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钢板桩围堰支护结构验算书

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二O一七年一月

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目录 2
一、概述 1
1.1计算说明 1
1.2施工流程 1
1.3计算依据 2
1.4计算参数及材料选择 2
1.4.1计算参数 2
1.4.2材料选择 3
1.5计算方法 4
二、钢板桩围堰支护计算分析 6
2.1 #81墩钢板桩支护验算 6
2.1.1悬臂端允许最大跨度 6
2.1.2钢板桩最小入土深度t 7
2.1.3基底抗隆起验算 8
2.1.4钢板桩及内支撑结构验算 9
2.2 #54墩钢板桩支护验算 11
2.2.1悬臂端允许最大跨度 11
2.2.2钢板桩最小入土深度t 11
2.2.3基底抗隆起验算 13
2.2.4抗管涌验算 14
2.2.5 C30水下砼灌注厚度验算 15
2.2.6钢板桩及内支撑结构验算 15
2.3 A匝道1号桥#7墩钢板桩支护验算 16
2.3.1悬臂端允许最大跨度 17
2.3.2钢板桩最小入土深度t 17
2.3.3基底抗隆起验算 19
2.3.4抗管涌验算 20
2.3.5 C30水下砼灌注厚度验算 20
2.3.6钢板桩及内支撑结构验算 20
2.4底模板支撑计算 22
2.4.1工字钢强度验算 22
2.4.2牛腿焊缝强度验算 23
三、结论及意见 25

一、概述
1.1计算说明

1.2施工流程
1. 总体施工方案
根据现场施工场地的特点，陆域承台基坑拟采用钢板桩围护施工，水中墩采用筑岛围堰作为施工平台、基坑采用拉森钢板桩围护；其余水中墩采用搭设施工平台进行水中桩基钻孔施工后拆除桩位的平台，后采用拉森钢板桩围进行系梁承台施工。
2. 施工工艺流程
1) 水中钢板桩围堰施工流程
根据施工图及高程放设钢板桩定位线→表线控设钢板桩导向槽钢→整修平整施工机械行走道路→插打拉森Ⅳ钢板围护桩→将围护桩打设至指定标高→基坑开挖深度达0.5m→依次安装三角支架、围檩及水平内支撑→继续往下挖2m→依次安装三角支架、围檩及水平内支撑→继续开挖至承台底下0.5m→砼浇筑至承台底（四周预留集水沟）→抽水和破除桩头施工→进行承台施工→回填土至承台顶→拆除水平内支撑、围檩、三角撑，拔除钢板桩。
1.3计算依据
1. 《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)
2. 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)
3. 《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)
4. 《深圳市深基坑支护技术规范》(SJG 05-2011)
5. 《简明深基坑工程设计施工手册》
6. 《简明施工计算手册》
1.4计算参数及材料选择
1.4.1计算参数
1) 钢板桩围堰土层参数根据《甬台温高速公路复线-温州灵昆至阁巷段工程第4合同段施工图设计工程地质勘探报告》选取。
2) 根据《浙江省甬台温高速公路复线温州灵昆-阁巷段工程第4标段水中承台、地系梁承台安全专项施工方案》，现有38处墩位施工需要钢板桩围堰支护施工，详见表1-1。
1.4.2材料选择
1) 本工程选用拉森桩(SKAP-Ⅳ型，日标) 宽40cm，重74kg/m
拉森Ⅳ型钢板桩参数（见下表1-2）

