大桥钢板桩围堰设计及计算书

***大桥8#、9#墩承台钢板桩围堰设计计算书

1、工程概况

***资水大桥是***至***公路工程中横跨资水的一座大桥，桥梁上部结构设计采用（6×30m）先简支后连续T梁+（58+95+95+58m）现浇变截面混凝土连续梁+（5×30m）先简支后连续T梁结构；主桥下部结构采用钢筋混凝土矩形门式桥墩，钻孔灌注桩基础，主墩墩身顺桥向宽为2.6m，横桥向为2个2.4m宽的墩柱，主墩承台厚度为3.5m，平面尺寸为11×9m，基桩采用直径Φ2.0m钻孔灌注桩。桥面宽度：2.5 m（人行道）+0.5m（路缘带）+10.75m(车行道)+0.5m（双黄线）+10.75m（车行道）+0.5m（路缘带）+2.5m（人行道）=28m，分两幅修建，桥梁中心桩号K5+873，桥梁全长为644m。

***资水大桥设计洪水频率1/100，设计水位+179.4m，十年一遇洪水水位+172m，施工常水位+164m，近5年12月至4月最高水位+168m。8#、9#主墩基础位于资水河道内，主墩承台施工采用钢板桩围堰法，围堰考虑能满足在+168m 水位下施工。

2、计算依据

《钢结构设计规范》(GB50017-2014)

《简明深基坑工程设计施工手册》

《简明施工计算手册》

《***资水大桥施工图设计》

《***资水大桥工程地质纵断面》

《***资水大桥钻孔柱状图》

3、***资水大桥8#、9#墩钢板桩围堰检算

3.1围堰结构概况

8#、9#墩单个承台尺寸均为11m（横桥向）×9m（顺桥向）×3.5m（高度），下为4根Φ2.0m钻孔桩，桩基施工采用Φ2.4m钢护筒。承台施工采用钢板桩围堰法，钢板桩采用国产拉森Ⅳ型钢板桩，材质为SY295。

8#墩承台底标高为+161.498，顶标高为+164.998。钢板桩单根长度为9m，围堰平面尺寸为30×12m（考虑围堰四周各有1.5m操作及安装模板空间，双幅桥

作一个围堰），共设置一道内支撑，围堰顶高程为+168.498m，围堰底高程为+159.498m，封底混凝土厚0.5m。

9#墩承台底标高为+158.495，顶标高为+161.995。钢板桩单根长度为12m，围堰平面尺寸为30×12m（考虑围堰四周各有1.5m操作及安装模板空间，双幅桥作一个围堰），共设置四道内支撑，围堰顶高程为+168.495m，围堰底高程为+156.495m，封底混凝土厚0.5m。

由于9#墩承台比8#墩承台埋深深度大，围堰受力较8#墩更不利，本计算取9#墩围堰进行计算；9#墩钢板桩围堰立面布置如图3.1。

图3.1 9#钢板桩围堰立面布置图(顺桥向)

3.2围堰材料参数

钢板桩及内支撑截面参数特性如表3.2、表3.3。

表3.2钢板桩截面参数特性值表

表3.3内支撑截面参数特性值表

3.3地质资料

根据地质勘察报告，8#、9#墩处由上向下分别为卵石、泥质灰岩。

卵石层平均厚度为2.8m，灰黄色，松散，饱和，卵石含量60%左右，最大直径达10cm以上，泥砂质充填，母岩成分为砂岩，分选性差。

泥质灰岩为灰色，灰黑色，中厚层状，中风化，节理裂隙发育，岩芯多呈柱状，局部岩芯破碎，呈碎块状，岩质较硬。

因泥质灰岩节理裂隙发育，岩层较破碎，按卵石层考虑，分析结果偏安全。地质资料相关参数分别如表3.4、表3.5所示。

表3.4 8#墩地质参数表

表3.5 9#墩地质参数表

3.4计算假设

1.计算时取1m宽单位宽度钢板桩。

2.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。

3.假设钢板桩在基坑灰岩面及封底砼面以下0.5m 处固结，在MIDAS 中限制全部约束。

表3.6 9#桥墩主、被动土压力系数及被动土压力修正系数

土层名称 Ka a K Kp p K

被动土修正系数k

卵石 0.238 0.448 4.1917 2.047 1 泥质灰岩

0.238

0.448

4.1917

2.047

1

3.5钢板桩围堰施工方案 3.5.1长螺旋钻机引槽施工

***桥8#、9#墩承台处覆盖层较薄且承台底位于基岩岩面标高以下，钢板桩围堰需打入基岩一定深度。按照常规施工工艺，采用震动锤较难将钢板桩打入基岩中，且不能满足嵌入深度要求。

本工程对***桥8#、9#墩承台钢板桩围堰采取长螺旋钻机引槽施工工艺。首先将钻机作业平台进行加固（保证长螺旋钻机移动和回转），然后采用长螺旋钻机沿钢板桩围堰四周钻孔开槽，再向槽内回填沙袋（沙袋中装满泥砂），最后往槽内打入钢板桩。

