钢板桩支护设计及施工.docx
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钢板桩支护设计及施工
2010—2011学年第一学期
道桥专业毕业设计
牌头浦阳江特大桥
188#墩钢板桩
支护设计
班级：
道桥3082
姓名：
丁学斌
学号：
04301080212
实习单位：
中铁十一局二公司
指导老师：
罗建华
起止日期：
2010.11.—2010.12
第一节、工程概况
1.1、桥型和结构…………………………………………………………………………....3
1.2、水文资料………………………………………………………………………………..3
1.3、气象资料………………………………………………………………………………..3
1.4、通航资料………………………………………………………………………………..3
1.5、工程地质………………………………………………………………………………..3
第二节钢板桩及支撑系统内力计算
2.1、基本资料………………………………………………………………………………3
2.1.1、根据现场工程地质与水文评价报告，钢板桩围堰设计与施工条件如下....3
2.1.2、河床底土层性能指标……………………………………………………………4
2.1.3、土压力系数………………………………………………………………………4
2.1.4.、流水压力………………………………………………………………………..4
2.1.5、拉森钢板桩FSPⅣ型的技术参数……………………………………………….4
2.1.6、钢板桩支护基本结构尺寸………………………………………………………4
2.2、施工流程……………………………………………………………………………….5
2.3、围堰施工阶段工况计算………………………………………………………………..5
2.3.1计算参数…………………………………………………………………………...5
2.3.2计算荷载…………………………………………………………………………...5
2.3.3静水压力…………………………………………………………………………...6
2.4、流水压力………………………………………………………………………………..6
2.5、波浪力…………………………………………………………………………………..6
2.6、建模思路及边界条件…………………………………………………………………..6
2.6.1计算工况的确定…………………………………………………………………….7
2.6.2计算结果…………………………………………………………………………….7
2.7、内支撑焊缝强度验算………………………………………………………………….12
第三节、基坑底稳定验算…………………………………………………………………….13
3.1基坑底管涌验算…………………………………………………………………………13
3.2、C30封底混凝土强度验算……………………………………………………………..13
3.3、围堰抗浮稳定性验算………………………………………………………………….14
第四节、钢板桩施工方案…………………………………………………………………….15
4.1、施工工艺流程………………………………………………………………………….15
4.2、施工方案……………………………………………………………………………….15
4.2.1施工准备…………………………………………………………………………..15
4.2.2测量放样…………………………………………………………………………..16
4.2.3钢板桩的插打……………………………………………………………………..16