图1-1钢板桩横断面尺寸
表1-2拉森Ⅳ型钢板桩参数表
型 号
有效宽度
W1/mm
有效高度
H1/mm
腹板厚度
t/mm
长度
L/m
400×155
400
155
15.5
12
截面面积
A/cm2
惯性矩
I/cm4
截面模量
W/cm3
理论重量
Kg/m
303
38600
2037
74
2) 围檩结构采用2HW400×400型钢，转角斜支撑采用2HW400×400型钢，中间主支撑采用2HW400×400；
表1-3 HW400×400型钢参数表
型 号
截面面积
A/cm2
惯性矩
I/cm4
截面模量
W/cm3
理论重量
Kg/m
HW400×400
219.5
66900
3340
172
3) 强度检算控制指标：
拉森桩SKAP-Ⅳ型钢板桩强度控制值：[σ]＝210MPa；
Q235 钢材强度控制值：[σ]＝170Mpa；
1.5计算方法
根据《简明施工计算手册》和《深圳市深基坑支护技术规范》，对于多层支撑板桩墙的简化计算，一般可采用盾恩近似法和等值梁法计算。
1. 盾恩近似法

图2-1-1 盾恩近似法计算简图
假定作用在板桩EF段上的荷载EGNF，一半传至F点上，一半由坑底土压力承受，由图所示几何关系可得：

2. 等值梁法
多支撑支护下端为弹性嵌固时，其弯矩图如图2-1所示，若在得出此弯矩图前己知弯矩零点位置，并于弯矩零点处将梁（即桩）断开以简支计算，则不难看出所得该段的弯矩图将同整梁计算时一样，此断梁段即称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净土压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。这种简化计算法就称为等值梁法。为简化计算，常用土压力等于零点的位置来代替正负弯矩转折点的位置。计算土压力强度时，应考虑板桩墙与土的摩擦作用，将板桩墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数（为安全起见，对主动土压力则不予折减）。

图2-1-2 等值梁法计算简图
本文计算作出如下假设：
1. 假设计算时取1m宽单位宽度钢板桩。
2. 因土处于饱和水状态，为简化计算且偏安全考虑，不考虑土的粘聚力。
3. 弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支梁，方便计算。
土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。
相关声明
1、甬台温高速公路复线-温州灵昆至阁巷段工程建设本身须符合其行业设计规范的要求和相关建设程序；
2、本计算书中计算结果是依据委托方提供的资料进行分析计算所得；对所提供基础资料的准确性或调整等其他因素造成的变化不承担责任。

二、钢板桩围堰支护计算分析
2.1 #81墩钢板桩支护验算
表2-1-1 土层参数表
序号
土层名称
土层顶标高
土层底标高
土层厚度
容重（kN/m3）
内摩擦角（°）
粘聚力（kPa）
1
粘土
+4.0
-0.16
3.8
18.228
7.2

2
淤泥质粘土
-0.16
-6.76
6.6
17.64
5.32
10.7
3
淤泥
-6.76
-11.76
13
16.26
2.3
8
4
淤泥
-11.76
-19.66
10
16.17
2.5
18
2.1.1悬臂端允许最大跨度
按照等弯矩布置确定各层支撑的间距，根据拉森Ⅳ型钢板桩承受的最大弯矩确定板桩顶悬臂端的最大允许跨度：

实际悬臂长度h0<h，满足要求。
2.1.2钢板桩最小入土深度t
根据钢板桩入土的深度，按浅埋板桩墙原理计算，作用在桩后为主动土压力，作用在桩前为被动土压力，为简化计算，土压力参数均采用加权平均值计算。
根据肯朗土压力理论，主动土压力系数为：，围堰开挖范围内的土质为淤泥质土，根据地勘报告，为简化计算，土压力参数均采用加权平均值计算。主动土内摩擦角取值为6.6°，被动土内摩擦角取值为5.3°，重度=17.05kN/m2，粘聚力c=6.6kPa。
则。
主动土压力为：。
被动土压力系数：
分别采用盾恩近似法和等值梁法计算。
1. 盾恩近似法

即：

解得入土深度t=11.75m
故钢板桩的总长度至少为L=4.7+11.75=16.45m。
2. 等值梁法
1）计算反弯点位置，即利用钢板桩上土压力等于零的点作为反弯点位置，计算其离基坑底面的距离y，在y处钢板桩主动土压力强度等于被动土压力强度，即
主动土压力：
被动土压力：

