钢板桩围堰计算书.docx
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钢板桩围堰计算书
佛山市禅西大道季华路至樵乐路段
工程一标石湾特大桥
16#钢板桩围堰
计算书
计算:
复核:
审核:
中铁大桥局集团三公司技术发展中心
2010年01月
16#墩基坑开挖计算
一、设计资料
1、工程概况
国道325线佛山市罗村街边至龙江仙塘改线工程北起佛罗路街边，南至龙江镇狮子岗为终点，全长22km。
石湾特大桥为双塔箱梁斜拉桥，14#～16#墩的跨径为90.5m+150m+90.5m。
主塔16＃基础位于樵乐路边缘，采用钢板桩围堰施工，桩基施工完成后，开挖进行承台施工。
2、地质水文状况
桥位处于东平水道，常水位+0.73m，设计最高通航水位+6.38m。
地层组成：
表层回填河砂，淤泥质亚粘土（亚粘土），粉砂，下部为全风化粗砂岩（泥岩）。
钢板桩桩顶设计标高+2.0m，桩底标高-16.0m。
为简化计算，将钢板桩进入的全风化粗砂岩（泥岩）简化为粉砂计算，因全风化混合岩内摩擦角和粘聚力均比粉砂大，因此计算结果偏安全的。
类型
（KN/m3）
（KN/m3）
C（KPa）
φ
Ka
Kp
回填砂土
19.0
9.0
0.0
30
0.333
3
淤泥质土
16.9
6.9
6.0
4.7
0.849
1.179
亚粘土
19
9
25.1
14.1
0.608
1.644
粉砂
20.2
10.2
14
27.9
0.362
2.759
二、计算：
排水开挖方案
钢板桩采用拉森Ⅳ型，截面抵抗矩Wb=2037cm3，容许应力260MPa，单位重量75kg/m。
首先插打钢板桩，排水开挖至-1.0m，在标高0.0m处安装围堰第一道内支撑；其次排水开挖至-4.0m，在标高-3.5m处安装围堰第二道内支撑；再次排水开挖至-7.0m，在标高-6.5m处安装围堰第三道内支撑；继续排水开挖至-9.0m，浇筑0.6m厚的砼垫层；拆除第三道内支撑；最后承台施工。
采用理正深基坑计算软件进行计算分析
取最不利一侧为计算单元：
本计算是以排水开挖为实际情况进行建模计算，
1、钢板桩连续墙支护
2、基本信息
内力计算方法
增量法
规范与规程
《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99
基坑等级
二级
基坑侧壁重要性系数γ0
1.00
基坑深度H（m）
12.000
嵌固深度（m）
6.000
墙顶标高（m）
0.000
连续墙类型
钢板桩
├每延米板桩截面面积A（cm2）
236.00
├每延米板桩壁惯性矩I（cm4）
39600.00
└每延米板桩抗弯模量W（cm3）
2037.00
有无冠梁
无
放坡级数
1
超载个数
1
支护结构上的水平集中力
0
2、放坡信息
坡号
台宽（m）
坡高（m）
坡度系数
1
2.000
1.000
1.000
3、超载信息
超载
类型
超载值
作用深度
作用宽度
距坑边距
形式
长度
序号
（kPa,kN/m）
（m）
（m）
（m）
（m）
1
20.000
---
---
---
---
---
4、附加水平力信息
水平力
作用类型
水平力值
作用深度
是否参与
是否参与
序号
（kN）
（m）
倾覆稳定
整体稳定
5、土层信息
土层数
3
坑内加固土
否
内侧降水最终深度（m）
12.000
外侧水位深度（m）
2.27
内侧水位是否随开挖过程变化
是
内侧水位距开挖面距离（m）
0.000
弹性计算方法按土层指定
√
弹性法计算方法
---
6、土层参数
层号
土类名称
层厚
重度
浮重度
粘聚力
内摩擦角
（m）
（kN/m3）
（kN/m3）
（kPa）
（度）
1
细砂
4.20
19.0
9.0
0.00
30.00
2
淤泥质土
6.00
16.9
6.9
6.00
4.70
3
粉砂
10.00
20.2