图3.7 钢板桩围堰引槽施工示意图

长螺旋钻机钻孔钻头直径D=0.6m ，钻孔深度平均为2.5m （槽底高程+156.495m ），引槽施工如图3.7所示。

定位放线 钻机定位调试 钻进成孔 校正桩位及垂直度 钻机移位 完成引槽施工 控制桩底标高

回填沙袋 打入钢板桩

图3.8钢板桩围堰施工平面示意图

3.5钢板桩围堰结构计算

3.5.1钢板桩围堰施工步骤

(1)对作业平台进行加固，采用长螺旋钻机沿钢板桩围堰四周开槽，槽宽0.6m，槽深约2.5m（槽底高程+156.495m）；

(2)往引槽中回填装满泥砂的沙袋；

(3)拆除四周钻孔平台，在靠近承台侧定位桩上焊接牛腿，安装第一道内支撑作为钢板桩插打导向围檩；

(4)依次插打钢板桩至合拢；

(5)围堰内抽水至+164.00m，在+165.00m处安装第二道内支撑；

(6)第二道内支撑安装后，围堰内抽水至+161.58m，在+162.50m处安装第三道内支撑；

(7)第三道内支撑安装后，抽水并清除卵石至+159.00m，在+160.00m处安装第四道内支撑；

(8)第四道内支撑安装后，抽水、清除卵石并整平基岩至+157.995m；

(9)浇筑混凝土垫层至承台底；

(10)待垫层砼达到强度后，拆除第四道内支撑，凿桩头，施工承台；

(11)待承台砼达到强度后，拆除承台模板，在承台与钢板桩空隙间回填细砂，拆除第三道内支撑；

(12)施工第一节墩身至第二道内支撑；

(13)待墩身砼达到强度后，围堰内注水至第二道内支撑下方（+164.00m ），拆除第二道内支撑；

(14)施工第二节墩身至第一道内支撑；

(15)待墩身砼达到强度后，围堰内注水至第一道内支撑下方（+167.00m ），拆除第一道内支撑；

(16)拔除钢板桩。 3.5.2计算工况

工况一 第一道内支撑安装后，围堰内抽水至+164.00m ； 工况二 第二道内支撑安装后，围堰内抽水至+161.58m ； 工况三 第三道内支撑安装后，抽水并清除卵石至+159.00m ； 工况四 第四道内支撑安装后，清除卵石并整平基岩至+157.995m ； 工况五 垫层砼达到强度后，拆除第四道内支撑；

工况六 承台砼达到强度后，拆除承台模板，在承台与钢板桩空隙间回填细砂，拆除第三道内支撑； 3.5.3钢板桩计算

工况一：第一道内支撑安装后，围堰内抽水至+161.58m ，第一层内支撑受力处于最不利状态。

图3.7 工况一受力简图

（1）计算反弯点位置。

假设反弯点离河床表面的距离为y ，在y 处钢板桩主动土压力强度等于被动土压力强度，即w a p P P P +=：

主动土压力：y K P a a ?=卵γ 被动土压力：y KK P p b 卵γ= 水压力：42.2?=w w P γ

y K y KK a w p ?+?=卵卵42.2γγγ

()

a p a

w K KK K y -+?=

卵卵42.2γγγ 10 2.4211.50.238

0.5911.5(1 4.1917-0.238)

m ?+?=

=??

所以，梁的计算长度取值为1+2.42+0.59=4.01m

2/2.24)58.161(m KN P a = (2) 计算结果

图3.8 工况一模型图

图3.9 工况一反力图

图3.10 工况一弯矩图

由上图可知，钢板柱最大的弯矩为21.1kN.m ，作用于第一道内支撑的反力

为10.9kN 。

工况二 第二道内支撑安装后，围堰内注水至围堰外水位，水下吸泥、清淤至+157.495m 。

图3.11 工况二受力简图

本工况梁的计算长度取值为1+1.5+0.92+4.085+0.5=8.005m 。 作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：

()2157.49511.50.238 4.58512.6/a P KN m =??= 计算结果：

图3.12 工况二模型图

图3.13 工况二反力图

图3.14 工况二弯矩图

由上图可知，工况二钢板柱最大的弯矩为-18.2kN.m ，作用于第一、二道内支撑的反力分别为-2.3KN 、8.1KN 。

工况三 封底砼达到强度后，围堰内抽完水；

图3.15 工况三受力简图

本工况梁的计算长度取值为1+1.5+0.92+3.085+0.5=7.005m 。 作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：

