02 钢围堰计算书

金河湾黄河大桥
12#、13#桥墩围堰计算书
甘肃省交通规划勘察第一设计分院
二O一四年四月
目录
1、工程概况 (1)
2、计算依据 (1)
3、永靖县金河湾黄河大桥12#桥墩施工围堰检算 (1)
3.1 12#桥墩围堰基本资料 (2)
3.2 荷载及工况 (2)
3.3 封底混凝土的检算 (2)
3.4 混凝土灌注桩埋置深度确定 (3)
3.5 筑岛外围钢管验算 (3)
3.5.1钢管受力计算 (3)
3.5.2筑岛后钢管根数、入土深度检算及承载力验算 (4)
3.6围堰浮力计算 (5)
3.7主要结论 (6)
4、永靖县金河湾黄河大桥13#桥墩施工围堰检算 (6)
4.1 12#桥墩围堰基本资料 (6)
4.2 荷载及工况 (7)
4.3 封底混凝土的检算 (7)
4.4 混凝土灌注桩埋置深度确定 (7)
4.5 钢管根数、入土深度确定及钢管承载力计算 (8)
4.6围堰浮力计算 (9)
4.7主要结论 (9)
1、工程概况
永靖县金河湾黄河大桥为主跨70+128+70m钢筋混凝土变截面连续箱梁，其中主跨跨越黄河河道，主墩12#、13#号墩为水中基础，利用围堰法进行水下承台施工。

12# 13#桥墩围堰内侧采用灌注桩支护，外侧插打钢管加型钢模板进行支护后筑岛施工。

2、计算依据
1. 《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007
2. 《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004
3. 《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002
4. 《建筑地基基础设计规范》GB_50007-2011
5. 《路桥施工计算手册》，周水兴，人民交通出版社
6. 《桥涵设计工程师手册》
7.《简明施工计算手册》
8. 《桥涵施工手册》
3、永靖县金河湾黄河大桥12#桥墩施工围堰检算
12#承台进行灌注桩支护施工时，先进行筑岛，筑岛外围插打钢管加型钢模板进行支护，筑岛完成后，内侧进行灌注桩支护施工，灌注桩两圆心距为1.4m，灌注桩相嵌密闭，起到封水作用。

图1 12#桥墩平面布置图及组合结构大样图（单位mm）
3.1 12#桥墩围堰基本资料
12#围堰顶标高为1622.5m ，正常蓄水位为1621.0m ，4月初水位1618.3m ，承台顶标高为1616.828m ，河床标高为1616.50m ，承台底标高为1613.828m ，河床以下强风化砂岩顶标高为1605.9m 。

3.2 荷载及工况
围堰荷载作用主要受到水的浮力，水压力和土压力。

主要分析检算工况为围堰抽空水后混凝土灌注桩以及筑岛完成后外围钢管的受力情况。

3.3 封底混凝土的检算
由《简明施工计算手册》可知，矩形围堰封底混凝土厚度计算公式为：
h D =
式中：h 为封底混凝土厚度，单位mm ；K 为安全系数，按抗拉强度计算的受压，受拉构件取值为2.65；max M 为板每延米宽度受的最大弯矩值；b 为板宽，取值1000mm ；ct f 混凝土抗拉强度设计值，单位Mpa ；D 为考虑水下混凝土可能与井底泥土掺混的增加厚度，取值300~500mm 。

max M 为板每延米宽度受的最大弯矩值的计算公式为：
2max 1=M pl α
式中：α为弯矩系数，由矩形边长确定，查表取值为0.0728；p 为静水压力形成的荷载，单位kN/m 2；1l 为矩形板的计算跨度，取小跨，单位m 。

p 为静水压力形成的荷载计算公式为：p h h γγ=-水水砼砼
由于h 砼为未知厚度，所以要先假设h 砼的厚度为1500mm 。

将各参数带入相应公式中计算结果为：
300 26361500h D
mm mm
=
=
=≥
所以h 砼的厚度为1500mm 不符合强度要求。

再假设h 砼的厚度为2500mm 。

将各参数带入相应公式中计算结果为：
300 23282500h D
mm mm
=
=
=≤
所以封底混凝土h 砼的厚度为2500mm 时符合强度要求。

3.4 混凝土灌注桩埋置深度确定
由于钢筋混凝土灌注桩嵌入强风化砂岩，其桩底段按嵌固设计，属于固结约束，故不验算其侧向的稳定性，根据《公路桥涵地基与基础规范》，其嵌固深度最小不小于0.5m ，考虑到安全性，嵌固深度按2m 考虑。

