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1、水中拉森板桩围堰计算1 工程概况- 1 -天津吉兆桥采用 4 墩 3 跨方式跨越海河，跨径布置为 55+90+55m，4 #、5#号为水中墩，位于河道中，结构形式相同，每墩基础为 16 根直径 1.8m 的钻孔桩，桩长 75m；承台为埋入式，底标高为-10.0m，平面尺寸为41.1m7.7m，厚度为 3.0m；承台上设板式墩身。具体结构如下图： 41.7.3.+15-04#、5#墩结构图2 钢板桩围堰布置主墩基础施工拟采用钢板桩围堰法。钢板桩采用拉森型钢板桩，材质SY295，单根长度为 22m，围堰平面尺寸为 43.29.6m，共设置三道内支撑。围堰顶高程为+2.5m，围堰底高程为-19.5m
2、，承台底高程为-10m，封底混凝土厚3m。钢板桩围堰施工步骤：（1）钻孔桩施工结束后拆除钻孔平台，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；（2）依次插打钢板桩至合拢；（3）围堰内抽水至-3.4m，在-2.4m 处安装第二道内支撑；（4）第二道内支撑安装后围堰内加水至围堰外水位，水下吸泥、清淤至-13.0m；（5）搭设封底施工平台、布置封底砼导管,水下浇筑封底砼；（6）待封底砼达到设计强度后，围堰内抽水至-7.3m，在-6.3m 处安装第三道内支撑；（7）抽光围堰内水后凿除桩头，施工承台；（8）承台模板拆除后，向钢板桩与承台间间回填细砂并在顶部浇注 40cm厚 C3
3、0 砼圈梁，拆除第三道内支撑；（9）施工第一节墩身至第一道内支撑下方（顶标高不低于+0.5m） ；- 2 -（10）向围堰内注水至-3.0m，拆除第二道内支撑；（11）继续向围堰内注水至+0.0m，拆除第一道内支撑；（12）继续施工余下墩身；（13）依次拔出钢板桩。3 计算假设及基本参数3.1 计算假设（1）由于 4#墩河床较 5#墩河床高，围堰受力较 5#墩更不利，使用本设计取 4#墩围堰进行计算；（2）计算时取 1m 宽单位宽度钢板桩；（3）假设钢板桩在封底砼面以下 0.5m 处固结。3.2 土层参数根据设计图纸提供的工程地质报告，4#墩地质取值如下：土层名称层顶标高层底标高土层厚度容重（
4、kN/m 3）内摩擦角（）粘聚力（kPa）粉土 -5.58 -7.14 1.56 19.9 29.8 11.4粉质粘土 -7.14 -17.34 10.20 19.6 15.0 20.8粉土 -17.34 -19.24 1.90 20.6 26.1 11.9粉质粘土 -19.24 -19.7 0.46 19.6 16.7 27.13.3 钢板桩截面参数本工程使用钢板桩截面参数特性值如下表单根钢板桩 每延米钢板桩宽 侧厚 壁厚 面积 惯性矩 截面矩B H t A IX ZX钢板桩 型号mm mm mm cm2/m cm4/m cm3/mSkSP-SX27 600 210 18 225.5 567
5、00 2700围堰主梁、内支撑结构用料序号 位置 墩号 规格 截面面积 （cm 2） 主截面矩 （cm 3）1 第一道 主梁 2I45b 2111 215002 第二道、第三道 主梁 2I63b 2167 231643 第一、二、三道 内支撑 530mm，12mm 195- 3 -4 计算依据（1）施工图纸、施工水位及地质资料（2） 铁路桥涵施工规范 （TB10203-2002）（3） 钢结构设计规范 （GB50017-2003） 。（4） 简明施工计算手册中国建筑工业出版社5 钢板桩及内支撑分析计算5.1 主、被动土压力计算本工程钢板桩施工范围内土层为粉土、粉质粘土，均为强透水性土层，水压力
