顺德大桥钢板桩围堰计算书定稿.docx
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顺德大桥钢板桩围堰计算书定稿
顺德水道特大桥59#～70#水中墩
钢板桩围堰施工支护计算书
目录
一、概述-3-
二、计算模型的建立-3-
三、计算结果4
3.159#墩支护计算结果4
3.1.1钢板桩强度和稳定性验算4
3.1.2钢板桩封底计算8
3.1.3基坑稳定性验算9
3.260#墩支护计算结果-10-
3.2.1钢板桩强度和稳定性验算-10-
3.2.2钢板桩封底计算-14-
3.2.3基坑稳定性验算16
3.361#墩支护计算结果17
3.3.1钢板桩强度和稳定性验算17
3.3.2钢板桩封底计算21
3.3.3基坑稳定性验算-22-
3.462#墩支护计算结果24
3.4.1钢板桩强度和稳定性验算24
3.4.2钢板桩封底计算28
3.4.3基坑稳定性验算30
3.563#墩支护计算结果-31-
3.5.1钢板桩强度和稳定性验算-31-
3.5.2钢板桩封底计算35
3.5.3基坑稳定性验算36
3.664#、65#墩支护计算结果38
3.6.1钢板桩强度和稳定性验算38
3.6.2钢板桩封底计算-42-
3.6.3基坑稳定性验算-43-
3.766#、67#墩支护计算结果45
3.7.1钢板桩强度和稳定性验算45
3.7.2钢板桩封底计算48
3.7.3基坑稳定性验算-50-
3.868、69#墩支护计算结果-51-
3.8.1钢板桩强度和稳定性验算-51-
3.8.2钢板桩封底计算55
3.8.3基坑稳定性验算57
3.970#墩支护计算结果58
3.9.1钢板桩强度和稳定性验算58
3.9.2钢板桩封底计算62
3.9.3基坑稳定性验算63
四、结论65
顺德水道特大桥59#～70#水中墩
钢板桩围堰施工支护计算书
一、概述
顺德水道特大桥59#～70#水中墩设计为深水低桩承台，水深高达21米，施工时采用钢板桩围堰进行支护，为保证支护的安全，对钢板桩围堰支护的强度与稳定进行了验算。
二、计算模型的建立
各墩支护的设计图附后。
计算时按施工水位的最大标高取钢板桩围堰的顶标高为+4.0米。
支护的最不利工况为浇筑封底混凝土后并把围堰内的水抽光，取此工况对结构进行验算。
结构所受的侧面压力，在河床以上的范围内为静水压力，在河床以下至封底混凝土底面以上的范围内为静水压力以及主动土压力之和。
其中静水压力为三角形荷载：
，为距离水面的高度；主动土压力根据肯朗土压力理论来进行计算：
主动土压力系数为：
，围堰开挖范围内的土质为粉砂或淤泥质土，偏于安全，内摩擦角取为10度，则，土的饱和容重为：
，主动土压力为：
，为距河床底的高度。
考虑到围堰的高度较高，承受较大的水压力和土压力，为保证围堰的安全，故采用拉森钢板桩IV型，钢板桩的截面如下图所示，尺寸以毫米记，
图1钢板桩横断面尺寸
在建立计算模型的时候，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：
，则在计算模型中的板厚采用15.54cm。
计算采用midascivil6.1.1，其中钢板桩围堰采用板单元模拟，支撑与围檩采用梁单元模拟。
三、计算结果
3.159#墩支护计算结果
3.1.1钢板桩强度和稳定性验算
图2为59#墩围堰的计算模型图，支撑围檩的构造图见图3所示。
59#墩围堰的支撑的标高及数量见表1，采用的两根I56a工字钢截面的工字钢；竖撑采用单根I56a的工字钢。
表159#墩支护各支撑的标高
编号
1
标高
3.5
截面尺寸
2I56a
图259#墩计算模型
图3支撑围檩构造
在侧向压力的作用下，结构的最大位移为4.68mm，如图4所示。