因此，桩底高程为1603.9m ，则桩长为1622.5-1603.9=18.6m ，取整为19m 。

由于灌注桩密排布置，单根桩的侧向土压力较小，可以不进行桩基的承载力验算，仅按照《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》进行最小配筋率0.5%的配筋，经计算，配筋为15根φ28的钢筋。

可在受拉外侧配置8根，内侧配置7根即可。

3.5 筑岛外围钢管验算 3.5.1钢管受力计算
围堰外侧筑岛完成以后，外侧钢管受到内外侧土压力以及内外侧水压力的作用。

其中静水压力内外平衡。

图2 钢管受力示意图（单位mm ）
由图中计算图示可知： （1）主动土压力：
土层均在水位以下，填筑土的水下内摩擦角取030ϕ=，卵石土的水下内摩擦角取040ϕ=，故
22012201(45)22 0.5(1810)6(45)2
48m
a a E H K K tg tg kN ϕγϕ
⎛
⎫==- ⎪
⎝⎭=⨯-⨯⨯-=
22032201(45)22 0.5(1810)4(45)2
14m
a a E H K K tg tg kN ϕγϕ
⎛
⎫==- ⎪
⎝⎭=⨯-⨯⨯-=
（2）被动土压力：
2021122210.5()()(45)2 0.5(863810 4.6)4
1024m
p p p E H K H K H H K tg kN ϕγγ⎛
⎫=⨯+⨯-=+ ⎪
⎝
⎭=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯= 3.5.2筑岛后钢管根数、入土深度检算及承载力验算
由于E 3较小，忽略起作用以后，计算保守，则长边主动土压力合力矩为： （48⨯31.58⨯2）+（14⨯31.58⨯2.67）=4212.1KN ·m 短边主动土压力合力矩为：
（48⨯23.16⨯2）+（14⨯23.16⨯2.67）=3089.1KN ·m
单根桩被动土压力合力矩为：1024×0.48×2.194=1078.4KN ·m
根据构造安全，钢管按照2m 间距布设，长边布设16根桩，短边布设12根桩，则16⨯1078.4=17254.4 KN ·m ＞4212.1 KN ·m ；12⨯1078.4=12940.8 KN ·m ＞3089.1 KN ·m ，支撑条件满足要求。

利用MIDAS/civil 有限元分析计算软件，建立单桩受力分析模型，计算结果如下图所示。

有限元模拟计算弯矩、剪切力、应力分布云图
按照桥墩围堰底部受力情况，对有限元模型进行加载计算分析，得到弯矩、剪切力、应力分布云图结果，由图可知，桥墩围堰钢管单桩在河床位置处出现最大弯矩为151.2kN ·m ；在桩底出现最大剪切力为161.5kN ，在河床位置处出现剪切力为54.9kN ；在河床位置处出现最大剪切应力为88.95Mpa 。

所以，采用间距2m 布置的φ480×10mm 的钢管桩结合模板组成的围堰可以满足结构承载力要求。

为了更加充分的提高钢管桩的利用效率，可以在钢管桩内灌满细砂，以确保结构更加安全稳定。

3.6围堰浮力计算
围堰抽水之后，承台施工之前所受浮力为：
()412#10009.81422.49.6722972.510W gV N ρ==⨯⨯⨯⨯=⨯水排
围堰重量为：
()32344 =2.4101422.4 2.59.8+10 3.142 1.8436 2.5109.8 =4087.2102972.510G G G N N
=+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯≥⨯封底砼桩基础
所以围堰不会上浮。

3.7主要结论
1、封底混凝土的厚度为2.5m，封底前需对围堰底部进行清淤，淤泥厚度不得大于0.3m。

2、保证混凝土灌注桩深入基岩长度为2m左右，桩长平均长度为19m，可根据实际情况及基岩的倾斜程度调整桩长。

3、钢管平均长度为10.35m，入土深度为4m，建议钢管间距为2m，长边布置16根，短边布置12根。

4、永靖县金河湾黄河大桥13#桥墩施工围堰检算
13#承台采用筑岛施工，外侧插打钢管桩，间距2米，钢管桩用量476.25米，钢管桩外侧用25b双拼工字钢围绕焊接，采用钢丝绳通过工字钢对钢管桩外侧进行拉固，钢丝绳另一头在岸边进行锚固，钢管桩内侧埋设钢模板，承台四周进行插打1.5m灌注桩，灌装桩插打时按两个灌注桩中心距1.4m，使灌注桩与灌注桩相嵌，灌注桩顶部用1.5x0.6m连系梁进行连接。