4.2.4、钢板桩围堰合拢措施保证……………………………………………………...16
4.2.5、围堰内抽水、吸砂石、安装内支撑及水下封底……………………………...17
4.6、劳力组织……………………………………………………..………………………….18
4.7、主要机械设备配置及材料投入………………………………………………………...19
4.8、安全保证措施…………………………………………………………………….……..19
4.8.1、组织机构…………………………………………………………………….......19
4.8.2、安全目标…………………………………………………………………….…..19
4.8.3、安全保证措施………………………………………………………………….20
4.8.4、教育与培训………………………………………………………………..…....20
4.8.5、现场管理………………………………………………………………………..20
4.8.6、安全用电……………………………………………………………………......20
4.8.7、防火、防爆……………………………………………………………………..20
4.8.8、高空作业………………………………………………………………………..20
4.8.9、吊装作业……………………………………………………………………….21
4.9、工期安排…………………………………………………………………………….…...21
第五节、计算依据…………………………………………………………………………….22
第六节、个人总结……………………………………………………………………………..23
牌头浦阳江特大桥188#号桥墩基坑钢板桩支护设计
第一节、工程概况
1.1、桥型和结构
牌头浦阳江特大桥桥址位于诸暨市境内,大桥起止里程为：
DK74+858.77-DK84+155.55，桥全长9296.78m，大桥中心里程为:
DK79+507.31，共278跨。
跨浦阳江采用（48+3×80+48）m连续梁+5-32m简支梁通过，从184#墩~194#墩，其中186#~192#墩位于江中。
连续梁主墩为185#~188#墩
1.2、水文资料
本桥于DK81+035.83处跨越浦阳江，线路法线与水流方向夹角为12。
，汇水面积F=1099km2,流量Q1%=2102km3/s,水位H1%=17.85m,流速V1%=3.0m/s，施工水位H=14.2m，经现场踏勘调查，测时水位11.5米，涨水季节洪水水位为13.0米。
根据现场调查情况，目前水位为11.5米，也是雨季最高水位，通过了解当地村民及采砂的人员，目前水位是一年中最高的，最近几年最高水位比现在也不会超过1米。
在该桥向诸暨方向（即下游方向）2千多米处设有一混凝土拦水坝,即小砚石堰（详见附图），目前坝顶标高为10.94米，涨水直接排泄，水位不会升很高。
1.3、气象资料
桥区属于亚热带季风气候，受海洋性气候影响，气候特征为温和湿润，雨量丰沛，光照充足、四季分明。
多年年平均气温17.7～18.6℃，多年平均降水1537.0mm。
本桥区常风向为东南～西北，每年10月至次年2月盛行北及西北风，6～8月盛行偏南风，3～5月和9月为夏季风转换期，风向不定。
1.4、通航资料
桥位处浦阳江地方规划为Ⅴ级航道，设计通航净高为5.0m,侧高为3.5m,航道净宽为40m,上底宽为32m.桥址处设计最高通航水位为：
H10%=15.63m。
根据现场实际调查：
此处浦阳江通航量较少，实际通航船只为附近河道采砂船只通航。
桥址穿越此处上下游1公里江面较宽，水流平稳，附近无桥梁码头等。
1.5、工程地质
牌头浦阳江特大桥186#-192#桥墩位于江中，均为钻孔桩基础，钻孔桩穿过地层依次为4/26粉土、细圆砾土（Q4al），泥质粉砂岩、砂岩、含砾砂岩强风化、弱风化。
