主墩钢板桩围堰设计.doc

主墩钢板桩围堰设计
一、工程概况
湖滨路运河大桥P5#、P6#主桥墩位于京杭大运河岸边上，根据设计图及现场实际勘查，大运河河道为南北偏东走向，为人工开挖形成，河道顺直，河床较平坦，常年水位约1.50m(黄海高程，以下同)左右，在一年的六七月份出现过最高通航水位2.81m，常水位下岸边施工范围内水深在1.0～3.5m（运河底面靠岸边标高约±0m），且运河水流缓慢。主桥墩承台底的标高为-5.93m（包括承台底厚10cm的C15混凝土垫层）。主墩承台尺寸为29.9m×9.36m×4m（高），墩位处地质为粘土、亚粘土。
主墩位置地质从上往下依次为粘土（2m）、粉质粘土（3.0m）、粉质粘土夹粉土（9.0m）、粉质粘土（2.0m）。
地质情况表
序号
地层名称
层厚（m）
重度γ（KN/m3）
内摩擦角φ（°）
粘聚力c（KPa）
1
粘土
2
20.1
17.5
59.8
2
粉质粘土
3
19.1
16.6
36.2
3
粉质粘土夹粉土
9
18.7
20.6
14.1
4
粉质粘土
2
19.1
16.6
36.2
二、围堰方案
钢板桩围堰整体刚度大，防水性能好，在粘性土层的较浅水河床桥墩基础施工中，不需水下作业，打拔桩容易，回收率高，可节省大力现场加工构件，主墩基础采用矩形（承台为圆端形）单层钢板桩围堰施工。
为了施工承台的方便，钢板桩围堰的尺寸为：33m×12m（承台尺寸29.9m×9.36m），初步设计拟设三道围囹，在开挖至承台底标高后施工垫层时利用桩基为支承施作钢板桩支撑梁，然后拆除第三道围囹，再做承台的施工。采用拉森Ⅳ型钢板桩（1m宽）：[σ]=200MPa，W=2037 cm3。
考虑到围堰期间河流上的船只（运河上船只的最大载重500吨）运行的影响，水压力对钢板桩围堰的冲击系数为1.5，由于我们的围堰施工季节为运河的枯水季节，水位较低，涨幅很小，施工时水位按1.5m考虑。
为简化计算，查设计提供地质资料得平均重度：
γ=(20.1×2+19.1×5+18.7×9)/16=19 KN/m3，
内摩擦角φ=(17.5×2+16.6×5+20.6×9)/16=19°。
平均粘聚力c=(59.8×2+36.2×5+14.1×9)/16=26.7 KPa
三、围堰设计
1、荷载：
荷载分两部分考虑，一部分为靠运河边侧；另一部分为靠路边侧。
运河侧：水压力、土压力、船舶冲击力（考虑冲击系数1.5）
路边侧：水压力、土压力、路上车辆荷载及临时堆放的材料等
2、确定围囹的合理位置
最上层围囹至围堰顶距离用公式h=计算
土的比重比水大，以靠土侧进行计算。
Ka=2（45°-φ/2）= 0.51 Kp=2（45°+φ/2）= 1.97
h= =2.93m
考虑到路上车辆荷载及各种其他荷载，第一道围囹设在标高1.5m处。
第二道围囹从承台施工及安全角度出发，设在承台顶面以上0.3m处，标高为-1.5m。
h1=1.5+1.5=3.0m
第三道围囹安在第二道下2.9m处，绝对标高为-4.4m。
3、用等值梁法计算围囹受力及钢板桩设计
⒊⒈靠运河侧：
把河床上的水当做作用在河床上的均布荷载，换算为当量高度，力学图示如下

考虑到钢板桩位处为全为粘土层，透水性差，河床上的水可以当成压在河床面上的恒载，由于准备采用井点法排水，也可以不考虑地下水的影响，从安全角度出发忽略粘土的粘聚力。水压力换算成土层当量高度为：=1.18m，开挖标高为-5.93m，距河床底深度为5.93m。找出钢板桩上主动土压强与被动土压强相等的位置，设这个位置距开挖底面距离为y，则y处主动土压强为:

被动土压强为：
，由Pa=Pp，被动土压力系数考虑修正系数K=1.6，得出：y=1.37m
开挖面的主动土压强（y=0）为：
=68.90KN/m2
河床面处压强为：
P1=γw×1.5×1.5=22.5 KN/m2
按多跨连续梁考虑，用力矩分配法计算各点反力及弯矩，每道围囹承受每两跨各半跨上的力, 计算P0、P1、P2，这样计算得出:

F1承受桩顶标高-0.00m以上范围内的力；F2承受标高-0.00m～-2.95m范围内的力；F3承受标高-2.95m～-5.85m范围内的力；F0承受标高-5.85m～-7.30m范围内的力。
F1=P1×1.5/2=16.88 KN
F2==75.89 KN
F3==156.80 KN
F0= =52.68 KN
根据P0与板桩前被动土压力对桩底端的力矩相等的原则，得出桩底至F0的距离：x==2.51m
所以板桩锚固长度取1.2×（1.37+2.51）=4.66 m。所需钢板桩长度13.09m。
⒊⒉靠路侧：
车辆荷载考虑为q=20KN/m均布，距离板桩边2m。打钢板桩前力学图示如下：

Yq=tg(45°+φ/2)*2.0=2.80 m 标高-0.4m
Paq=q*Ka=(20+1.7*19)*0.51=26.67 KN/m2
P2=26.67+19(2.4+5.93)Ka=107.39 KN/m2
计算钢板桩上土压力强度等于零的点距离承台底面的距离y，由公式：
被动土压力修正系数K取1.6，得出y=2.14m

假定围囹承受每两跨各半跨上的力, 计算F0、F1、F2、F3，这样计算得出:
F1承受桩顶标高-0.00m以上范围内的力；F2承受标高-0.00m～-2.95m范围内的力；F3承受标高-2.95m～-6.235m范围内的力；F0承受标高-6.235m～-8.07m范围内的力。
F1=γ*Ka2.42/2=27.91 KN
F2=(γ*Ka×2.4+γ*Ka(2.4+2.95))×2.95/2+26.67*(2.95-0.4)
=178.78 KN
F3=(P2+γ*Ka(2.4+2.95))×(5.93-2.95)/2+26.67*(5.93-2.65)
+(P2+ P2(8.07-6.235)/2.14)×(6.235-5.93)/2=355.15 KN
F0= P2(8.07-6.235)2/2/2.14=84.49 KN
根据P0与板桩前被动土压力对桩底端的力矩相等的原则，得出桩底至F0的距离x：
x==3.18m
所以板桩锚固长度取1.2×(2.14+3.18)=6.38 m。所需钢板桩长度14.81m。
根据以上计算，施作15m长钢板桩，桩顶标高控制在2.5m，这样完全可以满足钢板桩锚固要求。
4、围囹及支撑设计
围囹周围采用I50a工字钢，用两片焊成整体，水平支撑用大的钢管，具体尺寸通过检算要求的最大I惯性矩来选择。根据以上设计知道靠路侧的围囹受力较大些，采用靠路侧进行围囹设计计算。
I50a：截面面积A=119.25cm2 [σ]=240 MPa，Wx=1858.88 cm3。
⒋⒈第一层围囹：
第一层围囹要考虑在第二道围囹加上之前必须开挖到的高度，安第二层必须开挖到标高-2.0m。受力模型如下：

P2=26.67+19(2.4+2)Ka=69.31 KN/m2。
计算钢板桩上土压力强度等于零的点距离承台底面的距离y，由公式：
被动土压力修正系数K取1.6，得出y=1.38m
按两端简支计算得出F1=82.80 KN，q=82.80 KN/m
⑴计算顺桥向支撑道数：
最大承受弯矩(两根)：Mmax=[σ]×Wx=240×1858.88×2=892.26 KN·m
通过公式Mmax=→=9.3 m 33/9.3=3.5 取4个间距，纵桥向中间增布3道支撑（不包括两侧工字钢），四角加斜撑，横桥向不再加支撑。
⑵支撑材料的选定：
顺桥向总的受力为：33m×F1=82.80×33=2732.4 KN
只考虑中间三根钢管受力，假定三根支撑受力均匀，则每根受力为910.8KN。按两端铰支检算稳定性，L=12m，通过欧拉临界公式：得出：=6644 cm4。通过查钢管资料，可以选Ø351×10mm钢管，I=15584.62 cm4。
⒋⒉第二层围囹：
第二层围囹分两种情况考虑。
第一种：在施工完承台垫层（加厚）后要拆除第三道围囹支撑，这样受力情况将重新调整，受力模型如下：

