水中桥梁基础钢板桩计算指南

某大桥钢板桩围堰计算书

一、基本资料

1、工程概况

某大桥9〜12#墩位于水中，13〜15#墩位于岸边。9〜12#墩承台底在枯水位

如下6.7〜7.6%13〜15#墩承台底位于枯水期稳定水位如下3.8〜6.3m,承台拟

采用钢板桩围堰施工。

1.1墩位地质状况

9〜15#墩位地质重要为卵石层、强风化泥岩与砂岩互层层，墩位处地质各层

标高如下表：

墩台号

地层

9101112131415

水深321.22.2

卵石层5.28.737.4611.66109.76.9

强风泥岩与

8.876.41111.241414.918.1

砂岩互层

1.2水文

枯水期水位高程为853m,设计水位为855m,水流流速1〜2m/s,最大流速

3m/so

2、土体参数

饱和容重浮容重内摩擦力小

岩土名称黏聚力C(kpa)

(KN/m3)(KN/m3)(0)

卵石2111.19350

强风化砂岩2217.13040

强风化泥岩222010

3、材料特性

规格截面面积单重惯性距截面抗弯矩

型号宽高厚单根单根每米宽每米宽每米宽

mmmmmmCm2Kg/mKg/mCm'Cm,

Sp-IV(L)40017015.596.9976.1190386002270

4、计算公式

4.1静水压力公式

q=Yh

4.2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JTGD600-2023()

公式计算：

P二kAVv2/2g

Y一水的容重，10KN/m3

v—设计流速，取，直3m/s

A一阻水面积n?

G一重力加速度，取值9.81m/s2

K一桥墩形状系数，钢板桩围堰为矩形K取值1.3

桥墩形状系数

桥墩形状K桥墩形状K

方形桥城1.5尖端形桥墩0.7

矩形桥敬(长边与水流平行)1.3圆端形桥墩0.6

圆形桥墩0.8

4.3土压力

根据朗金士压力公式:

积极土压力:Pa=Kavh-2c(Ka)1/2

1/2

被动土压力:Pp=Pa=Kpyh+2c(Kp)

/z—计算土压力日勺点至地面的距离

7外一基坑外侧土的的重度

K.一积极土压力系数Ka=laM(45。-詈)，e外为基坑外加权平均摩擦角

K〃一被动土压力系数K,=tan2(45°+^),0内为基坑内加权平均摩擦角

c内一基坑内固块黏聚力

22

Ka=tan(45°--^)=tan(45°-y)=0.27,Kp=tai?(45。+孕=3.69

4.4围堰坑底涌砂隆起验算

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2023)条，支撑式支挡构造，其

嵌固深度应满足坑底隆起稳定性规定，抗隆起稳定性可按下列公式计算：

Yn2DNQ+cNc/(Ym】(h+D)+q0)2Khe

及二tg2(45+Q/2)en,a"^

Nc=(NQ-l)/tan^>

Khe一抗隆起安全系数；安全等级按一级考虑，取值1.8

丫叽一基坑外挡墙构件底面以上土的重度

Y成一基坑内挡土构件底面以上土的重度

D一基坑底面至挡土构件底面的土层厚度

H一基坑深度

q一地面以上均布荷载

c一挡土构件地面如下土的黏聚力

(P一挡土构件地面如下土的内摩擦角

二、计算根据及计算措施

1、计算措施

采用容许应力法，钢板桩设计为固定支承和自由支承两种，桩体按照竖向持

续梁法计算。

2、计算根据

(1)《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2023)

(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》(JGJ120-2023)

(4)《路桥施工计算手则》

三、计算选用对象

钢板桩围堰采用黄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9〜15#墩地质柱状图地质状况、河床标高、承台

标高及钢板桩插入度的不一样，以最大开挖深度9#墩承台与卵石层最大厚度12#

墩计算。9#墩承台钢板班插打深度满足坑底隆起规定控制，12#墩承台以钢板班

在吸泥到封底混凝土底工况满足固端支撑最小锚固深度规定控制。

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)

