郑焦黄河特大桥主桥钢板桩围堰计算.docx

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郑焦黄河特大桥主桥钢板桩围堰计算

郑焦黄河特大桥主桥

钢板桩围堰施工

设计计算书

计算：

复核：

审核：

主桥承台钢板桩围堰施工计算

一、计算总说明：

郑焦黄河特大桥主桥承台钢板桩围堰设计时，围堰采用拉森Ⅳ型钢板桩,以下设计检算根据拉森Ⅳ型板桩参数、中铁工程咨询集团公司提供《新建郑州至焦作铁路工程郑州黄河大桥施工图》，并参考《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）等资料。

本计算书对水中中墩围堰（施工70#、72#、74#、76#、78#墩）、水中边墩围堰（施工71#、73#、75#、77#墩）、滩地中墩围堰（施工68#墩）、滩地边墩围堰（施工69#墩）等四种围堰类型进行设计、检算。

二、水中中墩围堰：

（一）、计算参数：

中墩承台分为上下两层，上层厚度为2.0m，下层厚度为4.5m；上层承台平面轮廓尺寸为28.0×10.0m，下层承台平面轮廓尺寸为29.7×19.1m。

下层承台顶标高：

+91.67m。

根据下层承台平面尺寸，确定钢板桩围堰的内部空间平面尺寸为32.0×21.6m。

拉森Ⅳ型板桩参数如下：

I＝31574cm4W=2037cm3（按每延米计），屈服强度＝200MPa。

板桩长16米，桩顶标高＋96.00m。

围堰计算的桥位设防水位标高：

+95.50m,水流速度V=3m/s,河床标高范围为90.78m（70#墩）—92.69m（74#墩）。

地质情况：

细砂层。

土的重度γ＝19KN/m3,内摩擦角ϕ=35°，粘聚力C＝0KPa（对围堰受力计算有利）。

（参照公路桥涵地基与基础设计规范取ϕ角值,经验取γ值）

（二）、荷载计算（土压力、水压力）

板桩入土深度计算中，土压力按朗金理论计算。

主动土压力系数：

Ka＝tan2（45°-ϕ/2）＝0.271

tan（45°-ϕ/2）＝0.52057

被动土压力系数：

Kp＝tan2（45°+ϕ/2）＝3.69

tan（45°+ϕ/2）＝1.921

水流力：

q流＝（1.3×10×32）/（2×10）＝5.85KN/m2

静水压力：

q水＝γwh

水土分算法确定砂土、水的水平荷载及抗力标准值如下：

水平荷载标准值：

；

水平抗力标准值：

；

其中γf=γ-γw（简化）。

（三）、封底混凝土计算

由于底层土属于渗水较小的细砂层。

土围堰采用排水开挖形式，在封混凝土浇注完成后，围堰内侧四角设置排水设备，通过排水减少围堰外测与内侧水头差。

故不需要计算封底混凝土所受的水浮力。

取封底混凝土厚为1m，则其底部标高为：

+86.17m。

（四）、初步确定内支撑的层数及间距

当围堰开挖到最底时，并根据承台位置布置内支撑如下：

（五）、钢板抗倾覆稳定性检算

计算工况为第三层内支撑安装完成，开挖至封底混凝土底时。

假定钢板桩在土压力作用下绕最下层支撑处转动，不考虑基坑尺寸的影响。

根据钢板桩上土压力分布图，

根据假定，及图中几何关系，可得：

，满足安全系数要求。

（六）、各工况计算及结果（等值梁法）

1、工况一：

在板桩插打完成后，安装第一层内支撑及圈梁之前，围堰内先抽水至+94.50m。

此工况，在70#墩处钢板桩受力最不利，受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝73.7MPa，满足要求；

最大扰度r=0.063m<6/40=0.15，满足要求。

（弹性地基梁m值法：

σmax＝88.2MPa；r=0.074m）

2、工况二：

在完成第一层内支撑及圈梁后，安装第二层内支撑及圈梁之前，围堰内抽水（或开挖）至+91.70m。

此工况，在70#墩处钢板桩受力最不利，受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝43.56MPa，满足要求；

最大扰度r=0.004m<6/40=0.15，满足要求。

内支撑反力：

R1=62.04KN

（弹性地基梁m值法：

σmax＝52.33MPa；r=0.008m；R1=67.98KN）

3、工况三：

在完成第二层内支撑及圈梁后，将第一层内支撑拆除安装第三层内支撑及圈梁之前，围堰内开挖至+88.40m。

此工况，在74#墩处钢板桩受力最不利，受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝103.2MPa，满足要求；