第二节钢板桩及支撑系统内力计算
2.1、基本资料:
2.1.1、根据现场工程地质与水文评价报告，钢板桩围堰设计与施工条件如下：
1）、钢板桩顶面标高：
+12.5m
2）、设计水位：
+11.5m
3）、承台顶标高：
+5.192m
4）、承台底标高+2.692m
5）、封底混凝土底标高+0.692m
6）、水流力：
1.5m/s
7）、水重度：
γw=10KN/m3
8）、钢材重度：
78.5KN/m3
9）、混凝土重度：
24KN/m3
10）、混凝土与钢的粘结力：
[f]=150KPa
11）、封底混凝土：
厚度t封底=2.5m，C30素砼抗拉强度设计值
12）、Q235钢材的允许应力：
[σ]=188.5Mpa，允许剪应力[τ]=110.5MPa
13）、拉森钢板桩FSPⅣ型的允许应力：
[σ]=273Mpa，允许剪应力[τ]=156MPa
2.1.2河床底土层性能指标
河床底自上至下土层的指标如下：
细圆砺土（标高2.4m~7.0m）,中密，III级：
γ1=20.5KN/m3,ψ1=30°,
c1=2KN/m2,h1=4.6m，弹性模量E1=100MPa;
风化岩层（岩层顶面标高2.4m）:
γ2=23KN/m3,ψ2=35°,c2=100KN/m2
弹性模量E2=300MPa;
2.1.3土压力系数
根据库伦理论，主动土压力系数：
细圆砺土:
风化岩层:
被动土压力系数：
细圆砺土:
风化岩层:
2.1.4水流压力
考虑河流水流压力：
其中γw=10KN/m3，ν=1.5m/s，g=9.81KN/Kg，矩形墩形状系数K=1.3。
取FW=1.5KN/m2，计算水位可取标高+11.5m。
2.1.5拉森钢板桩FSPⅣ型的技术参数
本工程围堰支护桩采用16m长密扣式拉森钢板桩FSPⅣ型，拉森钢板桩FSPⅣ型的技术参数如下：
1）、一根桩钢板桩：
宽度B=400mm、高度h=170mm、厚度t=15.5mm、截面积A=96.99cm2、重量W=76.1Kg/m、惯性矩Ix=4670cm4、截面模量Wx=362cm3。
2）、一延米钢板桩技术参数：
重量W=190Kg/m、惯性矩Ix=38600cm4、截面模量Wx=2270cm3、半截面面积矩Sx=96.99×（4670÷362）×﹙50÷40﹚=1564cm3
2.1.6钢板桩支护基本结构尺寸
如下图所示：
2.2、施工流程
①、当承台内所有桩基础检测合格后（超声波检测），拆除桩基础施工平台，用船只吊振打16m长密扣拉森钢板桩Ⅳ型，形成一个钢板桩围堰。
②、在低水位+9.5m处迎水面设一个直径为25cm带法兰连通孔，利用每天河流两次涨退潮低水位时，安装第一道内支撑。
③、当第一道内支撑安装调试完毕后，用抽水泵将围堰内积水抽到标高+7.0m处，安装第二道内支撑（标高+7.5m）。
④、当第二道内支撑安装调试完毕后，打开+9.5m处导流管法兰，让河水回流到围堰内，当围堰内外水位持平后，开始带水开挖围堰内土方至+0.692m，并用C35混凝土封底。
⑤、当封底混凝土强度达到设计要求后，用抽水泵将围堰内积水抽到封底混凝土顶面+2.692m处，开始进行主墩承台施工。
⑥、当承台混凝土浇筑并达到设计强度后，在围堰与承台间空隙回填中砂并灌水压实至+5.2m（承台顶），施工主墩柱至+7.0m。
⑦、当主墩分次浇筑至并拆模后，往围堰内回灌水至标高+7.0m，同时拆掉第二道内支撑（标高+7.5m），进行主墩标高+7.0~+10.5m段施工。
⑧、当主墩分次浇筑至标高为+10.5m处并拆模后，往围堰内回灌水至标高+10m，同时拆掉第一道内支撑（标高+11.0m），进行主墩+10.5m以上节段施工。
⑨、钢板桩振拔
当主墩柱墩身高过水面并搭设完毕墩柱工作平台后可用船吊振拔钢板桩。
