.388=4.46kN/m计算水压力每延米为：，每根钢板桩受到的主动土压力为：6.80.388=2.72 kN/m (2) 计算模型图 4 钢板桩工况一有限元模型图 5 钢板桩工况一荷载施加模型图图 6 钢板桩工况一弯矩图图 7 钢板桩工况一组合最大应力图由上图可知，钢板柱最大的弯矩为2.16，最大应力3.76Mpa，满足要求。工况2：开挖至第二层围囹位置下0.5m，还未安装第二层围囹时。此时，开挖面在钢板桩顶下6.5m处。取1.5倍钢板桩开口长度处为固定端，即钢板桩计算长度为6.5+1.50.388=7.08m计算主动土压力每延米为：，每根钢板桩受到的主

11、动土压力为：33.650.388=13.46 kN/m计算水压力每延米为：，每根钢板桩受到的主动土压力为：46.80.388=18.72 kN/m (2) 计算结果图 8 钢板桩工况二有限元模型图 9 钢板桩工况二荷载施加模型图图 10 钢板桩工况二弯矩图图 11 钢板桩工况二组合最大应力图图 12 钢板桩工况二组合变形图图 13 工况三围囹弯矩图图 14 工况三围囹轴力图图 15 工况二围囹应力图图 16 工况二围囹变形图图 17 工况二钢板桩弯矩图图 18 工况二钢板桩应力图图 19 工况二钢板桩变形图由上图可知，钢板桩最大的弯矩为39.48，最大的应力为75.64MPa，最大位移2.95

12、mm。围囹最大的弯矩为176.23，最大的轴力为270.48kN，最大的应力为37.81MPa，最大位移2.66mm。满足要求。工况3：开挖至第三层围囹位置下0.5m，还未安装第三层围囹时。此时，开挖面在钢板桩顶下9.32m处。取1.5倍钢板桩开口长度处为固定端，即钢板桩计算长度为9.32+1.50.388=9.9m计算主动土压力每延米为：，每根钢板桩受到的主动土压力为：49.260.388=19.70 kN/m计算水压力每延米为：，每根钢板桩受到的主动土压力为：750.388=30 kN/m (2) 计算结果图 20 钢板桩工况三有限元模型图 21 钢板桩工况三荷载施加模型图图 22 钢板桩

13、工况三弯矩图图 23 钢板桩工况三组合最大应力图图 24 钢板桩工况三组合变形图图 25 工况三围囹弯矩图图 26 工况三围囹轴力图图 27 工况三围囹应力图图 28 工况三围囹变形图图 29 工况三钢板桩弯矩图图 30 工况三钢板桩应力图图 31 工况三钢板桩位移图由上图可知，钢板桩最大的弯矩为86.2，最大的应力为151.02MPa，最大位移7.48mm。其中第二道围囹最大的弯矩为827.84，最大的轴力为1268.5kN，最大的应力为177.45MPa，最大位移6.67mm。工况4：三道围囹都已经安装上，开挖值封底混凝土底面。此时，开挖面在钢板桩顶下10.32m处。已经开挖到基岩面，即去

14、开挖高度处为固定端。计算主动土压力每延米为：，每根钢板桩受到的主动土压力为：54.790.388=21.92 kN/m计算水压力每延米为：，每根钢板桩受到的主动土压力为：850.388=34 kN/m (2) 计算结果图 32 钢板桩工况四有限元模型图 33 钢板桩工况四荷载施加模型图图 34 钢板桩工况四弯矩图图 35 钢板桩工况四组合最大应力图图 36 钢板桩工况二组合变形图图 37 钢板桩工况四围囹弯矩图图 38 钢板桩工况四围囹轴力图图 39 钢板桩工况四围囹应力图图 40 钢板桩工况四围囹变形图图 41 工况四钢板桩弯矩图图 42 工况四钢板桩应力图图 43 工况四钢板桩应力图由上图

15、可知，钢板桩最大的弯矩为90.86，最大的应力为159.2MPa，最大位移8.52mm。满足要求。围囹最大弯矩为977.0，最大轴力为1479.7kN，最大应力为208.6MPa，位置在第二道围囹牛腿处，最大位移7.72mm。结果汇总：工况钢板桩围囹工况一满足要求满足要求工况二满足要求满足要求工况三满足要求满足要求工况四满足要求满足要求牛腿处的应力较大，最大应力值趋近Q235屈服强度，需要将与牛腿相连的地方进行加强。2.稳定性验算由以上计算结果可知，6008mm钢管最大轴力1479.7kN。 回转半径：=20.8cm长细比：由此查稳定系数表得结论：第二道内撑圈梁和钢管的应力满足要求，钢管的稳定

16、性满足要求。4.4.4 围堰整体抗浮验算封底砼采用C20，施工厚度为1.0m，施工考虑砼底存在“夹泥”及顶面浮浆的因素，计算厚度取0.9m，围堰尺寸：27.2 m15.0m；水下C20混凝土设计值ftd=1.10Mpa，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=0.73 (MPa)，桩基钢护筒外径为2.4m，共12根；钢与混凝土粘结力：一般取100-200kN/m2，这里取150 kN/m2；混凝土容重：22.5kN/m3；封底混凝土体积： 封底混凝土自重：护筒粘结力：钢板桩与封底混凝土的粘结力：封底混凝土底面受水浮力：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

17、系数结论：围堰整体抗浮满足要求。4.4.5 基坑底土抗隆起验算在工况二下围堰内清淤至252.68m时，须验算坑底的承载力，如承载力不足，将导致坑底土的隆起。本工程基底抗隆起计算参照Prandtl（普朗德尔）和Terzaghi（太沙基）的地基承载力公式，并将桩墙底面的平面作为极限承载力的基准面，承载力安全系数的验算公式如下： 式中Nq、Nc -按Prandtl公式时， ；c-土的粘聚力(kPa)； -土的内摩擦角（）；-土的重度(kN/m3)； t-支护结构入土深度(m);h-基坑开挖深度(m); q-地面荷载(kPa)。图 44 基底抗隆起计算模式简图对于工况三进行验算：、c按钢板桩入土深度范围内的加权平均值计算：则:结论：基坑底土满足抗隆起稳定性要求。4.4.6基坑底管涌验算不产生管涌的安全条件为: ,故不会发生基坑底管涌。式中：抗基坑底管涌安全系数；水容重，=10 KN/m3土的浮容重， 水力梯, 最大渗流力（动水压力），水位至坑底的距离，钢板桩的入土深度，4.4.7封底砼厚度计算封底砼取x米厚，基坑内抽水后水头差为，由此引起水的渗流，其最短流程为紧靠板桩的，故在此流程中，水对土粒渗透的力，其方向应是垂直向上。现近似地以此