10.2
14.00
27.90
层号
与锚固体摩
粘聚力
内摩擦角
水土
计算方法
m,c,K值
抗剪强度
擦阻力（kPa）
水下（kPa）
水下（度）
（kPa）
1
35.0
0.00
30.00
分算
m法
15.00
---
2
18.0
6.00
4.70
合算
m法
0.57
---
3
35.0
14.00
27.90
合算
m法
14.18
---
7、支锚信息
支锚道数
3
支锚
支锚类型
水平间距
竖向间距
入射角
总长
锚固段
道号
（m）
（m）
（°）
（m）
长度（m）
1
内撑
1.000
3.000
---
---
---
2
内撑
1.000
3.500
---
---
---
3
内撑
1.000
3.500
---
---
---
支锚
预加力
支锚刚度
锚固体
工况
锚固力
材料抗力
材料抗力
道号
（kN）
（MN/m）
直径（mm）
号
调整系数
（kN）
调整系数
1
0.00
100.00
---
2～
---
300.00
1.00
2
0.00
100.00
---
4～
---
300.00
1.00
3
0.00
100.00
---
6～
---
300.00
1.00
8、土压力模型及系数调整]
弹性法土压力模型:
经典法土压力模型:
层号
土类名称
水土
水压力
主动土压力
被动土压力
被动土压力
调整系数
调整系数
调整系数
最大值（kPa）
1
粘性土
分算
1.000
1.000
1.000
10000.000
2
淤泥质土
合算
1.000
1.000
1.000
10000.000
3
淤泥质土
合算
1.000
1.000
1.000
10000.000
9、工况信息]
工况
工况
深度
支锚
号
类型
（m）
道号
1
开挖
3.500
---
2
加撑
---
1.内撑
3
开挖
7.000
---
4
加撑
---
2.内撑
5
开挖
9.5
---
6
加撑
---
3.内撑
7
开挖
12.0
---
三：
结构设计结果
[结构计算]
---------------------------------------------------------------------
各工况：
内力位移包络图：
（本图上侧数据为弹性法，下侧为经典法）
工况8：
浇筑砼垫层，拆除第三道支撑后，准备浇筑承台：
计算图式见下图。
由于有砼垫层的支撑，可以认为砼对钢板桩为刚性支撑，支撑位置设为-8.6m处，将外荷载输入Sap2000程序中计算
由此计算得钢板桩内支撑的反力T1＝12.31KN，T2＝244.62KN。
钢板桩最大弯矩Mmax＝169.6KN·m，最大剪力为Qmax＝187.1KN
本结构采用弹性法计算结果进行验算。
根据以上计算钢板桩承受最大弯矩为Mmax＝448.62KN.m，最大剪力为Qmax＝347.5KN。
拉森Ⅳ型钢板桩剪切面积取钢板桩肢在剪力方向的面积，A＝155×9×5＝6975mm2，钢板桩应力：
。
满足设计要求
四、整体稳定验算
滑裂面数据
整体稳定安全系数Ks=1.650
圆弧半径（m）R=17.292
圆心坐标X（m）X=-2.862
圆心坐标Y（m）Y=10.981
五、抗隆起验算
Prandtl（普朗德尔）公式（Ks>=1.1～1.2），注：
安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB9258-97（冶金部）:
Ks=5.941>=1.1,满足规范要求。
Terzaghi（太沙基）公式（Ks>=1.15～1.25），注：
安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB9258-97（冶金部）:
Ks=7.199>=1.15,满足规范要求。
[隆起量的计算]
注意：
按以下公式计算的隆起量，如果为负值，按0处理!