9850845.08836.21845.014

12850.8839.14827.9845.87

四、9#墩计算

1、围堰坑底隆起脸算

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2023)条，支撑式支挡构造，其

嵌固深度应满足坑底隆起稳定性规定，抗隆起稳定性可按下列公式计算：

YH2DNQ+CNC/(Ymi(h+D)+q0)2Khe

NQ=tg2(45+9/2)entan^

Nc=(NQ-l)/tan^

9#墩钢板桩插到强风化泥岩与砂岩互层顶面如下Im,基坑开挖深度按5m计,

钢板桩入土深度1.5m。施工水位855m,基坑采用抽干水施工承台，取水头差10m,

则qo=10X9.81=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//,内摩擦角25°,黏聚力取泥岩黏聚力lOKpa,卵石土浮容重

11.19KN/in%

代入以上各项数据有：

xtnn25

Nq=tg(45+^/2)松38=tg(45+25/2)*e=10.66

Nc=(NQ-l)tan^=(10.66-l)/tan25°=22.86

V„2DNQ+CNC/(Y(h+D)+q0)=(22X1X10.66+10X22.86)/(ll.19X(5+1)

+98.1)=2.8>1.8

经计算钢板桩满足坑底隆起稳定性规定。

施工水位标高855m-X---------j-

第一道阳麻官版.7

常水位标高853nlj------------------1---------------L：-；；---------------T----------------।

0

7

第一.卿岛飘I\।2

^^m।1

河床标高850m0

0

02

01

曦第三脚麻蝌乙___________3

4---一•….—...........4......匕

卵石土底标高845.08秘翎工

V845.014mCM

.»-----------『.，―「•--------------X.・=|-----.3..[-------

钢板桩底标高844mO

三龈化泥岩二、三k三\丁

三与互层媚二p-h-z：Pz-i

•・・・・一・.・

I,-~1

_・・]一••一[・一.・卜■■一

OoC>o

图1钢板独围堰布置图

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。

施工水位标高855n

O

第谟际高强.7a

常水位标高853m水L

o

CM

V7

河床标商85加-

〕

oooOoo-o-0。O)O0)o)o)o-o5o)o-o

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如

日

0洛o-

：oo00Co5*o

cJrJ0mCM

ooo,0c。-o-

卵石土底标高845.08值-(rqdq

烟板桩底标高844m78：

-

-

-

-

7

-

-

-

-

-

-

-

-

图2工况一示意图

工况二：安装第二层内撑后，开挖至第三层内撑如下0.5m。

施工水位标高855m

潞罐标高853nl水

河床标高85恤

ooooOQd

o。0d

or。oo

5wC9d

o石Y

〕

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卵石土底标高845.08maobecoadd1

l一

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一L

钢板桩底标高844n•

1一

・-

二7

・T

二-

・-

二-

图3工况二示意图

工况三：第临时内支撑安装后，开挖至第三层内撑如下3.5m处。

4、钢板桩计算

围堰构造计算分为迎河面、顺水面及河流方向斜交面对围楝的作用力。

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二kAyv72g=1.3X5X1X9.81X372/9.81=29.25KN

4.1.2静水压力

河床处钢板桩外侧静水压力：P外二Yh=9.81欧/招X5【产49.05kpa

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°,根据积极和被动土压力

系数计算公式得:

卵石层中积极和被动土压力系数为:

22

=tan(45°--^)=tan(45°-y)=0.27,Kp=tai?(45。+孕=3.69

强风化砂岩与泥若互层中积极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°--^)=tan2(45°-25°/2)=0.406

2

^,=tan2(45°+^)=tan2(450+25°/2)=2.464

卵石层底部钢板桩积极土压力：

P-KaYh-2c(Ka)%vh=0.27X11.19X5+10X9.81=113.21kpa

强风化砂岩泥岩互层积极与被动土压力按水土合算。

钢板桩积极土压力：

强风化层顶面：Pa=KaYh-2c(Ka)1/2=(5mX21+5mX9.81)X0.406-2X10X

VO.406=49.8kpa

钢板桩底面：Pa=KaYh-2c(Ka)1/2=(5mX21KN/m3+lmX22KN/m3+5mX9.81)

