水中墩拉森钢板桩围堰施工支护计算书 完整

水中墩

钢板桩围堰施工支护计算书

1结构设计概况

18#墩承台施工采用钢板桩围堰施工法施工。钢板桩围堰由定位桩、导框（含内导梁、内支撑）及钢板桩组成，钢板桩采用拉森IV型钢板桩，材质为Q345，钢板桩单根长度为18m，单个围堰平面尺寸为8.4m×8.4m，各设置三道内支撑，内支撑结构采用工40型钢，材质为Q235。围堰顶高程为+18.0m，设计施工水位为+16.5m，围堰底高程为+0.0m。考虑到浇筑承台砼重量完全由封底砼与桩基间的摩阻力承担，且围堰施工时基底承受围堰抽水和基底挖深时水压、土压作用会导致基底发生挤高隆起，再加上渗流作用会出现翻砂、涌水或管涌，因此本围堰基底处理设计采用封底混凝土，封底厚度1.5m。18#墩钢板桩围堰立面布置如图1。

图1 18#墩承台钢板桩围堰布置图

2 基本参数

.2.1钢板柱截面特性

拉森Ⅳ型钢板桩，其规格及参数见表1和图2：

表1 钢板桩截面参数特性值表

图2 拉森Ⅳ型钢板桩断面图

2.2地质资料

根据地质勘察报告，18#墩地质资料及土层参数分别如表2所示。

表6.2 20#墩土层参数表

3 计算方法

钢板柱围堰的入土后，围堰上端受到内撑的支撑作用，下端受到封底混凝土与土体的嵌固支撑作用。由于内撑对钢板桩围堰是弹性支撑，并不是完全刚性，在反力计算时钢板桩按连续的简支梁处理，依此模型得到支反力。

钢板桩入土深度计算采用盾恩近似法计算。本检算报告计算时取1m宽单位宽度钢板桩。计算钢板桩支反力时，弯矩为零的位置约束设置为铰接，即钢板桩梁相当于一个简支梁。钢板桩在封底混凝土处及以下全部固结，在MIDAS中限制全部约束。封底混凝土采用ANSYS完成强度计算。本工程土压力计算采用水土分算法，即钢板桩承受水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。

4 施工步骤

（1）钻孔桩施工结束后拆除钻孔平台，在桩基施工平台下部支撑钢管上焊接牛腿，安装第一道内环向支撑作为钢板桩插打导向围檩；

（2）依次插打钢板桩至合拢；

（3）围堰内吸泥至封底混凝土底部高程+6.128，浇筑水下封底混凝土；

（4）封底混凝土达到设计强度要求时，围堰内抽水至+13.2m，在+13.2m处安装第二道内支撑；

（5）围堰内继续抽水至+10.7m，在+10.7m处安装第三

道内支撑；

（6）抽水至封底混凝土顶部，凿除桩头进行承台、墩身施工；

（8）承台模板拆除后，向钢板桩与承台间回填细砂，拆除第三道支撑。向围堰内注水至+10.7m处，拆除第二道内支撑；

（9）继续向围堰内注水至围堰外水位，拆除第一道内支撑；

（10）依次拔出钢板桩。

5 检算依据

《蚌埠市长淮卫淮河大桥设计图》、《蚌埠市长淮卫淮河大桥地勘资料》；

《简明施工计算手册》；

《公路桥涵地基及基础设计规范》；

《钢结构设计规范》（GB500017-2003）；

Midas设计手册。

6 计算结果

6.1 支撑设计

本钢板桩方案设置3道钢围囹支撑，1.5m厚垫层混凝土，入土深度不小于7.70m。

6.2 荷载计算

钢板桩外侧主要承受静水压力、动水压力、土压力，内侧主要承受钢围囹支撑力。

（1）静水压力计算 承台底部水压力：

KPa h P 881=•=γ

（2）水流冲击力计算 钢围堰迎水面宽度：b=8.4m 水中部分钢围堰高度：h=4m 水容重：γw=10KN/m3 水流速度：V=4m/s 重力加速度：g=10m/s2

矩形阻水结构物形状系数：K=1.0

水流冲击力：Fw = K*A*（γw *V2/2g ）=1.0*8.4*4*（10*42/20）=268.8KN

水流冲击力换算成作用在围堰侧壁上的均布压力：P = Fw/(b*h1)=8KN/m2.

（3）土压力计算

钢板桩外侧主要承受主动土压力，内侧主要受围囹内横承和被动土压力。

主动土压力

a

a a K c K h q P 2)(-•+=γ，被动土压力按

p

p p K c K h P 2)(+•=γ。

本检算报告入土深度采用盾恩近似法进行计算，对于不

均质土层可采用加权平均计算得到后完成计算，本处不做过多阐述。

6.3 入土深度计算

经加权平均可得，主动土压力系数637

=

.0

K，被动土压力

a

系数95.1=

K。计算简图如下图示：

p

图3 计算简图

根据盾恩近似法：

K

x

Hx

K

K

K

(2=

-HL

)