F2将承受标高-0.00m～-3.715m范围内的力；F3承受标高-3.715m～-7.00m范围内的力，按多跨连续梁按力矩分配法计算，以靠土侧计算：
F2=(γ*Ka×2.4+γ*Ka(2.4+3.715))×3.715/2
+26.67*(3.715-0.4)=241.67 KN
F3=(γ*Ka(2.4×2+3.715+5.93))×(5.93-3.715)/2
+26.67*(5.93-3.715)+(P2+P2*1.07/2.14)*1.07/2=300.27 KN
第二种：是在开挖到安装第三道围囹时的开挖面所承受的力，第三道围囹安装时需开挖到标高-4.9m，受力模型如下：

P2=26.67+19(2.4+4.9)Ka=97.41 KN/m2。
计算钢板桩上土压力强度等于零的点距离承台底面的距离y，由公式：
被动土压力修正系数K取1.6，得出y=1.94m
F2将承受标高-0.00m～-4.17m范围内的力，按多跨连续梁按力矩分配法计算。
F2=(γ*Ka×2.4+γ*Ka(2.4+4.17))×4.17/2
+26.67*(4.17-0.4)=281.77 KN
⑴计算顺桥向支撑道数：
两者取大者，即q=281.77 KN/m
通过公式Mmax=→=5.0 m 33/5.0=6.6 取8个间距，中间横桥向增布7道支撑（不包括两侧字钢）。两端的支撑改为挂角斜撑，更有利于力的相互抵消。
⑵支撑材料的选定：
第二层顺桥向总的受力为：33m×q=281.77×33=9298.41 KN
只考虑中间七根钢管受力，假定七根支撑受力均匀，则每根受力为1328.34KN。按两端铰支检算稳定性，L=12m，通过欧拉临界公式：得出：=9690.4 cm4。通过查钢管资料，可以选Ø351×10mm钢管，I=15584.62 cm4。
⒋⒊第三层围囹：
⑴计算顺桥向支撑道数：
第三层围囹设计可以采用靠路侧计算得出的反力进行：q=F3=355.15 KN/m
通过公式Mmax=→=4.5 m 33/4.5=7.3 取8个间距，中间横桥向增布7道支撑（不包括两侧工字钢）。两端的支撑改为挂角斜撑，更有利于力的相互抵消。
⑵支撑材料的选定：
第三层顺桥向总的受力为：33m×q=355.15×33=11719.95 KN
只考虑中间七根钢管受力，假定七根支撑受力均匀，则每根受力为1674.28KN。按两端铰支检算稳定性，L=12m，通过欧拉临界公式：得出：=12214.07 cm4。通过查钢管资料，可以选Ø351×10mm钢管，I=15584.62 cm4。
围囹及支撑布置详见附图：围堰布置图。

5、钢板桩弯矩验算
从钢板桩设计及承台施工过程中，可以看出最不利工况是在安第三道围囹前的时候。取1m宽钢板桩考虑。
从围囹设计中知道：F2=281.77 KN；P2=97.41 KN/m
利用弯矩分配法计算得:
F0=(γ*Ka(2.4+4.17+2.4+4.9))×(4.9-4.17)/2+26.67*(4.9-4.17)
+97.41*1.94/2=163.01 KN
最大弯矩应该出现在第二道围囹与F0跨之间的剪力为零处，即绝对标高4.17m处。具体力学图示如下：

Mmax=F0*（6.84-4.17）-P2*1.94*(0.73+1.94/3)
-=279.85 KN·m
本设计所采用的拉森Ⅳ型钢板桩，平均每米宽度为2.5根，其容许最大弯矩为：
[Mmax]=200*2037=407.4 KN·m
因为Mmax＜[Mmax]，所以本设计弯矩满足要求。
四、施工注意事项：
①尽量保持围囹及支撑在同一水平面上。且轴线保持在同一平面上。
②围囹采用两片工字钢焊接而成，支撑采用Ø351×10mm钢管。
③挖掘机施工时，注意避免与支撑和围囹接触。
④施作路边侧钢板桩时先挖掉部分土层再打钢板桩。