某黄河特大桥水中承台钢板桩围堰方案(计算书)secret

1、水中承台钢板桩围堰方案一、工程概况XXX铁路东自太原枢纽的榆次站引出，经陕西的太原、晋中、吕梁，跨黄河入陕西省榆林市，西进入宁夏自治区吴忠市，在包兰铁路黄羊湾站接轨至中卫；同时修建定边XXXXXX黄河桥中心里程LDK672+962.76，孔跨布置为（2-32m）+（4-24m）+（38-32m）单线简支T梁+（18-48m）单线简支箱梁+（13-96m）简支钢桁结合梁+（5-48m）单线简支箱梁+（4-32m）单线简支T梁，桥长3942.08m。桥址位于银川平原中部，横跨黄河，河面宽约800米，最大水深5.7米,流速2.0米/秒,设计水位1111.68米, 最高通航水位1111.55米, 测时

2、水位1110.09米；63#墩-70#墩处在河中，其中63#墩、67#墩-70#墩处在河中，64#墩-66#墩处在河中的冲积漫滩上，地层多为巨厚的粉、细砂层；承台尺寸均为14.6*14.6*6.5米, 底标高均为1099.06米, 每个承台下设16根1.5米钻孔桩,基础混凝土均为C30,桥址地质柱状图如下：二、钢板桩围堰方案综述综合考虑河中水文特点及地质情况，从节约成本出发，承台基坑施工拟采用钢板桩围堰方案。承台平面尺寸为14.6m14.6m，钢围堰平面尺寸设计为16.8m16.8m。方案一：采用2根15米宽0.4m的ISP-钢板桩接长至30m，围堰完成一般冲刷及局部冲刷后，钢板桩埋入砂层6米

3、，未满足钢板桩固结所需求的入土深度，围堰外侧设30根80010mm、30m长钢管桩用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。方案二：主要考虑钢板桩较长无法全部打入砂层中时，采用2根12米钢板桩接长至24m，围堰完成一般冲刷及局部冲刷后，河床面至钢板桩围堰底，采用抛填袋装碎石埋没钢板桩围堰，抛填高度为6米，围堰外侧设30根80010mm、30m长钢管桩用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。承台底至水面钢板桩长水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合实际，共设五层支撑围囹，顶层采用2I40a槽钢制成，其余每层围囹采用2I45c工字钢制成，每层围囹间隔2.5m。每层围囹内侧采用8根60010m

4、m钢管斜支撑，钢管长分别为9.5m，4.75m。钢围堰及外侧支撑钢管平面布置图如下：内支撑围囹平面图如下：三、方案一情况下钢板桩围堰计算1、钢板桩冲刷计算1.1、一般冲刷计算按公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002）64-2简化式计算：hp=1.04(AdBcQ20.90)()0.66hcm Qc(1-)BcgQcQp Qc+Qt1Q2=Ad=式中： 0.15 zhp桥下一般冲刷后的最大水深(m)；的设计流量（m3/s）； Qp频率为P%，当河槽能扩宽至全桥时取用Qp； Q2桥下河槽部分通过的设计流量（m3/s）； Qc天然状态下河槽部分设计流量（m3/s）； Qt1天然状态下桥下

5、河滩部分设计流量（m3/s）Bcg桥长范围内的河槽宽度(m)，当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度； Bz造床流量下的河槽宽度(m)，对复式河床可取平摊水位时的河槽宽度； 设计水位下，在Bcg宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值； 桥墩水流侧向压缩系数； hcm河槽最大水深（m）AdAd1.8时，A可采用1.8；Hz带入下表已知数据计算得hp=8.27m1.2、局部冲刷计算按公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002）65-2简化式计算： 当VV0 hb=KKBh0.60.1521pV-V0() V00.15当VV0 hb=KK2Bh0.61pV-V0n2() V0K20.240.