6、计算时均考虑采用水土分算法（即土压力为按土的浮容重计算的有效土压力与土体间孔隙水的水压力之和） 。主、被动土压力系数及被动土修正系数如下表：土层名称 内摩擦角 （） Ka aKKp p被动土修正系数 k粉土 29.8 0.34 0.58 2.98 1.73 1.56粉质粘土 15.0 0.59 0.77 1.70 1.30 1.17粉土 26.1 0.39 0.62 2.57 1.60 1.44粉质粘土 16.7 0.55 0.74 1.81 1.34 1.215.2 钢板桩计算计算工况按照施工工序分为：工况一 第一道内支撑安装后，围堰内抽水至-3.4m；工况二 第二道内支撑安装后围堰内加水至
7、围堰外水位，水下吸泥、清淤至-13.0m；工况三 封底砼达到强度后，围堰内抽水至-7.3m；工况四 第三道内支撑安装后围堰内抽光水；工况五 承台施工后向钢板桩与承台间回填细砂并在顶部浇注 40cm 厚 C30砼圈梁，拆除第三道内支撑。工况六 第一节墩身施工后，拆除第一道内支撑。- 4 -钢板桩及内支撑计算根据上述施工工况，计算各支撑在各工况可能出现的最大反力和钢板桩最大内力。在计算时，各工况下钢板桩计算长度按等值梁法确定，从主动土压力与被动土压力相等的反弯矩截面（即净土压力为零或弯矩为零）截断形成等值梁计算支撑反力和钢板桩弯矩。工况一：第一道内支撑安装后，围堰内抽水至-3.4m；假设钢板桩上土
8、压力等于零的点离河床面的距离为 y，则在 y 处板桩前的被动土压力等于板桩后的主动土压力，即 ，wpaee)18.2()08.7(yKyKwpwa )18.2(0956.1349. yy解得:y=1.15m则等值梁计算长度为：0.5+4.9+2.18+1.15=8.73mPa(3.4m)= 水 =0+104.9=49 kN/m2hKa采用 midas 建立模型计算如下：- 5 -荷载分布图(KN/m) 支撑反力图(kN) 钢板桩弯矩图(kN.m)工况二 第二道内支撑安装后围堰内加水至围堰外水位，水下吸泥、清淤至-13.0m；根据： ，wpaee- 6 -)5.14()5.14( yyKyKwp
9、wa 7.69)86.(9.59.0 解得:y=3.16m则等值梁计算长度为：0.5+3.9+10.6+3.16=18.16mPa(5.58 m)= =0hKaPa(7.14 m) 上 = =0.349.91.56=5.3 kN/m2Pa(7.14 m) 下 = =0.599.91.56=9.1 kN/m2aPa(13.0 m)= =0.59（9.91.56+9.65.86）=42.3 kN/m 2hK采用 midas 建立模型计算如下：荷载分布图(KN/m) 支撑反力图(kN) 钢板桩弯矩图(kN.m)工况三 封底砼达到强度后，围堰内抽水至-7.3m；- 7 -本工况等值梁长度取值时考虑到封
10、底面浮浆等因素，计算封底面取设计封底面以下 0.5m 处，即-10.5m。等值梁计算长度为：0.5+3.9+4.9+2.7+0.5=12.5mPa(5.58 m)= 水 =0+107.08=70.8 kN/m2hKaPa(7.14 m) 上 = 水 =0.349.91.56+108.64=91.7 kN/m2Pa(7.14 m) 下 = 水 =0.599.91.56+108.64=95.5 kN/m2aPa(7.3 m)= 水 =0.59（9.91.56+9.60.16 ）+108.8hK=98 kN/m2Pa(10.5 m)= 水 =0.59（9.91.56+9.63.36 ）+108.8a