最大扰度r=0.012m<6/40=0.15，满足要求。

内支撑反力：

R2=229.33KN。

（弹性地基梁m值法：

σmax＝80.79MPa；r=0.012m；R2=215.09KN）

4、工况四：

在完成第三层内支撑及圈梁后，围堰内开挖至+86.17m即封底混凝土底。

此工况，在74#墩处钢板桩受力最不利，钢板桩受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝196.5MPa，满足要求；

最大扰度r=0.021m<6/40=0.15，满足要求。

内支撑反力：

R3=193.82KN

（弹性地基梁m值法：

σmax＝151.86MPa；r=0.016m；R3=146KN）

5、工况五：

在完成封底混凝土施工后，因施工承台需要，拆除第三层内支撑及圈梁后。

此工况，在74#墩处钢板桩受力最不利，钢板桩受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝177.1MPa，满足要求；

最大扰度r=0.009m<6/40=0.15，满足要求。

内支撑反力：

R2=217.80KN

（七）、内支撑及圈梁计算：

综合各工况,钢管桩支反力R1max=62.04KN;R2max=229.33KN;R3max=193.82KN。

设计时各层圈梁可以相互倒用，圈梁的设计受力值取1.3倍最大支反力即298.13,取为300KN/m。

内支撑及圈梁选用材料截面如右：

建立模型计算得：

由上可知：

圈梁最大应力：

σmax＝186.8MPa,通过对局部加强能满足≤[σ]＝170MPa的要求。

圈梁最大扰度：

δ＝15mm，△＝1/239，满足要求。

内支撑最大应力：

σmax＝134.7MPa≤[σ]＝170MPa，满足要求。

三、水中边墩围堰：

（一）、计算参数：

边墩承台分为上下两层，上层厚度为1.0m，下层厚度为4m；上层承台平面轮廓尺寸为28.0×7.0m，下层承台平面轮廓尺寸为29.7×13.8m。

下层承台顶标高：

+91.67m。

根据下层承台平面尺寸，确定钢板桩围堰的内部空间平面尺寸为32.0×16m。

拉森Ⅳ型板桩参数如下：

I＝31574cm4W=2037cm3（按每延米计），屈服强度＝200MPa。

板桩长16米，桩顶标高＋96.00m。

围堰计算的桥位设防水位标高：

+95.50m,水流速度V=3m/s,河床标高范围为91.99m（75#墩）—93.12m（77#墩）。

地质情况：

细砂层。

土的重度γ＝19KN/m3,内摩擦角ϕ=35°，粘聚力C＝0KPa（对围堰受力计算有利）。

（参照公路桥涵地基与基础设计规范取ϕ角值,经验取γ值）

（二）、荷载计算（土压力、水压力）

板桩入土深度计算中，土压力按朗金理论计算。

主动土压力系数：

Ka＝tan2（45°-ϕ/2）＝0.271

tan（45°-ϕ/2）＝0.52057

被动土压力系数：

Kp＝tan2（45°+ϕ/2）＝3.69

tan（45°+ϕ/2）＝1.921

水流力：

q流＝（1.3×10×32）/（2×10）＝5.85KN/m2

静水压力：

q水＝γwh

水土分算法确定砂土、水的水平荷载及抗力标准值如下：

水平荷载标准值：

；

水平抗力标准值：

；

其中γf=γ-γw（简化）。

（三）、封底混凝土计算

由于底层土属于渗水较小的细砂层。

土围堰采用排水开挖形式，在封混凝土浇注完成后，围堰内侧四角设置排水设备，通过排水减少围堰外测与内侧水头差。

故不需要计算封底混凝土所受的水浮力。

取封底混凝土厚为1m，则其底部标高为：

+86.67m。

（四）、初步确定内支撑的层数及间距

当围堰开挖到最底时，并根据承台位置布置内支撑如下：

（五）、钢板抗倾覆稳定性检算

计算工况为第三层内支撑安装完成，开挖至封底混凝土底时。

假定钢板桩在土压力作用下绕最下层支撑处转动，不考虑基坑尺寸的影响。

根据钢板桩上土压力分布图，

根据假定，及图中几何关系，可得：

，满足安全系数要求。

（六）、各工况计算及结果（等值梁法）

1、工况一：

在板桩插打完成后，安装第一层内支撑及圈梁之前，围堰内先抽水至+94.50m。

此工况，在75#墩处钢板桩受力最不利，受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝40.78MPa，满足要求；