6、0023=+0.37d5 2.2dV0=0.28(d+0.7)0.5V0=0.12(d+0.5)0.55n2=(V00.23+0.19lg) V式中：hbK墩形系数； B1桥墩计算宽度（m）； hp一般冲刷后的最大水深（m）； d河床泥沙平均粒径（mm）K2河床颗粒影响系数； V0河床泥沙起动流速（m/s）； V0墩前泥沙起动流速（m/s）n2指数V一般冲刷后墩前行进流速（m/s）Ad0.1Q20.1Bch V=()0.34(cm)2/3Vc 1.04Qc(1-)Bcghc式中:； Vc河槽平均流速（m/s）。 hc河槽平均水深（m）代入下表已知数据计算得hb=15.02m。2、封底混凝土计算

7、2.1、荷载计算为水头高度减去封底混凝土的重量）作为计算值。采用2m厚C25混凝土封底，取1m宽计算，水面至承台底的高度 h=1111.551099.06=12.49m，混凝土主要受静水压力及自重作用。线荷载q =(h+2)1.02421.0=96.9KN/m2.2、材料力学性能参数及指标E=2.55104MPa122W=0.667m3 6123I=0.667m4 12A=2m22.3、力学模型2.4、承载力计算采用清华大学SM Solver 进行结构分析：Mmax=1166.84kNm fmax=1.24mmft,maxMmax1166.84106=1.75MPaftk=1.78MPa，合格

8、； W0.66710917000，合格。 400fmax=1.24mm3、围堰的抗浮稳定性计算围堰封底后，整个围堰受到被排水的向上浮力作用，应验算其抗浮系数K。K=G/F1式中：G钢板桩重量（含内支撑）+封底混凝土自重+桩基混凝土重量之和+桩基侧摩阻力F=V=1016.816.812.49=kN16根桩) 由G桩F，得GF，即K1，则稳定性满足要求。4、钢板桩计算4.1、钢板桩入土深度计算钢板桩顶口未加围囹及对口支撑时，仅靠入土深度提供的土压力维持钢板桩的稳定。A、 荷载计算a 、土压力计算土压力采用ea=kaH ep=kpH计算。； ka主动土压力系数，ka=tan2(45-)，为砂土的内摩

9、擦角（24）2 kp被动土压力系数，kp=tan2(45+)； 2H土层厚度（m）；土的容重，此处由于土层位于水中，取土的浮容重10.1KN/m3。 则土压力计算分别如下：24)=0.422 主动土压力系数ka=tan(45-22被动土压力系数主动土压力ea=kax=4.2x kN/m2被动土压力ep=kp(8.8+x)=10.12.371(8.8+x)=24(8.8+x) kN/m2 b 、动水压力计算v2动水压力采用P=10KHB计算： 2gK1.8-2.0，此处取2.0；H水深（m），此处为23.29m；v流速(m/s)，此处为2m/s；B阻水宽度（m），此处为1m；水的容重（kN/m3

10、）；g重力加速度（m2/s）。v241m宽范围内的动水压力P=10KHB=10223.29110=932kN 2g210、 入土深度计算取1m宽范围对B点取矩，令MB=0，埋入深度为x米,得P(Hxxh+xh+x+x)+ea1-ep1=0 22323带入荷载解三次方程，经试算得：x=7.9m4.2、钢板桩稳定性计算由于水中冲刷太大，钢板桩不能满足固结条件，如钢板桩再接长，其打设入土困难，并需对钢板桩进行截断处理，其经济上并不可取，对此，在钢板桩围堰外侧设30根80010mm、30m长钢管桩与围堰联成整体，用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。钢板桩围堰处标高图如下：4.2.1.1、荷载计算钢板桩受力

11、图示如下：钢板桩主要受动水压力P，主动土压力Ea1、Ea2，被动土压力Ep1、Ep2，摩擦力f1、钢板桩外设15排30根80010mm钢管桩，钢管桩给予的总拉力为F， 要f2、f3、f4，使钢板桩保持稳定，各力对中心线OO求矩，使得M抗倾覆=kM倾覆，k为安全系数（1.5-2.0），此处取1.8。（1） 动水压力计算v2动水压力采用P=10KHB计算： 2gK1.8-2.0，此处取2.0；H水深（m），此处为23.29m；v流速(m/s)，此处为2m/s；B阻水宽度（m），此处为16.8m；水的容重（10KN/m3）；g重力加速度（10m2/s）。v24动水压力P=10KHB=10223.29