11、=116.1 kN/m2采用 midas 建立模型计算如下：- 8 -荷载分布图(KN/m) 支撑反力图(kN) 钢板桩弯矩图(kN.m)工况四 第三道内支撑安装后围堰内抽光水；本工况下等值梁长度同工况三，等值梁计算长度为 12.5m。- 9 -Pa(10.5 m)= 水 =0.59（9.91.56+9.63.36 ）+1012hKa=148.1 kN/m2采用 midas 建立模型计算如下：荷载分布图(KN/m) 支撑反力图(kN) 钢板桩弯矩图(kN.m)工况五 承台施工后向钢板桩与承台间回填细砂并在顶部浇注 40cm 厚 C30砼圈梁，拆除第三道内支撑。本工况下假设等值梁下支撑点位于砼冠
12、梁 1/2 厚度处，即-7.2m。- 10 -则等值梁计算长度为 0.5+3.9+4.8=9.2mPa(7.2 m)= 水 =0.59（9.91.56+9.60.06 ）+108.7hKa=96.5 kN/m2采用 midas 建立模型计算如下：荷载分布图(KN/m) 支撑反力图(kN) 钢板桩弯矩图(kN.m)工况六 第一节墩身施工后，拆除第一道内支撑。- 11 -此时钢板桩最大弯矩为钢板桩悬臂顶端。Mmax= =98.9kN.m3.19.2根据上述工况计算，钢板桩内力及内支撑支撑反力计算结果汇总如下表：计算工况钢板桩最大弯矩 (kN.M)第一道内支撑反力(kN)第二道内支撑反力(kN)第三
13、道内支撑反力(kN)工况一 292.3 89工况二 344.7 -69.2 164.2工况三 462.7 -74.4 476.4工况四 170.4 13.7 131 416.7工况五 127.9 -2.4 233.8工况六 98.9钢板桩最大弯矩发生在工况三：M max=462.7 kNm max= Mmax/W=462.7/2700103171.4MPa/1.5295/1.5=196.7MPa，满足要求！5.3 内支撑计算取上述工况计算下最大支撑反力作为内支撑设计依据：第一道内支撑支撑反力为 89kN/m，第二道内支撑支撑反力为 476.4kN/m，第三道内支撑支撑反力为 416.7 kN/
14、m。第一道内支撑支撑反力较小，支撑布置刚度较大主要为满足钢板桩插打导向架功能，这里不予计算，第二、三道支撑结构形式相同，取受力较大的第二道内支撑计算。第二道内支撑圈梁采用 2I63a，支撑钢管采用 530-12,其截面特性如下：- 12 -取第二道内支撑采用 midas 整体建模如下：计算结果如下：变形图（mm）轴力图（KN）- 13 -弯矩图（kN.m）剪力图（kN）组合应力图（MPa）由以上计算结果可知，圈梁、钢管最大组合应力均满足要求！6 围堰封底混凝土验算6.1 围堰整体抗浮验算计算参数：封底混凝土计算厚度 2.6m，围堰尺寸：43.2m9.6m；桩基外径为 1.8m，共 18 根；钢
15、与混凝土粘结力：一般取 100-200kN/m2，这里取 110 kN/m2；混凝土容重：23kN/m 3；围堰封底混凝土底高层：-13.0m；封底混凝土底上浮力：P=1014.5（43.29.6-3.140.9 218）=53496.1kN封底混凝土自重：- 14 -G=232.6（43.29.6-3.140.9 218）=22062.5kN护筒粘结力：T1=2.63.141.818110=29096.5 kN钢板桩与封底混凝土的粘结力：T2=2（43.2+9.6）2.6110=30201.6 kN则抗浮安全系数为：K=（G+T1+T2）/P=81360.6/53496.1=1.51.05，抗浮满足要求！6.2 护筒粘结力验算取 4.6m4.6m 的一个区域内护筒承受的剪力为：Q=1014.5-232.6 (4.64.6-3.140.92)=1586.1kN=Q/A=1586.1/(1.83.142.6)=107.9kN/m 2，满足要求！