最大扰度r=0.028m<6/40=0.15，满足要求。

（弹性地基梁m值法：

σmax＝56.42MPa；r=0.038m）

2、工况二：

在完成第一层内支撑及圈梁后，安装第二层内支撑及圈梁之前，围堰内抽水（或开挖）至+91.70m。

此工况，在75#墩处钢板桩受力最不利，受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝27.90MPa，满足要求；

最大扰度r=0.002m<6/40=0.15，满足要求。

内支撑反力：

R1=48.40KN

（弹性地基梁m值法：

σmax＝36.08MPa；r=0.005m；R1=56.28KN）

3、工况三：

在完成第二层内支撑及圈梁后，将第一层内支撑拆除安装第三层内支撑及圈梁之前，围堰内开挖至+88.70m。

此工况，在77#墩处钢板桩受力最不利，受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝91.86MPa，满足要求；

最大扰度r=0.010m<6/40=0.15，满足要求。

内支撑反力：

R2=221.64KN。

（弹性地基梁m值法：

σmax＝71.32MPa；r=0.010m；R2=208.56KN）

4、工况四：

在完成第三层内支撑及圈梁后，围堰内开挖至+86.67m即封底混凝土底。

此工况，在77#墩处钢板桩受力最不利，钢板桩受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝160.75MPa，满足要求；

最大扰度r=0.11m<6/40=0.15，满足要求。

内支撑反力：

R3=178.60KN

（弹性地基梁m值法：

σmax＝116.08MPa；r=0.085m；R3=166.52KN）

5、工况五：

在完成封底混凝土施工后，因施工承台需要，拆除第三层内支撑及圈梁后。

此工况，在77#墩处钢板桩受力最不利，钢板桩受力状况如下：

建立模型分析，结果如下：

经计算，板桩最大应力σmax＝96.73MPa，满足要求；

最大扰度r=0.003m<6/40=0.15，满足要求。

内支撑反力：

R2=186.03KN

（七）、内支撑及圈梁计算：

综合各工况,钢管桩支反力R1max=48.04KN;R2max=221.64KN;R3max=178.60KN。

设计时各层圈梁可以相互倒用，圈梁的设计受力值取1.3倍最大支反力即288.13,取为300KN/m。

内支撑及圈梁选用材料截面如右：

建立模型计算得：

由上可知：

圈梁最大应力：

σmax＝173.37MPa,通过对局部加强能满足≤[σ]＝170MPa的要求。

圈梁最大扰度：

δ＝11mm，△＝1/239，满足要求。

内支撑最大应力：

σmax＝147.3MPa≤[σ]＝170MPa，满足要求。

四、深井降水设计与计算

4.1总涌水量计算

根据地层水文情况及深井的布置情况，本工程深井为潜水非完整井，由公式：

式中：

K——渗透系数，依据地质勘探资料，从计算安全角度考虑取承台施工地层均为粉细砂，由于现有地质资料里没有给出粉细砂层的渗透系数，参考黄河四桥地质资料及相关土质书籍取K＝15m/d；

S——水位降低值，由于钢板桩对基坑区域的封闭作用以及实践中一些不确定因素的影响，为了达到理想的降水效果，本工程考虑对封闭区域的完全降水，降深取S=10m（实际达到8m即可）；

l——滤水管有效工作部分长度，取12m

H——潜水含水层厚度，取60m

h——潜水含水层厚度与动水位以下含水层厚度平均值，

r0——基坑的假想半径（以主桥68#墩为例）

R——降水影响半径（以主桥68#墩为例）

代入上式得：

4.2单井干扰出水量计算

单井干扰进水量一般计算公式

式中：

d——过滤管外径，取0.35m；

——与渗透系数有关的经验参数，查表取1.3

l——过滤管计算长度，取12m。

代入上式：

4.3井点数量及布置

所需井点数量

实际布置为基坑南北各4个，东西个1个，共10个。

4.4基坑降水复核计算

复核抽水影响最小处水位降深

。

如基坑中心位置：

式中：

、

、……

——各井点至井点群中心的距离，

其他符号定义同前。

代入上式，

由于承台底标高为+87.17m，降水至承台底以下1m即可满足要求。

所以只要水位标高在95.17m以下即可满足要求。

实际水位标高约+92.m。

满足要求。

计算表明布置8个降水井能满足基坑降水的需要。

由于降水计算受渗透系数K、含水层深度H，及有效滤水管长度等影响较大。

故计算仅为参考，实际施工时应根据实际情况对水井数量及深度等进行调整。