2.3、围堰施工阶段工况计算
2.3.1计算参数
Q235钢材的弹性模量E=2.06×105MPa，容重为76.98KN/m3，泊松比为0.3
C30混凝土的弹性模量E=3×104MPa，容重为25KN/m3，泊松比为0.2
细圆砺土（标高2.4m~7.0m）,中密，III级：
γ1=20.5KN/m3,ψ1=30°,
c1=2KN/m2,h1=4.6m，弹性模量E1=100Mpa,泊松比为0.3;
风化岩层（岩层顶面标高2.4m）:
γ2=23KN/m3,ψ2=35°,c2=100KN/m2
弹性模量E2=300Mpa,泊松比为0.25;
2.3.2计算荷载
1.自重
采用MIDAS-CIVIL中的自重自动加载。
重力加速度值为9.806m/s2。
2.3.3静水压力
取计算水位高程为+11.50m。
静水压力的计算公式为：
其中：
——水的重力密度，取1×103kg/m3；
G——重力加速度值，取9.806m/s2；
h——计算点水深。
该围堰取水压计算起点为+11.50m，终点水深为-3.5m。
计算可得在计算模型最底端的静水压力为150KPa。
3.主动土压力
根据库伦理论，主动土压力系数：
细圆砺土:
风化岩层:
2.4.流水压力
流水压力数值相对于静水压力而言比较小，本工程中不予考虑。
2.5.波浪力
波浪力按P=15KPa，浪高3m计算。
2.6建模思路及边界条件
该双壁钢围堰采用MIDAS-CIVIL三维结构软件建立空间整体模型进行分析计算。
计算模型中，钢板桩按照每延米的惯性矩等效为矩形截面的钢板，用4节点板单元模拟，钢围檩、水平斜杆和横撑梁单元模拟，而围堰内河床底的土层、封底混凝土采用实体单元进行模拟。
结合工程实际情况并参考其他类似工程是计算模型，在模型最下方壁板单元节点上添加固定铰约束。
钢板桩围堰的整体模型
围堰内支撑体系模型
2.6.1计算工况的确定
为了详细考虑围堰各施工阶段不同受力状态下，结构的刚度、强度以及稳定性是否满足施工要求，对围堰进行以下工况的分析：
工况1：
用抽水泵将围堰内积水抽到标高+10.5m处，安装第二道内支撑（标高+11.0m）。
工况2：
当第一道内支撑安装调试完毕后，用抽水泵将围堰内积水抽到标高+7.0m处，安装第二道内支撑（标高+7.5m）。
工况3：
当第二道内支撑安装调试完毕后，让河水回流到围堰内，当围堰内外水位持平后，开始带水开挖围堰内土方至+0.692m，并用C35混凝土封底。
工况4：
当封底混凝土强度达到设计要求后，用抽水泵将围堰内积水抽到封底混凝土顶面+2.692m处。
工况5：
当主墩分次浇筑至标高为+7.0m处并拆模后，往围堰内回填砂至标高+7.0m，同时拆掉第二道内支撑（标高+7.5m）。
工况6：
当主墩分次浇筑至标高为+10.5m处并拆模后，往围堰内回填砂至标高+10m，同时拆掉第一道内支撑（标高+11.0m）。
2.6.2计算结果
本次围堰的支护方案为钢板桩+2道内支撑，钢板桩长16m的密扣式拉森FSPⅣ型钢板，钢围檩、角斜撑均采用2I36a的工字钢组合梁，横撑采用529钢筒支撑梁。
各种工况对每种工况结构的变形、钢板桩的弯矩、支撑内力，如下图所示。
结构变形云图
钢板桩弯矩云图
工况1
结构变形云图
钢板桩弯矩云图
第一道支撑体系受到的轴压力
第一道支撑体系的应力云图
工况2
结构变形云图
钢板桩弯矩云图
第一道支撑体系受到的轴压力
第一道支撑体系的应力云图
第二道支撑体系受到的轴压力
第二道支撑体系的应力云图
工况3
结构变形云图
钢板桩弯矩云图
第一道支撑体系受到的轴压力
第一道支撑体系的应力云图
第二道支撑体系受到的轴压力
第二道支撑体系的应力云图
工况4
结构变形云图
钢板桩弯矩云图
第一道支撑体系受到的轴压力
第一道支撑体系的应力云图
工况5
结构变形云图