图4结构变形计算结果
支撑、围檩的应力计算结果如图5所示，支撑围檩的最大应力达到31.1MPa，在A3级钢的容许应力范围内，能够满足要求。
图5支撑、围檩的应力
图6板桩围堰每延米宽度承受绕水平轴的弯矩
计算得到钢板桩围堰每延米的绕水平轴的最大弯矩为132.9kN*m/m，如图6所示。
计算得到钢板桩围堰每延米的绕水平轴最大弯矩为132.9KN*m/m。
取一片钢板桩来进行验算：
钢板桩的宽度为0.4m，查得钢板桩边缘断面的模量为：
W=814.8cm3=0.0008148m3,则可以得到钢板桩外缘的应力为：
在A3级钢的容许应力范围内，能够满足要求。
结构的屈曲模态计算结果如下图，结构的屈曲模态最小的特征值为58.18，结构的整体稳定性能满足要求。
图7结构的第一阶屈曲模态
因此，结构的应力与稳定性能够满足使用要求。
3.1.2钢板桩封底计算
（1）浮力控制计算封底厚度
作用在封底层的浮力是由封底混凝土和围堰的自重以及围堰在土中的摩擦阻力平衡的，当板桩打入基坑底以下的深度不大时，从安全角度考虑，平衡浮力主要靠封底混凝土的自重，由：
解得
=0.3×10×（4+4）/（23-10）=1.85（m）
其中为考虑未计算桩土间摩阻力和围堰自重的修正系数，凭经验取为0.4。
封底混凝土灌注时厚度宜比计算值超过0.25～0.5米,以便在抽水后将顶层浮浆和软弱层凿除,以保证质量。
所以封底厚度x取为1.85+0.35=2.2m。
（2）封底最大应力控制计算封底厚度
封底混凝土的厚度,可按下式计算:
式中:
—封底混凝土的厚度（m）;
—在最大均布反力作用下的最大设计弯矩（kN.m）,按支承条件考虑的荷载系数可由结构设计手册查取;
—混凝土弯曲抗拉极限强度;
—荷载安全系数,此处=1.1;
—材料安全系数,此处=2.31;
b—计算宽度,此处取1m.
由于板是边长19×12米的矩形，故双向板的弯矩系数为0.0257，均布压力为p＝10×（6+2.2）－23×2.2＝31.4（kPa），
故双向板单位板宽最大弯矩为：
＝0.0257×31.4×12×19=183.99（kN·m/m）
故封底混凝土的厚度为:
=1.469米
封底混凝土灌注时厚度宜比计算值超过0.25～0.5米,以便在抽水后将顶层浮浆和软弱层凿除,以保证质量。
所以封底厚度x取为1.469+0.5=1.969m。
综上所述,封底厚度x取为2m。
3.1.3基坑稳定性验算
（1）坑底流砂验算
在坑底内抽水可能引起流砂的危险，采用简化计算方法进行验算。
其原则是板桩有足够的入土深度以增大渗流长度，减小向上动水力。
由于基坑内抽水后引起的水头差为h’造成的渗流，其最短渗流途径为h1＋t，在流程t中水对土粒动水力应是垂直向上的，故可要求此动水力不超过土的浮重γb，则不产生流砂的安全条件为：
K·i·γWγb
K为安全系数,取为2.0，i为水力梯度,即ｉ＝＝＝0.43
而γW＝10，γb＝9则K·i·γW=2.0*0.43*10=8.46<γb＝9,满足要求。
（2）坑底隆起验算
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，用滑动面简单方法进行验算。
滑动力矩为：
稳定力矩为：
其中=atan（）=atan（）=1.26，h为最底层内支撑相对封砼顶高度,b为坑底一半长度.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=50kPa
则安全系数为：
=3.571.2，满足坑底隆起验算．
3.260#墩支护计算结果
3.2.1钢板桩强度和稳定性验算
图8为60#墩围堰的计算模型图，支撑围檩的构造图见图9所示。