12、16.810=15651KN 2g210（2） 土压力计算土压力按如下公式计算Ea=eaHHB ea=kaH Ep=eB ep=kpH p22式中：ka主动土压力系数，ka=tan2(45-)，为砂土的内摩擦角（24）； 2 kp被动土压力系数，kp=tan2(45+)； 2H土层厚度（m）；B土层宽度（16.8m）；/则土压力计算分别如下：。h124。6.212。24Ea1=tan(45-)h1B=10.1tan(45-)6.2116.8=1381KN 22222。h224。15.012。24Ea2=tan(45-)h2B =10.1tan(45-)15.0116.8=8066KN 2222

13、2。h124。6.212。24Ep1=tan(45+)h1B =10.1tan(45+)6.2116.8=7757KN 22222。h224。15.012。24=tan(45+)h2B =10.1tan(45+)15.0116.8=45320KN 22222。Ep2（3） 摩擦力计算钢板桩侧与土的接触面水平投影长度L=（96.99/1.55）（16.8/0.4）=2628cm=26.28m 则f1=f4=Lh1=26.286.2130=4896KN，f2=f3=Lh2=26.2815.0130=11834KN（h1、h2为土层厚度，为土的极限摩阻力，此处为30kPa。）4.2.1.2、稳定性计

14、算对OO求矩得：M抗=（Ep1-Ea1)h1hB+(Ep2-Ea2)2+(f1+f2+f3+f4)+F(H+h1) 332带入数据得M抗=480656+29.5FM倾=P(H+h1)=(22由M抗倾覆=1.8M倾覆得：F=758kN4.2.1.3、钢板桩外钢管计算钢板桩外设15排30根30m长80010mm钢管桩用于稳定围堰，由于钢管桩在水中受力较大，为保证钢管受力稳定，需采取使每排两根钢管桩形成整体共同受力，具体措施可采用810mm钢箍套在钢管桩上，钢箍横向采用20a工字钢焊接牢固，沉入水底，第二道钢箍上采用2m长7510角钢焊接成竖撑（保证与第一道钢箍间隔2m），沉入水中，依次下去，共设置

15、9道钢箍套于钢管桩上，以保证两根钢管桩形成整体受力。每排钢管桩顶承受的水平力F=F/15=50.6kN。钢板桩的冲刷对钢管桩所处水深产生一定影响，具体影响图示如下：钢管桩入水深度h=23.29-3tan60 =18m（23.29m为钢板桩入水深度，3m为钢板桩与钢管桩的间距。）v2动水压力采用P=10KhD计算： 2gK1.8-2.0，此处取1.8；h水深（m），此处为18m；v流速(m/s)，此处为2m/s；B阻水宽度（m），此处为0.8m；水的容重（10KN/m3）；g重力加速度（10m/s2）。v24总动水压力P=10KhD=101.8180.810=518kN 2g210钢管桩力学性能

16、参数及指标如下：A=99224mm2W=1.0310mm83I=1.0310mm 114力学模型如下：hMmax=P+Fh=5189+50.618=5572.8kNm26Fsmax=P+F=518+50.6=56k8.NMmax5572.8610=54MPa=181MPa max=，合格； 8W1.0310Fsmax568.6310=6MPa=10MPa6 max=A992244.2.1.4、钢管顶支撑计算钢管顶与钢板桩之间采用2根20a槽钢支撑，槽钢受力N=50.6kNN50.6103=9MPa175MPa，合格。 A22880四、方案二情况下钢板桩围堰计算考虑方案一采用30m钢板桩时，无法

17、打入，因此方案二采用打入24m钢板桩，由于局部冲刷深度接近24m钢板桩底，由于水流速度不断变化，地质条件的差异，因此施工过程中需对围堰冲刷情况进行监测，如发现冲刷较大，应及时往水中抛填碎石道喳埋没钢板桩围堰，抛填高度为6米，确保道喳顶面高程为1094.26m,保证钢板桩外侧有6.21m的入土深度。围堰外侧设30根80010mm、30m长钢管桩用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。钢板桩标高图如下：一般冲刷1103.28承台底1099.06抛填碎石1094.26局部冲刷1088.26桩底1088.051、钢板桩稳定计算1.1、荷载计算钢板桩受力图示如下：钢板桩主要受动水压力P，主动土压力Ea1、Ea2