钢板桩弯矩云图
工况6
对计算结果进行汇总，见下表：
方案设计控制指标
最大值
出现的工况
结构变形
75mm
工况6
钢板桩弯矩
422kN·m
工况5
支撑的最大轴压力
1446kN
工况4
支撑的最大轴拉力
170kN
工况4
钢围檩最大应力
218MPa
工况5
按照设计的构件尺寸以及钢材的力学性能，钢板桩每延米的极限弯矩是600kN·m，支撑的极限轴力为2876kN。
则
钢板桩的抗弯安全系数：
钢支撑的安全系数：
从计算云图可以看到，钢围檩只是在与支撑的节点处应力才出现局部增大的现象，其他部位钢围檩的应力大小基本在几十到一百兆帕之间，由于节点都有加强措施，故允许应力可以增大为1.2倍，则
.因此，钢围檩的应力满足要求。
2.7、内支撑焊缝强度验算
根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》第1.3.6及第1.3.12条规定：
2I36a工字钢组合内斜撑梁与2I36a工字钢组合围檩B（A）的连接采用焊接，为主要受力构件，采用单面直角连续焊缝，取焊脚尺寸hf=10mm、焊缝长度l=1516mm（不采用引弧板），计算焊缝长度取lw==1516-20=1496mm。
故有焊缝所受与主焊缝长度方向平行的轴心力F=RB=1446KN
第三节、基坑底稳定性验算
3.1基坑底管涌验算
根据不发生管涌条件：
t=3.7mh＇=11.3m
故该围堰不会发生管涌。
3.2、C30封底混凝土强度验算
封底混凝土采用C30混凝土，厚度采用250cm，有效厚度为h＝200cm，顶面以上考虑8.8m水压，则封底混凝土顶面压力为P1=88KPa，底面以上考虑11.3m水压，则封底混凝土顶面压力为P2=113KPa；当封底混凝土强度达到设计要求后，用抽水泵将围堰内积水抽到标高+2.7m处，Pmax=RE=549.4KN/m，则封底混凝土顶面压力为P3=Pmax=549.4KN/m。
故封底混凝土所受压力取P＝549.4KN/m。
封底砼为矩型，考虑承台内桩基对封底砼的锚固约束力，取4条桩基础之间的封底混凝土（L1×L2=450×450cm）按四边简支矩形双向板计算。
计算简图如下：
封底砼按四边简支支承的双向板计算，跨中弯矩M1、M2可按下式计算：
，
/
=4.5÷4.5=1
：
弯矩系数，可查《简明施工计算手册》（第二版）表5-68得:
0.0368,
0.0368
p:
作用在封底板的反力，p=641.6KN/m
M1=0.0368×pL12
=0.0368×549.4×4.52
=409.4KN.m
M2=0.00368×pL22
=0.00368×549.4×6.52
=409.4KN.m
D为混渗厚度，因钢板桩围堰封底前由潜水员检平高差不得超过100mm，故D可取300mm。
封底砼厚度取2.5m符合要求。
3.3、围堰抗浮稳定性验算
在围堰内抽干水，承台砼未浇筑情况下，封底砼能克服水的浮力而不上浮，不计钢板桩与河床土层的摩擦力。
计算公式：
G1+G2+G3≥hγ水（S-6S’）
其中：
G1钢板桩围堰自重G1=200t
G2封底砼重量=tγ砼（S-6S’）
G3封底砼与桩钢护筒的粘着力
S为套箱底面积S=14.7×12=176.4m2
S’为护筒的截面积（直径2m）S’＝3.14×12＝3.14m2
G2=2.4×2.5×（176.4－6×3.14）＝945.36t
G3=6×πDt[f]=6×3.14×2×2.5×15=1413t
G=G1＋G2＋G3＝200+945.36+1413=2558.36t
浮力F=1×11.3×（14.7×12－6×3.14）=1780.4tK=G/F=2558.36/1780.4＝1.43>1.0故封底砼抗浮是安全的。
第四节、钢板桩施工方案
根据设计资料，河床地质资料为：