X0.406-2X10kpaX70.406=58.7kpa

钢板桩被动土压力：

,/2

卵石土底面:Pp=Kavh+2c(Ka)+v,hw=5X11.19X3.69+2X0X73.69+5

X9.81=255.51kpa

强风化层顶面：Pp=KaYh+2c(Ka)1/2=5X21X2.464+2X10XJ

2.464=290.Ikpa

1/2

钢板桩底:Pp=Pa=Kpvh+2c(Kp)=(5X21+1X22)X2.464+2X10XV

2.464=344.32kpa

该工况中，由于银板桩入土深度大，对钢板桩约束大，可以认为桩端固定支

撑，当被动土压力与积极土压力相等时，设距离河床下距离为y,

49.05+(113.2-49.05)/5Xy=255.51/5Xy

解得：y=l.28m

4.2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如下0.5m处。钢板

桩外侧积极土压力与工况一相似，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：

P=KaYh-2c(Ka),/2+v,h.=3.69X11.19X2.2-2X0X0.27,/2+9.81X

2.2=112.42kpa

强风化层顶面：Pp=KaYh+2c(Ka)"2=2.464X21X2.2+2X10XV

2.464=145.23kpa

,/2

钢板桩底:Pp=Pa=KpYh+2c(Kp)=(2.2X21+1X22)X2.464+2X10XV

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。工况三钢板桩外侧积极土压力

与工况一相似。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=KaYh+2c(Ka),/2+Y=2.464X22X0+2X10XV2.464=31.39kpa

钢板桩底端：

Pp=Kayh+2c(Ka),/2+Yh=2.464X22X1+2X10XV2.464=85.6kpa

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

⑴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

5.2各工况支点反力图

(2)工况二

图12工况二反力图

(3)工况三

CO

rJ

।

zcdgOCMQO

CQd206d-4.5N

「)工———X__________________________________n.(

in6

coE

6

Oj

b

图13工况三反力图

5.3各工况弯矩图

⑴工况一

图14工况一弯矩图

⑵工况二

-3.6

图15工况二弯矩图

(3)工况三

5.9

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

-118.1

-118.1

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槎下及钢板桩受力记录表

钢板桩最

围模受力(KN/m)钢板桩最大

工况大剪力

第一层第二层第三层弯矩(KN.ni)

第四层临时(KN)

工况一111.9103.6128.8

工况二38277.80195.8256.1

工况三77.9~4.5479.90254.6353.2

5.5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/2270Cm3=353.2X1072270X10：1155.6Mpa<［。］:210

Mpa

22

T=254.6KN/(96.99/0.4)Cm=254.6X107242.5X10=10.51Mpa<［。］=120

Mpa

5.6钢板桩锚固深度验算

根据工矿况一反弯点反力为80.9KN,设工况一弯矩为零点位于反弯点如下

距离为x,根据反弯点反力与被动土压力建立弯距平衡方程:

80.9x=(3.69-0.27)Xll.19XxXx/2Xx/3

解得：x=3.56m

锚固长度位于钢板桩入土深度范围内，工况一假定钢板桩为固端支撑设

计合理。

6、顺水面计算

钢板桩围堰所受积极土压力与被动土压力未变化，只是顺水面无流水

压力作用，根据迎水面积极土压力与被动土压力作受力计算。

6.1各工况荷载

(1)工况一

Q

6

T

4n

V

L

图20工况一受力图

(2)工况二

图21工况二受力图

(3)工况三

图22工况三受力图

6.2各工况反力图

⑴工况一

图23工况一反力图

(2)工况二

图24工况二反力图

(3)工况三

9

Z。

-6一

068T

,SZ

9X

3

8

图25工况三反力图

6.3各工况弯矩

(1)工况一

图25工况一弯矩图

(2)工况二

图26工况二弯矩图

(3)工况三

图27工况三弯矩图

6.3各工况剪力图

(1)工况一

图28工况一剪力图

⑵工况二

图29工况二翦力图

(3)工况三

>54.6

・7.8,G448；-8.3

-226.1

图30工况三剪力图

顺水面侧围堰各工况围榛下及钢板桩受力记录表

钢板班最

围橡受力(KN/ni)钢板桩最大

工况大剪力

弯矩(KN.m)

第一层第二层第三层第四层临时(KN)

工况一84.678.8123.6

工况二12.3274.10195.8256.1

工况三53-9.9480.70254.6353.2

6.4钢板桩应力计算

通过以上五种工况计算，钢板桩顺水面最大弯矩、剪力均不不小于迎水面的

最大弯矩、剪力值，此处不再计算。

7、围堰与河流斜交计算

围堰与河流斜交按45度考虑，根据力日勺分派求出作用在围堰上日勺流水压力。

F=P流・sin45°=29.25・sin45°=20.7KN

钢板桩围堰受日勺积极土压力与被动土压力各工况不变日勺，根据前面计算为数

据作围堰日勺受力计算。

7.1各工况荷载

(1)工况一

.Z

O.

