赣榆青口特大桥主墩承台围堰施工方案.docx

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赣榆青口特大桥主墩承台围堰施工方案

一、工程概况

本工程主墩围堰位于赣榆青口河上，青口特大桥主桥为悬浇预应力混凝土连续箱梁。

主墩18号、19号墩为水中墩，采用单层钢板桩深水围堰方法施工。

本文以18号墩围堰施工为例对单层钢板桩深水围堰作具体分析。

主墩为埋置式承台，埋入河床泥面以下2.9m左右。

由于青口河在入海口，受潮汐水位影响比较大，施工期间水位为+1.5m~+2.1m。

钢板桩顶标高控制为+2.8m。

基坑底至施工水位平均为9m。

本桥承台尺寸为6.8m×11m，采用8.8m×13.2m的钢板桩围堰进行施工，钢板桩长为16m。

其尺寸见示意图。

二、工程地质情况

本基坑钢板桩埋深范围内地质情况为：

层第一层填筑土，高程为-0.9m~-8.34m。

层第二层粉砂，高程为-8.34m~-9.49m。

层第三层中砂，高程为-9.49m~-17.59m。

⑷层第四层粘土，高程为-17.59m~-23.29m。

层号

名称

重度r（KN/m3）

粘聚力c（KPa）

内摩擦角Φ（°）

（1）

填筑土

18.8

（2）

粉砂

（3）

中砂

19.4

平均

19.1

三、已知条件：

施工水位：

+2.1m；钢围堰顶标高：

+3.0m；河床标高：

-0.9；承台底面标高：

-6.66m；承台厚2.8m；围堰内50cm厚C20封底砼；拉森Ⅳ型钢板桩：

W=2037cm3，[f]=170MPa

4、钢板围堰计算

钢板桩围堰是由封底砼、内支撑、围囹堰体、导向结构组成。

根据图纸提供的资料，承台底标高在土层下5.76m，其河床上为填筑土层深为7.4m，水深3.0m。

因此设钢板桩穿过填筑土、粉砂，进入中砂土，钢板桩从基坑底入土深度根据计算确定，内支撑按堰体等弯矩并结合承台施工的实际情况分布。

水流按动水压力考虑。

封底砼用0.5m厚C20。

4.1、动水压力计算：

根据水流速度V=0.8m/s验算每米钢板桩承受的力：

P=K·H·V2/2g×B×r

K为安全系数取18

H为水深（m）

V=0.8m/s

g为重力加速度9.8m/s2

B桩板宽1.0m

r水的密度（10KN/m3）

P=18×3×0.82/（9.8×2）×1×10=17.6KN

确定动水作用集中点为水面下水深1/3计算。

Hc=1/3×3.0=1.0m，即：

P作用于堰体标高为+0.1m位置处,根据结构在P作用下，围堰平衡只能由打入桩一定深度的被动土压力完成。

4.2、绘制土压力分布图

施工过程分三种工况：

工况

（一）：

第一道支撑设置完毕，抽水并开挖到第二道支撑下50cm处，准备架设第二道支撑，此时可假定钢板桩下端支撑于钢板桩土压力强度等于零的点，上端支撑与第一道支撑，钢板桩按简支梁计算。

工况

（二）：

即第二道支撑设置完毕，围堰内泥面标高开挖到第二道支撑下50cm处，此时可假定钢板桩下端支撑与钢板桩土压力强度等于零的点，钢板桩按二跨连续梁进行计算。

工况（三）：

即第三道支撑设置完毕，围堰内泥面标高开挖承台底标高下50cm（50cm基坑底封底混凝土），此时可假定钢板桩下端支撑与钢板桩土压力强度等于零的点，钢板桩按三跨连续梁进行计算。