-

-

a

p

a

a

可得57.5=x

考虑1m冲刷，并取1.2的安全系数，入土深度为7.7m。

6.4 管涌计算

根据《简明施工计算手册》可知：

b w r r i K ≤⨯⨯

式中：K ——安全系数，取1.7；

w r ——水容重，取3/10m KN ;

b r ——土的浮重，取3/9.8109.18m KN r w =-=； i ——水力梯度，取103.0)2/(=+=x H H i 经计算6.8=K 远大于1.7，满足规范要求。 6.5 基坑底部抗隆起稳定性验算

较深的软土基坑在水压力作用下，坑底软土可能受挤在坑底发生隆起现象，用滑动面法进行验算。

滑动力矩为： 2

2

x H

M w d γ=

稳定力矩为： 2

),(20

π

αθα

π

<

=⎰

+xd S x M u r

其中925.0)tan(==h

b

a α，h 为最底层内支撑相对封砼顶高度，

b 为坑底一半

长度。 u S 为滑动面上不排水抗剪强度，取土层滑动面的平均不排水抗剪强度

u S =30kPa

则安全系数为：7.187.1>==

r

d

s M M K ，满足坑底隆起验算。 6.6封底混凝土设计厚度计算

依据《简明施工计算手册》计算封底砼厚度

D f b M

K h ct

+⋅⋅=

5.3

式中h——封底混凝土厚度；

K——安全系数，按抗拉强度计算的受压受弯杆件为2.65；

M——板最大弯矩；

b——板宽；

f——砼抗拉强度设计值；

ct

D——考虑水下混凝土可能与围堰下泥土掺混的增加厚度，本处取500mm。

经计算m

。

h5.1

6.7封底混凝土强度计算

封底砼底面承受方向向上的水压力，顶部受承台砼荷载，同时承受封底砼自重荷载。建立整体封底砼实体模型如下图2所示，与各桩基连接位置的封底砼设置固结约束，计算时不考虑围堰对封底砼侧面的约束作用（偏安全）。

对作用封底砼上的荷载计算如下：

作用在封底砼底面的水压力：P1=88KPa

作用在封底砼顶面的承台砼荷载：P2=26*3=78KPa

封底砼自重：P3=24*1.5=36KPa

计算结果如下：

图4 封底砼X方向主应力云图图5 封底砼Y方向主应力云图

图6 封底砼Z方向主应力云图图7 封底砼第1主应力云图

图8 封底砼第2主应力云图图9 封底砼第3主应力云图

图10 封底砼Y方向位移云图

综上，封底砼最大拉应力σ拉=0.61MPa＜0.8*[σ拉]=1.144MPa；最大压应力σ压=0.77MPa＜0.8*[σ压]=11.44MPa；封底砼最大变形f=0.58mm。强度、刚度均满足设计规范要求。

6.8 围堰抗上浮计算

钢板桩围堰施工完成后，浇筑1.5m水下封底砼，封底砼达到80%设计强度后，围堰内抽水完成，钢围堰将承受很大的上浮力，上浮力主要靠钢围堰、封底砼自重以及封底砼与桩基的摩阻力共同克服，验算结果如下：

钢围堰内抽完水后的总上浮力：

F浮=V1*γw=[(8.4*8.4)*16.5]*10*10=11143KN

钢围堰总重量：G1=1298.5KN

封底砼自重：G2=V2*γc=(8.4*8.4-4*0.9*0.9)*3.14*1.5*24=7884.5KN

扣除钢围堰和封底砼自重后的上浮力：F上=F浮-G1-G2=1960KN

F上依靠封底砼与桩基的摩阻力抵消，则封底砼与桩基间的摩阻力：

P=F上/A=1960/(4*3.14*1.8*1.5)=58.8KPa＜[P]=150KPa

故，钢围堰内抽水后，抗浮满足要求。

6.9钢板桩模型计算

采用板单元，根据等刚度的原则将以上的钢板桩截面换算为等效的矩形板截面。查得一片0.4米宽的钢板桩截面对重心轴x-x的惯性矩为：I=12629.4cm4，则等效的0.4米宽矩形钢板截面的厚度为：

cm b I b 54.1540/4.1262912/1233=⨯==，则在计算模型中的板厚采用15.54cm 。计算采用midas civil ，其中钢板桩围堰采用板单元模拟，支撑围檩采用梁单元模拟。建立钢板桩整体模型如下图11所示。

图11 钢板桩围堰空间模型

将计算所得的水压力荷载、土压力荷载加入按面荷载形式施加与模型上，结构自重由程序自行计入，得到计算结果如下所示。

（1）钢板桩应力计算结果

图12 钢板桩围堰等效应力云图 图13 钢板桩围堰X 方向主应力云图

图14 钢板桩围堰Y方向主应力云图图15 钢板桩围堰Z方向主应力云图

图16 钢板桩围堰剪应力云图

（2）内部支撑应力计算结果

图17 钢板桩围堰内部支撑最大组合应力云图（3）钢板桩围堰位移计算结果

图18 钢板桩围堰位移云图

经计算钢板桩围堰最大等效应力159MPa，位移8.29mm，围檩结构最大组合应力47.8MPa，位移6.03mm，满足规范要求。

7 计算结果

本检算报告对18#承台钢板桩围堰进行了计算，结论如下：

（1）钢板桩围堰强度、刚度满足规范要求；

（2）围檩结构强度、刚度满足规范要求；

（3）基坑封底混凝土满足规范要求，基坑抗隆起稳定性满足规范要求。