式中δ———基坑底面向上位移（mm）;
n———从基坑顶面到基坑底面处的土层层数;
ri———第i层土的重度（kN/m3）；
地下水位以上取土的天然重度（kN/m3）；地下水位以下取土的饱和重度（kN/m3）;
hi———第i层土的厚度（m）;
q———基坑顶面的地面超载（kPa）;
D———桩（墙）的嵌入长度（m）;
H———基坑的开挖深度（m）;
c———桩（墙）底面处土层的粘聚力（kPa）;
φ———桩（墙）底面处土层的内摩擦角（度）;
r———桩（墙）顶面到底处各土层的加权平均重度（kN/m3）;
δ=0（mm）
六、抗管涌验算
抗管涌稳定安全系数（K>=1.5）:
式中γ0———侧壁重要性系数;
γ'———土的有效重度（kN/m3）;
γw———地下水重度（kN/m3）;
h'———地下水位至基坑底的距离（m）;
D———桩（墙）入土深度（m）;
K=2.345>=1.5,满足规范要求。
[嵌固深度计算]
嵌固深度计算参数：
抗渗嵌固系数
1.200
整体稳定分项系数
1.300
圆弧滑动简单条分法嵌固系数
1.100
嵌固深度考虑支撑作用
ㄨ
嵌固深度计算过程：
按《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99圆弧滑动简单条分法计算嵌固深度：
圆心（-3.109，11.302），半径=15.125m，对应的安全系数Ks=1.310≥1.300
嵌固深度计算值h0=3.500m
嵌固深度设计值hd=αγ0h0
=1.100×1.000×3.500
=3.850m
嵌固深度采用值hd=6.000m
渗透稳定条件验算
当前嵌固深度为：
3.850m。
不排水开挖方案
一、钢板桩计算
钢板桩采用拉森Ⅳ型，截面抵抗矩Wb=2037cm3，容许应力260MPa，单位重量75kg/m。
首先插打钢板桩，在标高0.0m处安装围堰第一道内支撑；不排水开挖至-10.2m，浇筑1.8m后水下封底混凝土，然后再排水至标高-3.5m处安装围堰第二道内支撑；再次排水至标高-8.4m，承台施工。
1、工况一
安装第一道支撑后不排水开挖到设计标高-10.2m，计算图式见图一：
（1）、a1点，
a2点
（2）、b1点,
b2点,
（3）、c1点,
c2点,
（4）、e点截面，设钢板桩入砂土层深度为t。
d1点,
d2点,
（5）、A1点，
A2点，
按等值梁法进行计算：
1、计算土压力为0点离底面高度y：
计算得：
y=2.724m
2、计算等值梁最大弯矩和反力为：
则钢板桩最大弯矩：
Mmax＝183.32KN·m，
T1=69.29KN
3、计算板桩入土深度：
x=2.78m
t=x+y=5.5m<6.0m（实际入土深度）
满足设计要求
2、工况二
浇筑封底1.8m厚水下封底混凝土后，围堰排水开挖至-4.0m，安装第二道支撑前，围堰内排水开挖，考虑一台50吨履带吊机作用，计算图式见图2。
由于有封底砼的支撑，可以认为砼对钢板桩为刚性支撑，支撑位置设为-8.6m处，
将外荷载输入Sap2000程序中计算，
钢板桩最大弯矩为Mmax＝419.1KN.m，最大剪力为Qmax＝261.578KN。
第一道内支撑受力为T1=110.27KN
此时，钢板桩对应的最大挠度在标高-3.82m处，
f=22.7mm＜［f］=9880/400=24.7mm,满足规范要求。
3、工况三
在标高-3.5m处已安装第二道撑，承台基坑排水开挖至标高－8.4m。
计算图式见图3。
由于有封底砼的支撑，可以认为砼对钢板桩为刚性支撑，支撑位置设为-8.6m处，
将外荷载输入Sap2000程序中计算
由此计算得钢板桩内支撑的反力T1＝12.31KN，T2＝244.62KN。
钢板桩最大弯矩Mmax＝169.6KN·m，最大剪力为Qmax＝187.1KN
此时，在标高-5.82m处，钢板桩对应的最大挠度
f=3.2mm＜［f］=l/400=7.5mm,满足规范要求。
4、钢板桩验算：
根据以上计算钢板桩承受最大弯矩为Mmax＝419.1KN.m，最大剪力为Qmax＝261.578KN。
拉森Ⅳ型钢板桩剪切面积取钢板桩肢在剪力方向的面积，A＝155×9×5＝6975mm2，钢板桩应力：