4.3、工况（三）进行计算钢板桩围堰

计算入土深度时，取最不利状况，即按照工况（三）进行计算如下：

钢板桩的控制标高见下图：

钢板桩土压力及水压力分布图如下

4.3.1计算钢板桩上土压力强度等于零点离挖土面距离y

按朗金土压力理论，河床底土压力与水压力分开，河床底水平且有均布水荷载模式下进行计算。

主动土压力的土取自然状态下的平均容重

=19.1KN/m3，内摩擦角φ取20°（参照《工程地质纵断面图》中的CZK12孔）。

因土处于饱和水状态，为简化计算，不考虑土的粘聚力及土对钢板桩的竖向摩擦力。

B点处水压力强度eBw=

wH=10×3=30KN/m2

主动土压力系数ka=tg2（45-φ/2）=tg2（45-20/2）=0.49

被动土压力系数kp=tg2（45+φ/2）=tg2（45+20/2）=2.04

水的当量土高度h=eBw/（

*ka）=30/（19.1×0.49）≈3.21m

基坑底处土压力强度eDs=

*H*ka=19.1×（3.21+6.26）×0.49=88.63KN/m2

钢板桩上土压力强度等于零点离挖土面距离y=eDs/[

*（Kkp-ka）]=1.67m

4.3.2将AE段梁当作钢板桩的等值梁，按三跨连续梁计算其支点反力和最大弯距

受力模型图（按围堰1m宽计算单位：

集中力KN、均布力KN/m、长度m）：

剪力图（单位：

KN）：

弯距图（单位：

KN.m）：

计算结果如下：

RA=26.18KN

RB=-44.75+36.42=-8.33KN

RC=220.18+143.75=363.93KN

RE=126.21KN

Mmax=-199.47KN.M

4.3.3根据RE和墙前被动土压力相等的原理，求x值，确定钢板桩的长度。

RE=

ps*（Kkp-ka）*x2/6

126.21=19.1*（1.6*2.04-0.49）*x2/6x=3.78m

入土深度t=（x+y）*1.1=（1.67+3.78）*1.1=6.0m

桩长L=7.16+2.6+6=15.76m，拟选用桩长16m的钢板桩。

4.3.4验算钢板桩的强度

钢板桩拟选用德国拉森Ⅳ型钢板桩：

每1m宽对b边（长边）截面模量W=2037cm3；钢板桩允许抗弯应力取[σ容]=170MPa；钢板桩允许抗剪应力取[τ容]=95Mpa。

拉应力σ=Mmax/W

=（199.47*103）/（2037*10-6）=97.9Mpa<[σ容]=170Mpa

剪应力τ=1.5Qmax/A=1.5*220.18*103/0.01=33.02Mpa<[τ容]=95Mpa

所以，采用德国拉森Ⅳ型钢板桩强度满足要求。

4.3.5、工况（三）计算围囹、水平支撑

4.3.5.1、第一道围囹、水平支撑强度及刚度验算

根据第一道边框围囹处的支点反力，初步确定第一道支撑的布置形式为：

边框围囹支撑采用双拼2[25a型槽钢，内部水平支撑采用双拼2[25a槽钢，形成口对口组合断面[]形式，并用钢板焊接连接。

边框围囹按多跨连续梁进行计算，跨径按2.2m、3m、2.8m、3m、2.2计。

1、第一道围囹强度及刚度验算

作用在第一道边框围囹的边:

26.18KN/m

双拼2[25a型槽钢:

EI=2*210000000*3370*10-8=14154KN.m2

EA=2*210000000*34.9*10-4=1465800KN

1）边框围囹强度验算

双拼2[25a槽钢，W=270cm3，I=3370cm4

Mmax=18.42KN.M

δmax=Mmax/W=（18.42×103）/（270×2×10-6）=34.1MPa<145MPa，强度满足要求。

2）边框围囹刚度验算

ｆ=0.677

=（0.677*26.18*103*34）/（100*2.1*105*106*3370×2×10-8）=1×10-3m

=1㎜

2、第一道内部水平支撑轴心抗压稳定性验算

采用双拼2[25a槽钢，形成[]断面形式，

轴心力N=76.41×2=152.82KN

i=0.44b=0.44×15.6=6.864cm

l=8.8-0.25×2=8.3m

λ=l/i=8.3/0.06864=121

查表得，轴心受压构件的稳定系数φ=0.432

δ=N/ФA=152.82×103/（0.432×34.9×10-4×2）

=50.7MPa<145MPa，满足要求。

4.3.5.2、第二道围囹、水平支撑强度及刚度验算

在工况（三）下,第二道边框支撑处的支点反力较小（8.33KN/m），对其暂时不予验算。

4.3.5.3、第三道围囹、水平支撑强度及刚度验算

在工况（三）下,第三道边框支撑处的支点反力363.93KN/m，初步确定第三道支撑的布置形式为：

边框围囹支撑采用双拼2Ⅰ40a型槽钢、形成组合断面ⅠⅠ形式，内部水平支撑采用φ600×8mm钢管，边框围囹按多跨连续梁进行计算，见下图。

1）边框围囹强度验算

双拼2I40a槽钢，W=1090cm3，I=21720cm4

Mmax=256.06KN.M

δmax=Mmax/W=（256.06×103）/（1090×2×10-6）=117.5MPa<175MPa强度满足要求。

2）边框支撑刚度验算

ｆ=0.677

=（0.677*363.93*103*34）/（100*2.1*105*106*21720×2×10-8）=2.2×10-3m

=2.2㎜

3）内部水平支撑轴心抗压稳定性验算

内部水平支撑采用φ600×8mm钢管，轴心力N=1062.17×2=2124.34KN

i=20.93cmA=148.79cm2

l=8.8-0.4×2=8m

λ=l/i=8/0.2093=38

查表得，轴心受压构件的稳定系数φ=0.946

δ=N/ФA

=2124.34×103/（0.946×148.8×10-4）=150.9MPa<170MPa，满足要求。

4.4、工况

（一）条件下，即架设第二道支撑前，第一道支撑支点反力计算：

工况

（一）：

基坑底处土压力强度e=

*H*ka=19.1×（3.21+0.5）×0.49=34.7KN/m2

钢板桩上土压力强度等于零点离挖土面距离y=e/[

*（Kkp-ka）]=0.65m

工况

（一）下计算结果：

第一道边框支撑支点反力RA=36.88KN/m

钢板桩上弯矩Mmax=60.54KN.M＜185.10KN.M（钢板桩满足要求）

1、第一道围囹强度及刚度验算

作用在第一道边框围囹的边:

36.88KN/m

双拼2[25a型槽钢:

EI=2*210000000*3370*10-8=14154KN.m2

EA=2*210000000*34.9*10-4=1465800KN

1）边框围囹强度验算

双拼2[25a槽钢，W=270cm3，I=3370cm4

Mmax=25.95KN.M

δmax=Mmax/W=（25.95×103）/（270×2×10-6）=48.0MPa<145MPa，强度满足要求。

2）边框围囹刚度验算

ｆ=0.677

=（0.677*36.88*103*34）/（100*2.1*105*106*3370×2×10-8）=1.4×10-3m

=1.4㎜

2、第一道内部水平支撑轴心抗压稳定性验算

采用双拼2[25a槽钢，形成[]断面形式，

轴心力N=107.64×2=215.28KN

i=0.44b=0.44×15.6=6.864cm

l=8.8-0.25×2=8.3m

λ=l/i=8.3/0.06864=121

查表得，轴心受压构件的稳定系数φ=0.432

δ=N/ФA=215.64×103/（0.432×34.91×10-4×2）=71.5MPa<145MPa，满足要求。

4.5、工况

（二）条件下，即架设第三道支撑前，第一、二道支撑支点反力计算：

工况

（二）：

第二道支撑设置完毕，抽水并开挖到第三道支撑下50cm处，准备架设第三道支撑，此时可假定钢板桩下端支撑于钢板桩土压力强度等于零的点，上端支撑与第一道支撑，钢板桩按二跨连续梁进行计算。

基坑底处土压力强度e=

*H*ka=19.1×（3.21+2.9）×0.49=57.2KN/m2

钢板桩上土压力强度等于零点离挖土面距离y=e/[

*（Kkp-ka）]=1.08m

工况

（二）下计算结果：

第一道边框支撑支点反力RA=0.26KN/m（不必再验算）

第二道边框支撑支点反力RB=159.05KN/m

钢板桩上弯矩Mmax=62.28KN.M＜167.12KN.M（钢板桩满足要求）

1、第二道围囹强度及刚度验算

作用在第二道边框围囹的边:

159.05KN/m

1）边框围囹强度验算

双拼2I40a槽钢，W=1090cm3，I=21720cm4

Mmax=111.91KN.M

δmax=Mmax/W=（111.91×103）/（1090×2×10-6）=51.3MPa<145MPa强度满足要求。

2）边框围囹刚度验算

ｆ=0.677

=（0.677*159.05.12*103*34）/（100*2.1*105*106*21720×2×10-8）=1.0×10-3m

=1.0㎜

3）内部水平支撑轴心抗压稳定性验算

内部水平支撑采用φ600×8mm钢管，轴心力N=464.2×2=928.4KN

i=20.93cmA=148.79cm2

l=8.8-0.4×2=8m

λ=l/i=8/0.2093=38

查表得，轴心受压构件的稳定系数φ=0.946

δ=N/ФA

=928.4×103/（0.946×148.8×10-4）=66.0MPa<145MPa，满足要求。

4.6、钢板桩围堰稳定性分析与验算

4.6.1基坑隆起计算

对于钢板桩入土深度较深，且本身钢度较大，按下面公式验算：

K=2·

·H·Ka·tgφ+2

C+2·

·H2·Ka·tgφ+4HC

·H（q+

·H）h

≥1.0

式中：

H——钢板桩的深度（扣除水底部分），H=12.26m

h——基坑开挖深度，h=6.26m

q——水底压强，q=30Kpa

Ka——主动土压力系数，Ka=0.49

C——土的粘聚力1.5Kpa

φ——土的内摩擦角，φ=200

算得K=1.04≥1.0,故不会发生基坑隆起。

5．2基坑底管涌验算

不产生管涌的安全条件为:

/j≥1.5j=i·

i=h/（h+2·t）

式中：

K——抗基坑底管涌安全系数；

——水容重，

=10KN/m3；

——土的浮容重，

=19.1-10=9.1KN/m3；

i——水力梯度，i=h/（h+2·t）；

j——最大渗流力（动水压力）；

h——水位至坑底的距离，h=9.26m；

t——钢板桩的入土深度，t=6m；

算得K=2.3,故不会发生基坑底管涌。

5．3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h＋2t，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：

Ks×i×ρw×g≤ρc×g×h

式中：

Ks――安全系数，取1.05；

i――水力梯,i=h/（h+2·t）；

ρw、ρc――分别为水与砼密度

h——水位至坑底的距离，h=9.26m；

t——钢板桩的入土深度，t=6m；

则：

1.05×9.26/（9.26+6×2）×1.0≤2.3×x

得：

x=0.20m，取封底砼厚度50cm。

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