式中K-被动土压力修正系数，取1.2
偏安全考虑，主动土压力常数项忽略不计。
2）根据等值梁法计算原理，土压力零点处的支撑反力与该点以下钢板桩土压力对桩底的力矩平衡，假设土压力零点以下钢板桩零点以下钢板桩埋深为x，建平衡方程。

由等值梁法可求算钢板桩的最小入土深度，设桩的反转点以下x为最小入土深度所在高程，则，取

故钢板桩的总长度至少为L=12.63+4.7=17.33m。
综上，建议采用18m钢板桩。
2.1.3基底抗隆起验算
在基坑开挖时，由于坑内土体挖出后，使地基的应力场和变形场发生变化，可能导致地基的失稳，例如地基的滑坡、坑底隆起及涌砂等。所以在进行支护设计时，需要验算基坑稳定性，必要时应采取一定的防范措施使地基的稳定性具有一定的安全度。基坑的稳定性验算主要包括边坡的稳定性验算、基坑的抗渗流验算、基坑抗承压水验算和基坑抗隆起验算。
本次验算采用Caguot验算基坑稳定公式计算。Caguot等人认为坑底土沿支护结构底水平面以下的曲线滑动，致使基底隆起。如以支护结构底的水平面为基准面，非开挖侧面上的竖向应力，开挖侧面上的竖向应力，根据滑动线理论，可推得：

由此可得入土深度t的计算公式为：

式中：t——使坑底不隆起失稳需要的支护结构入土深度（m）；
γ——非开挖侧土的重度、开挖侧基坑底以下土的重度（kN/m3）；
h——基坑开挖深度（m）；
q——地面均布荷载（kN/m2），取q=20kN/m2；
φ——基坑地基土内摩擦角（°）；
Kp——被动土压力系数。
将数据代入计算公式得：

板桩的实际入土深度，满足要求。
2.1.4钢板桩及内支撑结构验算
1) 钢板桩验算
假设板桩的最大弯矩截面在基坑底深度y=5.71m处，求得每延米宽板桩墙的最大弯矩：

钢板桩强度满足要求。
2) 围檩及内支撑验算
根据等值梁法，选取最不利工况下，第二层围檩处支撑反力T2=476.4kN/m，即为作用在围檩上的均布荷载，横向围檩建模平面如下：

图2-2-4 围檩及内支撑模型图
得到弯矩图、应力图如下

图2-2-5 弯矩图

图2-2-6 应力图

故围檩及内撑需采用采用2HW400×400，满足受力要求。
2.2 #54墩钢板桩支护验算
水中基坑支护选取最不利的#54墩进行计算，示意图如下。
表2-2-1 土层参数表
序号
土层名称
土层顶标高
土层底标高
土层厚度
容重（kN/m3）
内摩擦角（°）
粘聚力（kPa）
1
淤泥质粘土
-2.49
-8.49
6
17.64
3.3
10.7
2
淤泥
-8.49
-21.49
13
17.6
0.5
8
3
粘土
-21.49
-31.49
10
19.7
2.4
18
2.2.1悬臂端允许最大跨度
按照等弯矩布置确定各层支撑的间距，根据拉森Ⅳ型钢板桩承受的最大弯矩确定板桩顶悬臂端的最大允许跨度：

实际悬臂长度h0<h，满足要求。
2.2.2钢板桩最小入土深度t
结构所受的侧面压力，在河床以上的范围内为静水压力，在河床以下至封底混凝土底面以上的范围内为静水压力以及主动土压力之和。
其中静水压力为三角形荷载：，为距离水面的高度；
根据《甬台温高速公路复线-温州灵昆至阁巷段工程第4合同段施工图设计工程地质勘探报告》来进行计算：
根据肯朗土压力理论，主动土压力系数为：，围堰开挖范围内的土质为淤泥质土，根据地勘报告，内摩擦角加权平均后，取值为3.3°。
则。
主动土压力为：。
土的饱和容重为：。
被动土压力系数：
表2-1 #54墩承台参数表
墩号
计算水位
围堰顶
系梁顶
系梁底
河床
#54
+2.3
+3.3
-0.2
-1.5
-1.5
分别采用盾恩近似法和等值梁法计算。
1. 盾恩近似法