图3 13#桥墩平面布置图及组合结构大样图（单位mm）
4.1 12#桥墩围堰基本资料
13#围堰顶标高为1622.5m，正常蓄水位为1621.0m，4月初水位1618.3m，承台顶标高为1616.828m，河床最低标高为1609.328m，承台底标高为1613.828m，河床以下强风化砂岩顶标高为1617.068m。

4.2 荷载及工况
围堰荷载作用主要受到水的浮力，水压力和土压力。

主要分析检算工况为围堰抽空水后混凝土灌注桩以及筑岛完成后外围钢管的受力情况。

4.3 封底混凝土的检算
由《简明施工计算手册》可知，矩形围堰封底混凝土厚度计算公式为：
h D =
式中：h 为封底混凝土厚度，单位mm ；K 为安全系数，按抗拉强度计算的受压，受拉构件取值为2.65；max M 为板每延米宽度受的最大弯矩值；b 为板宽，取值1000mm ；ct f 混凝土抗拉强度设计值，单位Mpa ；D 为考虑水下混凝土可能与井底泥土掺混的增加厚度，取值300~500mm 。

max M 为板每延米宽度受的最大弯矩值的计算公式为：
2max 1=M pl α
式中：α为弯矩系数，由矩形边长确定，查表取值为0.0728；p 为静水压力形成的荷载，单位kN/m 2；1l 为矩形板的计算跨度，取小跨，单位m 。

p 为静水压力形成的荷载计算公式为：p h h γγ=-水水砼砼
由于h 砼为未知厚度，所以要先假设h 砼的厚度为2500mm 。

将各参数带入相应公式中计算结果为：
300 24872500h D
mm mm
=
=
=≥
所以h 砼的厚度为2500mm 符合强度要求。

4.4 混凝土灌注桩埋置深度确定
由于钢筋混凝土灌注桩嵌入强风化砂岩，其桩底段按嵌固设计，属于固结约束，故不验算其侧向的稳定性，根据《公路桥涵地基与基础规范》，其嵌固深度最小不小于0.5m ，考虑到安全性，嵌固深度按2m 考虑。

因此，桩底高程为1609.328m ，则桩长为1622.5-1609.328=13.1m ，取整为13.5m 。

由于灌注桩密排布置，单根桩的侧向土压力较小，可以不进行桩基的承载力验算，仅按照《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》进行最小配筋率0.5%的配筋，经计算，配筋为15根φ28的钢筋。

可在受拉外侧配置8根，内侧配置7根即可。

4.5 钢管根数、入土深度确定及钢管承载力计算
根据构造安全，钢管按照2m间距布设，由于河床底下为基岩，入土深度按2m考虑，属于嵌固约束。

利用MIDAS/civil有限元分析计算软件，建立单桩受力分析模型，计算结果如下图所示。

有限元模拟计算弯矩、剪切力、应力分布云图
按照桥墩围堰底部受力情况，对有限元模型进行加载计算分析，得到弯矩、剪切力、应力分布云图结果，由图可知，桥墩围堰钢管单桩在河床位置处出现最大弯矩为151.2kN·m；在桩底出现最大剪切力为161.5kN，在河床位置处出现剪切力为54.9kN；在河床位置处出现最大剪切应力为88.95Mpa。

所以，采用间距2m布置的φ480×10mm的钢管桩结合模板组成的围堰可以
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满足结构承载力要求。

为了更加充分的提高钢管桩的利用效率，可以在钢管桩内灌满细砂，以确保结构更加安全稳定。

4.6围堰浮力计算
围堰抽水之后，承台施工之前所受浮力为：
()412#10009.815.4219.6723065.410W gV N ρ==⨯⨯⨯⨯=⨯水排
围堰重量为：
()32344 =2.41015.421 2.59.8+10 3.142 1.8436 2.5109.8 =4146.3103065.410G G G N N
=+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯≥⨯封底砼桩基础
所以围堰不会上浮。

4.7主要结论
1、封底混凝土的厚度为2.5m ，封底前需对围堰底部进行清淤，淤泥厚度不得大于0.3m 。

2、保证混凝土灌注桩深入基岩长度为2m 左右，桩长平均长度为13.5m ，可根据实际情况及基岩的倾斜程度调整桩长。

3、钢管平均长度为15m ，入土深度为2m ，钢管间距为2m ，长边布置17根，短边布置12根。