桥墩基坑钢板桩支护设计.docx

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桥墩基坑钢板桩支护设计

摘要

的具体工程特点、地质资料等情况，分析了钢板桩的基本资料，以及施工工况的划分，应用专业设计软件建立了有限元分析模型，进行了内支架焊缝强度验算和基坑稳定性验算，确定了钢板桩施工方案以及工艺流程。

在此基础上确定了劳动力组织和工期进度计划。

本文主要工作为有限元模型分析以及相关计算，以求对类似工程有借鉴意义。

关键词：

基坑钢板桩有限元模型施工方案

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Keyword：

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目录

1.选题背景3

2.选题的目的与意义3

3.国内外研究现状3

4.研究内容4

4.4、工程概况5

4.4.1、桥型和结构5

4.4.2、水文资料5

4.4.3、气象资料6

4.4.4、通航资料6

4.4.5、工程地质6

4.5钢板桩及支撑系统内力计算6

4.5.1、基本资料6

4.5.1.1）、钢板桩围堰设计与施工条件6

4.5.1.2）河床底土层性能指标7

4.5.1.3）土压力系数7

4.5.1.4）水流压力7

4.5.1.5）拉森钢板桩FSⅣ型的技术参数7

4.5.1.6）钢板桩支护基本结构尺寸8

4.5.2、施工流程8

4.5.3、围堰施工阶段工况计算9

4.5.3.1）计算参数9

4.5.3.2）计算荷载9

4.5.3.3）静水压力9

4.5.4流水压力10

4.5.5波浪力10

4.5.6建模思路及边界条件10

4.5.6.1计算工况的确定10

4.5.6.2计算结果11

4.5.7、内支撑焊缝强度验算16

4.6、基坑底稳定性验算17

4.6.1基坑底管涌验算17

4.6.2、C30封底混凝土强度验算17

4.6.3、围堰抗浮稳定性验算18

4.7钢板桩施工方案19

4.7.1施工工艺流程19

4.7.2、施工方案20

4.7.2.1施工准备20

4.7.2.2测量放样20

4.7.2.3钢板桩的插打21

4.7.2.4钢板桩围堰合拢措施保证21

4.7.2.5、围堰内抽水、吸砂石、安装内支撑及水下封底22

4.7.3、劳力组织23

4.7.4、主要机械设备配置及材料投入24

4.7.5、工期安排24

4.7.6、安全保证措施26

4.7.6.1、组织机构26

4.7.6.2、安全目标26

4.7.6.3、安全保证措施26

4.7.6.4、教育与培训26

4.7.6.5、现场管理27

4.7.6.6、安全用电27

4.7.6.7、防火、防爆27

4.7.6.8、高空作业27

4.7.6.9、吊装作业28

4.8、结论28

参考文献29

1.选题背景

随着经济的发展、城市化进程的加快、人民生活水平的不断提高，运输需求显得越来越旺盛，既有的运输能力已表现出明显的不足，特别是铁路运输已经不能适应国民经济的发展需要，成为制约我国经济发展的“瓶颈”。

为满足国民经济快速发展的要求，我国制定了《中长期铁路网规划》，加快我国铁路网建设，2012年，我国铁路建设投资力度明显加大，全国铁路基建投资计划经过了四次调整，由年初的4060亿元一再追加到5160亿元，增加超千亿元。

据悉，2013年的铁路基建投资达5200亿元，铁路投资或将迎来新的春天。

我国是世界高铁运营里程最长的国家，其高铁科技水平具有世界先进的标志性和代表性。

通过前期技术研究以及秦沈客运专线的设计、施工、运营实践，中国铁路综合技术水平得到大幅度提高，为中国铁路客运高速化的进程奠定了坚实的基础。

近年，京沪高铁、京广高铁、哈大客专及京津城际、宁杭城际等陆续建成通车，进一步完善了路网结构，极大提高了铁路运力，改善了人们的出行条件。

2.选题的目的与意义

我国铁路工作者对高速铁路的建设经过多年的不断研究和探索，通过高速铁路的建设，取得了丰富的高速铁路建设经验，极大地提高了我国高速铁路建设技术水平。

为满足高速铁路运行安全及舒适度等要求，高速铁路的坡度、弯曲半径、线路沉降等技术指标均高于普通铁路技术要求，为适应技术要求，综合考虑建设成本等因素，在高速铁路中桥梁占线路的比重较大，京沪高铁建设中这个比例达到了80%以上。

目前，高速铁路桥梁建设已形成一套比较完善的技术标准，上部结构大量采用工厂化、标准化施工作业，更好地保障了施工建设质量，提高了施工生产效率。

随着科学技术的发展、人们对环境保护的更加重视、劳动力成本的提高，未来桥梁设计将更加精细，更多地考虑美学因素，并促进新技术、新工艺、新材料、新装备的研发应用；桥梁施工将进一步向工厂化、标准化发展，不断提高劳动生产效率，新的施工方案、工艺、机具设备将得到开发应用，装备将更加高效、智能化。

3.国内外研究现状

基坑支护是古老而又具有很强时代特点的岩土工程课题。

远古时代人们就己经运用了简易本桩围护和放坡开挖技术,之后人类进行的土木工程活动又促进了基坑工程的发展到了近代,随着大量的地下工程和高层建筑的不断增多,对基坑工程的要求越来越高,使得工程技术人员以发展的眼光重新去看待基坑工程这一古老的课题,许多新的理论经验以及研究方法不断出现、并得以发展和完善。

20世纪30年代初,Terzaghi等人己经开始研究基坑工程中存在的岩土问题,40年代,Terzaghi和Peck等人提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法,50年代Bjermm和Eide提出了深基坑底板隆起的分析方法[7-9]。