18、，被动土压力Ep1、Ep2，摩擦力f1、f2、f3、f4，钢板桩外设15排30根80010mm钢管桩，钢管桩给予的总拉力为F，（1）、动水压力计算v2动水压力采用P=10KHB计算： 2gK1.8-2.0，此处取2.0；H水深（17.29m）；v流速(2m/s)；B阻水宽度（16.8m）；水的容重（10KN/m3）；g重力加速度（10m2/s）。v24动水压力P=10KHB=10217.2916.810=11619KN 2g210（2）、土压力计算土压力按如下公式计算HB 其中 ea=kaH 2H Ep=epB 其中ep=kpH 2Ea=ea式中：ka主动土压力系数，ka=tan2(45-)，

19、 2 kp被动土压力系数，kp=tan2(45+)； 2H土层厚度（m）；B土层宽度（16.8m）；土的容重，此处由于土层位于水中，取土的浮容重10.1KN/m3。 则土压力计算分别如下：。h124。6.212。24Ea1=tan(45-)h1B=10.1tan(45-)6.2116.8=1381KN 22222。h224。9.012。24Ea2=tan(45-)h2B =10.1tan(45-)9.0116.8=2905KN 22222。h124。6.212。24Ep1=tan(45+)h1B =10.1tan(45+)6.2116.8=7757KN 22222。h224。9.012。24=

20、tan(45+)h2B =10.1tan(45+)9.0116.8=16331KN 22222。Ep2（3）、，摩擦力计算钢板桩侧与土的接触面水平投影长度L=（96.99/1.55）（16.8/0.4）=2628cm=26.28m 则f1=f4=Lh1=26.286.2130=4896KN，f2=f3=Lh2=26.289.0130=7104KN1.2、稳定性计算要使钢板桩保持稳定，各力对中心线OO求矩，使得M抗倾覆=kM倾覆，k为安全系数（1.5-2.0），此处取1.5。对OO求矩得：M抗=（Ep1-Ea1)h1hB+(Ep2-Ea2)2+(f1+f2+f3+f4)+F(H+h1) 332带

21、入数据得M抗=255121+23.5FM倾=P(H1+h1)=11619(17.29+6.21)=172600KNm 22由M抗倾覆=1.5M倾覆得：F=160.8kN2、钢板桩外钢管计算由于此时钢管桩受力小于4.2.1.2中受力，可不必进行检算。 的施工与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合实际，共设五层支撑围囹，每层间隔2.5m，围囹采用2I45c工字钢制成。1、钢板桩计算1.1、荷载计算取单块0.4m宽钢板桩计算，主要受动水压力、静水压力及钢管拉力。动水压力产生的线荷载v24q1=10KHB/H=10212.50.410/12.5=16kN/m 2g210

22、K1.8-2.0，此处取2.0；H水深（12.5m）；v流速(2m/s)；B阻水宽度（0.4m）；水的容重（10KN/m3）；g重力加速度（10m2/s）。静水压力产生的线荷载q2=H0.4=12.5100.4=50kN/m 水的容重（10KN/m3），H水深（12.5m） F=50.6kN1.2ISP-型钢板桩:W=362cm3，I=4670cm4，A=96.99cm21.3、计算模型66kN/m1.4、承载力检算采用清华大学SM Solver 进行结构分析：fmax=1.64 Mmax=38.34kNm Qmax=89.5kNmmmaxMmax38.34106=105.9MPa=181MPa，合格； W362103Qmax89.5103=9.2MPa=106MPa，合格； A9699fmax=1.64mm2500=6.25mm，合格。 4002、钢围囹受力检算2.1、荷载计算最底层围囹（受力最大）所在水深H=12.5-2.5=10m，围囹采用2I45c工字钢制成，承受2.5m高度范围内的钢板桩传递的动水压力及静水压力。每层围囹内侧采用8根60010mm钢管斜支撑，钢管长为9.5m，4.75m。 v2动水压力q1=10KHB/H 2gK1.8-2.0，此处取H水深（10m）；v流速(2m/s)；B