即：

解得入土深度t=10.56m
故钢板桩的总长度至少为L=10.56+3.8=14.36m。
2. 等值梁法
1)计算反弯点位置，即利用钢板桩上土压力等于零的点作为反弯点位置，计算其离基坑底面的距离y，在y处钢板桩主动土压力强度等于被动土压力强度，即：
水压力：
主动土压力：
被动土压力：

式中K-被动土压力修正系数，取1.2
偏安全考虑，主动土压力常数项忽略不计。

图2-2-3 等值梁法计算简图
，，
2)由等值梁法可求算钢板桩的最小入土深度，设桩的反转点以下x为最小入土深度所在高程，则，如桩端为一般的土质条件，应乘以系数:1～1.2即：，取

故钢板桩的总长度至少为L=10.47+3.8=14.27m。
综上，建议采用15m钢板桩。
2.2.3基底抗隆起验算
在基坑开挖时，由于坑内土体挖出后，使地基的应力场和变形场发生变化，可能导致地基的失稳，例如地基的滑坡、坑底隆起及涌砂等。所以在进行支护设计时，需要验算基坑稳定性，必要时应采取一定的防范措施使地基的稳定性具有一定的安全度。
本次验算采用Caguot验算基坑稳定公式计算。Caguot等人认为坑底土沿支护结构底水平面以下的曲线滑动，致使基底隆起。如以支护结构底的水平面为基准面，非开挖侧面上的竖向应力，开挖侧面上的竖向应力，根据滑动线理论，可推得：

由此可得入土深度t的计算公式为：

式中：t——使坑底不隆起失稳需要的支护结构入土深度（m）；
γ——非开挖侧土的重度、开挖侧基坑底以下土的重度（kN/m3）；
h——基坑开挖深度（m）；
q——地面均布荷载（kN/m2），取q=20kN/m2；
φ——基坑地基土内摩擦角（°）；
Kp——被动土压力系数。
将数据代入计算公式得：

板桩的实际入土深度，满足要求。
2.2.4抗管涌验算
根据不发生管涌条件：

式中：
K-抗管涌安全系数，取K＝2.0
-土的浮容重，
j-最大渗流力（动水压力）
i-水头梯度
t-排桩的入土深度
hˊ－地下水到坑底的距离
计算得：，
=3.14，故满足要求。
2.2.5 C30水下砼灌注厚度验算
根据计算建议为确保基坑内施工作业安全及工程质量，拟采用多层支撑及灌注C30水下砼加固措施来实现基坑稳定。
C30水下砼采用的物理性质指标为：
内摩擦角，重度。
计算水下砼灌注厚度仍采用“Caguot验算基坑稳定公式”，即要求：

由于此计算比较复杂，为方便计算，采用试算法。假设水下砼灌注厚度为d=0.5m，则计算如下：
将数据代入计算公式得：

式中φ为基坑支护墙底处的地基土内摩擦角。
则水下砼灌注厚度为d=0.5m时，满足要求。
2.2.6钢板桩及内支撑结构验算
3) 钢板桩验算
假设板桩的最大弯矩截面在基坑底深度y=3.44m处，求得每延米宽板桩墙的最大弯矩：

钢板桩强度满足要求。
4) 围檩及内支撑验算
根据等值梁法，选取最不利工况下，第二层围檩处支撑反力T2=45.2kN/m，即为作用在围檩上的均布荷载，横向围檩建模平面如下：

图2-2-4 围檩模型图
得到剪力、弯矩图如下

图2-2-5 剪力图

图2-2-6 弯矩图

图2-2-7 反力图
围檩弯矩Mmax=37.9kN∙m，剪力Vmax=134.6kN；同时求得斜撑和对撑的支反力R1=129.97KN，R2=262.5KN。

故围檩采用HW400×400，满足受力要求。
斜撑和对撑轴力分别为R1=129.97KN，R2=262.5KN，

故内撑采用HW400×400，满足受力要求。