60#墩围堰的支撑的标高、数量见表2，设计采用两根截面I40a工字钢。
表260#墩支护各支撑的标高
编号
1
2
3
标高
2.5
-0.5
-3.5
截面尺寸
2I40a
2I40a
2I40a
图860#墩计算模型
图9支撑围檩构造
计算结果见以下各图。
在侧向压力的作用下，结构的最大位移为14.6mm，如图10所示。
图10结构变形计算结果
支撑、围檩的应力计算结果如图11所示，最下面一道支撑围檩的最大应力达到65.55MPa，在A3级钢的容许应力范围内，能够满足要求。
图11支撑、围檩的应力
图12板桩围堰每延米宽度承受绕水平轴的弯矩
计算得到钢板桩围堰每延米的绕水平轴的最大弯矩为289.8kN*m/m，如图12所示。
计算得到钢板桩围堰每延米的绕水平轴最大弯矩为289.8KN*m/m。
取一片钢板桩来进行验算：
钢板桩的宽度为0.4m，查得钢板桩边缘断面的模量为：
W=814.8cm3=0.0008148m3,则可以得到钢板桩外缘的应力为：
在A3级钢的容许应力范围内，能够满足要求。
结构的屈曲模态计算结果如下图，结构的屈曲模态最小的特征值为10.89，结构的整体稳定性能满足要求。
图13结构的第一阶屈曲模态
因此，结构的应力与稳定性能够满足使用要求。
3.2.2钢板桩封底计算
（1）浮力控制计算封底厚度
作用在封底层的浮力是由封底混凝土和围堰的自重以及围堰在土中的摩擦阻力平衡的，当板桩打入基坑底以下的深度不大时，从安全角度考虑，平衡浮力主要靠封底混凝土的自重，由：
解得
=0.3×10×（4+8.5）/（23-10）=2.9（m）
其中为考虑未计算桩土间摩阻力和围堰自重的修正系数，凭经验取为0.3。
封底混凝土灌注时厚度宜比计算值超过0.25～0.5米,以便在抽水后将顶层浮浆和软弱层凿除,以保证质量。
所以封底厚度x取为2.9+0.3=3.2m。
（2）封底最大应力控制计算封底厚度
封底混凝土的厚度,可按下式计算：
式中:
—封底混凝土的厚度（m）；
—在最大均布反力作用下的最大设计弯矩（kN.m）,按支承条件考虑的荷载系数可由结构设计手册查取;
—混凝土弯曲抗拉极限强度;
—荷载安全系数,此处=1.1;
—材料安全系数,此处=2.31;
b—计算宽度,此处取1m.
由于板是边长18.4×14.1米的矩形，故双向板的弯矩系数为0.0323，均布压力为p＝10×（10.5+3.2）－23×3.2＝63.4（kPa），
故双向板单位板宽最大弯矩为：
＝0.0257×63.4×14.1×18.4=531.28（kN·m/m）
故封底混凝土的厚度为:
=2.496米
封底混凝土灌注时厚度宜比计算值超过0.25～0.5米,以便在抽水后将顶层浮浆和软弱层凿除,以保证质量。
所以封底厚度x取为2.496+0.5=2.996m。
综上所述,封底厚度x取为3m。
3.2.3基坑稳定性验算
（1）坑底流砂验算
在坑底内抽水可能引起流砂的危险，采用简化计算方法进行验算。
其原则是板桩有足够的入土深度以增大渗流长度，减小向上动水力。
由于基坑内抽水后引起的水头差为h’造成的渗流，其最短渗流途径为h1＋t，在流程t中水对土粒动水力应是垂直向上的，故可要求此动水力不超过土的浮重γb，则不产生流砂的安全条件为：
K·i·γWγb
K为安全系数,取为2.0，i为水力梯度,即ｉ＝＝＝0.458
而γW＝10，γb＝9则K·i·γW=2.0*0.458*10=9.16>γb＝9,不满足要求。
故入土深度需重新取值,将t取为7米,则i==0.448
故K·i·γW=2.0*0.449*10=8.96γb＝9,满足入土深度要求．
所以钢板
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