满足设计要求
七、、内支撑计算
根据上述排水开挖和不排水开挖的计算工况，可得第一、二、三道撑的最大荷载：
T1=274.14KN/m，T2=244.62KN/m，T3=418.72KN/m。
（1）、第一、二道内支撑计算：
用sap2000建立内撑桁架的计算模型：
Tmax=274.14KN/m
板桩四周的分配粱（即图示杆1和杆2）选用2HM588×300×12×20，其单根截面特性为：
撑杆（即图示杆3和杆4）选用2工45a，其单根截面特性为：
经计算：
弯矩图
轴力图
剪力图
（1）、杆K1、K2的最不利截面1（即K1与K4、K2与K4的相交位置）
最大剪力
不利截面1处应力为:
（2）、杆K3：
轴力，
（3）、杆K4：
轴力，
（2）、第三道内支撑计算：
用sap2000建立内撑桁架的计算模型：
T3=445.15KN/m
板桩四周的分配粱（即图示杆1和杆2）选用2HN700×300×13×24，其单根截面特性为：
撑杆（即图示杆3和杆4）选用2工63a，其单根截面特性为：
经计算：
弯矩图
轴力图
剪力图
（1）、杆K1、K2的最不利截面1（即K1与K4、K2与K4的相交位置）
最大剪力
不利截面1处应力为:
（2）、杆K3：
轴力，
（3）、杆K4：
轴力，
八、钢板桩围堰整体滑移稳定验算
在工况四的施工作业中，第三道撑已安装，承台基坑排水开挖至标高－10.2m，未灌注封底砼，此时需要验算整体滑移的稳定性。
钢板桩桩底标高－16.0m,入土5.8m。
主动单位土压力
被动单位土压力
对钢板桩底取矩
稳定弯矩
倾覆弯矩
，满足要求。
九、封底砼（砼垫层）计算
1、排水开挖方案：
采用C30砼垫层，厚度为0.6m。
底板配直径16的二级钢筋，由于是排水开挖，而且在围堰底四周设置了排水井，因此不验算垫层承受的水压力。
砼在围堰及钢护筒形成的桩的支点反力下，在浇筑承台过程中承受承台浇筑时的自重，容重取2.5t/m3
截面计算宽度取1m
截面抵抗矩：
W=bh2/6=1×0.62/6=0.06m3
两根钻孔桩之间的封底混凝土计算：
看作简支梁
q=γchb=2.5x4x1=10t/m
M=qL2/8=10×4.3642/8=23.8t•m
C30#砼弯曲受压容许应力为10.5MPa>σ=3.97Mpa，满足强度要求。
2、不排水开挖方案：
采用C20水下砼封底，封底厚度为1.8m。
砼在围堰及钢护筒形成的桩的支点反力下，承受围堰抽水后产生的上浮力，围堰内封底砼面积为F1＝19.2mx19.2m-16x3.8=307.84m2，围堰内共16根Ф2.0m桩，钢护筒直径取2.2m，砼容重取2.4t/m3
1、围堰整体抗浮力计算
1、竖向抗力计算
（1）围堰自重：
（2）封底混凝土与钻孔桩摩擦力计算：
封底砼与钻孔桩间摩擦系数取k=12t/m2,代入摩擦力计算公式
d为钢护筒直径
竖向抗力合力P=G+P=4100.6t
2、竖向浮力计算：
围堰封底面积A=307.84m2：
P＞T，K=P/T=1.22，围堰整体稳定性满足要求。
2、承台区封底混凝土弯曲应力验算
L为围堰内外水位差L=10.93m，h为封底混凝土层高度为1.8m
其顶面在静水压力作用下产生的弯曲拉应力
截面计算宽度取1m
截面抵抗矩：
W=bh2/6=1×1.52/6=0.375m3
（1）、两根钻孔桩之间的封底混凝土计算：
看作简支梁
q=γwLb-γchb=1x10.93x1-2.4x1.8x1=6.61t/m
M=qL2/8=6.61×4.3642/8=15.74t•m
γc,γw—分别为混凝土及水的容重
C20#砼[Rl]=1.6MPa>σ=0.42Mpa，满足强度要求。
（2）、最外排钻孔桩与钢板桩围堰之间的封底混凝土计算：
看作悬臂梁
q=γwLb-γchb=1x10.93x1-2.4x1.8x1=6.61t/m
M=qL2/2=6.61×1.292/2=5.5t•m
γc,γw—分别为混凝土及水的容重
C20#砼[Rl]=1.6MPa>σ=0.147Mpa，满足强度要求。
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