()2157.49511.50.238 3.58510 6.00569.9/a P KN m =??+?= 计算结果：

图3.16 工况三模型图

图3.17 工况三反力图

图3.18 工况三弯矩图

由上图可知，工况三钢板柱最大的弯矩为-90.6kN.m ，作用于第一、二道内支撑的反力分别为-12.2KN 、83.7KN 。

工况四 承台施工后向钢板桩与承台间回填砂土并拆除第二道内支撑。

图3.19 工况四受力简图

本工况梁的计算长度取值为1+2.42+0.5=3.92m 。 作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：

()2161.5810 2.4224.2/a P KN m =?=

()2161.0811.50.2380.510 2.9230.6/a P KN m =??+?= 计算结果：

图3.20 工况四模型图

图3.21 工况四反力图

图3.22 工况四弯矩图

由上图可知，钢板柱最大的弯矩为-21.4kN.m ，作用于第一道内支撑的反力为5.4KN 。

根据上述对钢板桩围堰四种工况计算，钢板桩内力及内支撑支撑反力计算结果汇总如下表：

表3.23 钢板桩内力及内支撑支撑反力

由表3.23可知，钢板桩最大弯矩发生在工况三，M max =90.6kN?m ， σmax =M max W ?=90.62270×103?

=39.9MPa<[σ] 1.5?=295 1.5?=196.7MPa ，满足要求！ 3.5.3 内支撑计算

由表3.23可知，第一道内支撑最大支撑反力为12.2kN ，第二道内支撑最大支撑反力为83.7kN 。由于第一道内支撑反力较小，这里不予计算，取受力较大的第二道内支撑进行验算。

第二道内支撑圈梁采用2I56b ，支撑钢管采用Φ530-10，采用MIDAS CIVIL 建立有限元模型如下图：

图3.24 第二道内支撑模型图

图3.25 第二道内支撑变形图

图3.26 圈梁组合应力图

图3.27 钢管组合应力图

图3.28 钢管轴力图

（1）强度验算

由以上计算结果可知，第二道内撑最大位移为4mm ，圈梁最大组合应力为87.2MPa ＜215MPa ，钢管最大组合应力为88.9MPa ＜215MPa ，发生在四角斜撑钢管处。 （2）稳定性验算

由以上计算结果可知，φ530×10mm 钢管最大轴力917kN 。

221063.1cm A ?= 441052.5cm I ?=

回转半径：)

1063.1()1052.5(24

??=i =18.4cm

长细比：654

.181200===

i L λ 查《钢结构设计规范》（GB50017-2014），稳定系数?=0.862

[]MPa A N

215)

(=<=σ?σ

[][]kN kN A N 9173021862.01063.11021523>=????=??=-?

σ

结论：第二道内撑圈梁和钢管的应力满足要求，钢管的稳定性满足要求。 3.5.4 围堰整体抗浮验算

桩基钢护筒外径为2.4m ，共8根；

钢与混凝土粘结力：一般取100-200kN/m 2，这里取120 kN/m 2； 混凝土容重：23kN/m 3； 封底混凝土自重：

KN G 6619)82.114.31227(232=??-??= 护筒粘结力：KN T 723581204.214.311=????= 钢板桩与封底混凝土的粘结力：

KN T 93601201)1227(22=??+?= 封底混凝土底面受水浮力：

KN P 18723505.610)82.114.31227(2=????-?= 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05.124.118723

23214

21>==++=

P T T G K

结论：围堰整体抗浮满足要求。 3.5.5 基坑底抗隆起验算

本围岩河底覆盖层为卵石层，卵石层下为灰岩，且卵石层较薄。在进行施工时，先将卵石层清除，然后直接灌注水下封底混凝土在灰岩上，故不进行基坑底抗隆起验算。 3.5.6基坑底管涌验算

不产生管涌的安全条件为:

5.1/≥=j K b γ

51.1=K ,故不会发生基坑底管涌。

式中：

K ——抗基坑底管涌安全系数；

w γ——水容重，w γ=10 KN/m 3

b γ——土的浮容重，3/5.11m kN b =γ

i ——水力梯, )2(t h h i +=

j ——最大渗流力（动水压力）

，w i j γ?= h ——水位至坑底的距离，m h 505.6=

t ——钢板桩的入土深度，m t 1= 3.5.7封底砼厚度计算

封底砼取x 米厚，基坑内抽水后水头差为h ，由此引起水的渗流，其最短流程为紧靠板桩的)2(t h +，故在此流程中，水对土粒渗透的力，其方向应是垂直向上。现近似地以此流程的渗流来检算基坑底的涌砂问题，要求垂直向上的渗透力不超过封底砼的自重，故安全条件如下式：

x g g i K c w s ??

式中：

s K ――安全系数，取1.05；

i ――水力梯, )2(t h h i +=；

w ρ、c ρ――分别为水与砼密度，其中3/1000m kg w =ρ，3/2300m kg c =ρ

h ——水位至坑底的距离，m h 505.6=

t ——钢板桩的入土深度，m t 1=

则：

x g g ??

230010001

2505.6505

.605.1

得：cm x 35>，取封底砼厚度100cm ，满足条件。