CJ

—

0

.

?

nn，AO

-.

图31工况一受力图

(2)工况二

困32工况二受力图

(3)工况二

图33工况三受力图

7.2各工况反力图

⑴工况一

(3)工况三

I.

z

物

I

9，

in

co

CJ

8

b

图36工况三反力图

7.3各工况弯矩

(1)工况一

图37工况一弯矩图

(2)工况二

图38工况二弯矩图

(3)工况三

图39工况三弯矩图

7.4各工况剪力图

(1)工况一

77.6

88.8

-8.3

图37工况一剪力图

(2)工况二

195.8

163.9

图41工况二剪力图

(3)工况三

图42工况三剪力图

流水面斜交各工况围梯下及钢板桩受力记录表

钢板桩最

围模受力(KN/m)钢板桩最大

工况大剪力

弯矩(KN.m)

第一层第二层第三层第四层临时(KN)

工况一97.188.8106.9

工况二30.5276.70195.8254.3

工况三70.6-6.1480.20254.6353.2

7.5钢板桩应力计算

通过以上五种工况计算，钢板桩顺水面最大弯矩、剪力均不不小于迎水面日勺

最大弯矩、剪力值，此处不再计算。

8、围楝计算

8.1第一层围楝受力计算

(1)顺桥向一侧受为迎水面作用。

图43最大荷载布置图

-7

图44轴力图

228.7

o

o

-228.7

图45剪力图

-193.6

o

o

-193.6

图46弯矩理

图47位移图

(2)流水方向与围堰斜交，围堰顺桥侧与横疥侧各有一面受流水压力作用。

图48最大荷载布置图

图49轴力图

■3E安

»C2

x

二I

>2

1EQ

x

二6

>1

oQ

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7I

f2

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2

d二

k

y2

图50剪力图

图51弯矩图

图52位移图

第一层围楝材料及受力最大值如下表:

截面抗

截面面积长度轴力最大弯矩最大剪位移

杆件名称规格弯矩

(cm2)(m)(KN)(KN.m)力(KN)(mm)

(cm3)

短斜杆(1)630X10194.7784.37566

长斜杆由630X10194.77811.32752.5

横桥横撑4)630X10194.7784.220

顺桥横撑*630X10194.77820.48484.13.9

围模2156b293.1648931208.5391.4285.110.4

1

6630X10钢管截面惯性矩：1=93615.534cm,惯性矩i=V(I/A)=21.923cm0

短斜杆柔度：X=ul/i=lX437/21.923=19.93

长斜杆柔度：X=ul/i=lX1132/21.923=51.64

横桥横撑柔度：x=Ul/i=lX2048/21.923=93.42

查材料日勺折减系数，计算短杆、长杆、横桥横撑折减系数夕分别为：0.981、

0.911、0.687,分别验算各杆件稳定性:

短斜杆容许轴力：

P=9A［。］=0.981X194.778X102X140=2675.1KN>566KN满足稳定性规定。

长斜杆容许轴力：

P=3A［。］=0.911X194.778X1()2x140=2484.2KN>752.5KN满足稳定性规

定。

顺桥横撑容许轴力：

P二°A［。］=0.687X194.778X1()2义140=1873.4KN>484.1KN满足稳定性规

定。

围楝2163b工资钢验算:

弯曲应力：。=M/I+P/A=391.4X107(4893X103)+1208.5X107(293.16

X102)=121.2Mpa<1.25［。］=145X1.25=181.25Mpa(临时性构造时钢材容许应

力提高系数可取1.25咯)满足规范规定。

满足规范规定。

工字钢剪应力：T=Q/hd=285.4X107(2X560X14.5)=17.6Mpa<［T卜85Mpa

满足规定。

8.2第二层围楝

(1)顺桥向一侧受为迎水面作用。

图53最大荷载布置图

MRAS/QS

；EAMDIAGRAM

6

6

M