自1958年德国Bauer公司利用钻孔注衆技术在深基础施工中施工土层錨杆取得成功以来,各国工程技术界就广泛重视锚杆技术的应用,并在地下厂房、隧洞、水坝加固、基坑护壁和边坡加固等工程中大量应用并先后制定了适合本国的有关锚杆的规范。

60年代,仪器监测在奥斯陆和墨西哥城软土深基坑中开始使用,70年代起,

又陆续出现了指导基坑开挖的法规。

我国基坑的发展比国外的发展较晚。

1984

年,孙更生、郑大同教授主编的《软土地基与地下工程》才全面介绍了软土地区

的基础工程和地下工程的实践经验;到1990、1999年由陈仲颐、叶书麟主编的《基础工程学》和陈忠汉和程丽萍主编的《深基坑工程》才全面反映了我国在基础工程领域实践经验。

九十年代后期,《基坑工程手册》,《深基坑支护结构实用内力计算手册》,《深基坑工程实用技术》、《深基坑支护结构工程实例》等国家行业标准的有关法规也相继出台,对我国的基坑工程的发展产生了重大的影响和推动。

随着开挖深度的增加,由于放坡面空间受到限制,基坑工程由早期的放坡开挖发展到支护开挖,已有了数十种支护形式。

如悬臂支护、内支撑或拉锚支护、

组合型支护等。

最早的支护结构常采用木桩,现在常采用土钉墙、地下连续墙钢

板桩等形式。

随着人们对地下空间的开发和利用的不断增加以及超高层建筑的不断增多,基坑工程不仅数量增多,而且向更大更深方向发展,支护理论的发展以及施工技术和监测技术的进步不断加快。

另外,土与结构相互作用及土与结构变形的正确估算在支护结构设计中更受人们重视考虑,建立实用反演数学模型、开挖性态反演分析及信息化施工、开挖机械中的新方法和新设备在基坑工程设计、施工组织中发挥更大作用。

4.研究内容

4.1研究背景

随着大量的地下工程和高层建筑的不断增多,对基坑工程的要求越来越高,使得工程技术人员以发展的眼光重新去看待基坑工程这一课题,许多新的理论经验以及研究方法不断出现、并得以发展和完善’

4.2研究意义

通过研究牌头浦阳江特大桥188#桥墩具体施工方案进行比较和学习从而了解桥梁江河中施工的难点和解决办法，工程地质对桥墩造成的影响，以及桥梁在水中如何更好的安排施工组织.劳力分配机械使用和工期安排等问题

4.3研究内容

4.3.1钢板桩及支撑系统内力计算部分，研究确定相关技术参数，确定钢板桩支护基本结构尺寸，围堰施工阶段划分和工况计算，建立有限元模型、相关强度验算。

4.3.2基坑稳定性验算部分：

重点验算坑底混凝土强度验算、管涌验算、围堰抗浮稳定性相关验算。

4.3.3钢板桩施工方案部分：

重点确定施工工艺、施工流程、施工方案、劳动力组织、工期安排、安全保证措施等内容。

4.4、工程概况

4.4.1、桥型和结构

牌头浦阳江特大桥桥址位于诸暨市境内,大桥起点到终点的里程为：

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。

4.4.2、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。

4.4.3、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。

4.4.4、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。

4.4.5、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4/25粉土、细圆砾土（Q4al），泥质粉砂岩、砂岩、含砾砂岩强风化、弱风化。

4.5钢板桩及支撑系统内力计算

4.5.1、基本资料

4.5.1.1）、钢板桩围堰设计与施工条件

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]=150Ka

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]=188.5Ma，允许剪应力[τ]=110.5Ma

13）、拉森钢板桩FSⅣ型的允许应力：

[σ]=273Ma，允许剪应力[τ]=156Ma

4.5.1.2）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=100Ma;

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=300Ma;

4.5.1.3）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:

4.5.1.4）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。

4.5.1.5）拉森钢板桩FSⅣ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FSⅣ型，拉森钢板桩FSⅣ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WxW=2270cm3、半截面面积矩Sx=96.99×（4670÷362）×﹙50÷40﹚=1564cm3

4.5.1.6）钢板桩支护基本结构尺寸

如下图所示：

图2.1钢板桩支护基本结构

4.5.2、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。

4.5.3、围堰施工阶段工况计算

4.5.3.1）计算参数

Q235钢材的弹性模量E=2.06×105Ma，容重为76.98KN/m3，泊松比为0.3

C30混凝土的弹性模量E=3×104Ma，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=100Ma,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=300Ma,泊松比为0.25;

4.5.3.2）计算荷载

自重采用MIDAS-CIVIL中的自重自动加载。

重力加速度值为9.806m/s2。

4.5.3.3）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150Ka。

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:

4.5.4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。

4.5.5波浪力

波浪力按=15Ka，浪高3m计算。

4.5.6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

图2.2围堰模型

4.5.6.1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，安装第一道内支撑（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）。

4.5.6.2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FSⅣ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

图2.3各种工况图

对计算结果进行汇总，见下表：

附表2-1

表2-1计算结果汇总表

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

218Ma

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。

4.5.7、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

4.6、基坑底稳定性验算

4.6.1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。

4.6.2、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1=88Ka，底面以上考虑11.3m水压，则封底混凝土顶面压力为2=113Ka；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，max=RE=549.4KN/m，则封底混凝土顶面压力为3=max=549.4KN/m。

故封底混凝土所受压力取＝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。

计算如下：

图3.1四边简支矩形双向板计算

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

:

作用在封底板的反力，=641.6KN/m

M1=0.0368×L12

=0.0368×549.4×4.52

=409.4KN.m

M2=0.00368×L22

=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。

4.6.3、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