表层约为0.8米厚粉细沙层，其下为3~5米厚的粗圆砾土，下伏强风化泥质砂岩、弱风化泥质砂岩，岩面顶标高为0米左右，而承台底标高为2米左右，根据这种情况承台开挖可优先采用Ⅳ型防水拉森钢板桩进行围护开挖方案，拉森钢板桩长度为12米，振动锤振动钢板桩入岩，施做围檩，开挖到位后进行水下混凝土封底，然后抽干水，施做承台墩身。
4.1施工工艺流程
施工准备
测量放样
插打钢板桩
水下混凝土封底
承台墩柱施工
围堰的拆除
4.2、施工方案
4.2.1施工准备
①每个墩钻孔桩完成后，移走钻机，清理钻孔平台。
②对河床进行清理，在桩基施工完成后，对围堰范围内的河床进行清理，避免在钢板桩插打位置遇到障碍物。
③钢板桩变形检查，因钢板桩在装卸运输过程中会出现撞伤弯曲及锁口变形等现象，因此钢板桩插打前必须进行变形检查，对变形严重的钢板进行校正并做锁口通过检查。
锁口检查方法是用一块长2米同类型、同规格的钢板桩做标准，采用卷扬机拉动标准钢板桩平车，从桩头至桩尾做通过检查。
其他检查：
剔除钢板桩前期使用后表面因焊接钢板、钢筋遗留下来的残渣瘤。
④涂刷黄油混合物油膏，为减少插打时锁口之间的摩擦和减少钢板桩之间的渗漏，在钢板桩锁口内涂抹黄油混合物油膏。
4.2.2测量放样
按照设计承台尺寸进行放样，每边放宽不少于1米。
4.2.3钢板桩的插打
钢板桩的插打采用专用打桩设备（DZ90型震动打桩机）进行插打
①安装钢板桩插打导向：
钢板桩插打之前在钻孔桩钢护筒上焊接牛腿，安装第一道支撑圈梁，作为钢板桩插打时的导向架，以控制钢板桩的平面位置和垂直度。
②为了第一片钢板桩插打准确，第一片钢板桩是插打关键，第一片钢板桩的位置选择在上游或下游中心位置，插打时导向架上设限位装置，大小比钢板桩每边放宽1cm，插打时钢板桩桩背紧靠导向架，边插边将导向钩缓缓放下，这时在相互垂直的两个方向用锤球进行观测，以确保钢板桩插直插正。
③通过检测，确定第一片钢板桩插打合格后，然后以第一根钢板桩为基准，再向两边对称同时插打至设计位置。
整个施工过程中，要用锤球始终控制每片桩的垂直度，及时调整。
④每一片钢板桩先利用自重下插，当自重不能下插时，才进行加压或采用高压水射水下沉方式进行。
⑤插打过程中严格遵循“插桩正直，分散即纠，调整合拢”的施工要点。
4.2.4、钢板桩围堰合拢措施保证：
钢板桩围堰在施工中应选择河床较低处为合拢面，插打至合拢面时，应精确丈量尺寸，考虑到钢板桩锁口的间隙和钢板桩本身的性能，合拢面尺寸应大于理论尺寸15-20厘米为宜，避免合拢口尺寸过小的出现：
同时与合拢口相邻的10-15片（组）钢板桩采取先插至桩的稳定标高，主要是有利于钢板桩的调整，并且合拢口两侧钢板桩具有高差，便于插桩，待合拢后，再将桩打至设计标高。
合拢口解决措施如下：
1钢板状合拢口尺寸上下都大时：
当尺寸上大下小时，在合拢口两侧钢板桩上下平行吊耳，位置根据尺寸大小的差值而定，利用倒链或转向滑轮进行对位，直至符合要求合拢为止。
其优点是：
钢板桩对向平行受拉能保证桩的两侧锁口在同一平面内，通过对拉，使两侧钢板桩连接有利于稳定，便于插桩合拢。
当尺寸下大上小时，钢板桩上设置的吊耳，应尽量向桩的下部安置，必要时可安放在水下对位，直至合拢。
2合拢口尺寸上下都小时：
此时应将合拢口的位置设置在合拢面一侧的角桩附近。
用千斤顶在钢板桩顶端顶推和设置吊耳，将合拢口向两侧张拉，调整上下尺寸，但要采取保证两侧钢板桩锁口在同一平面内，一般是在桩内外安置活动导向，迫使钢板桩在导梁平面内移动。
拔出的板桩应及时清除土砂，涂以油脂。
变形较大的板桩需调直。
完整的板桩要及时运出工地，堆置在平整的场地上。
4.2.5、围堰内抽水、吸砂石、安装内支撑及水下封底
①钢
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