水中主墩钢板桩围堰力学计算

某某大桥6、7号墩

钢板桩围堰受力计算书

一、计算依据

1、《某某大桥6、7号墩承台钢板桩围堰设计图》；

2、《注册结构工程师专业考试应试指南》（2008年施岚青主编）

3、《路桥施工计算手册》

4、《钢结构设计规范》（GB-50017-2003）

5、《板桩法》中国水利出版社

6、《公路桥涵设计规范》人民交通出版社

二、基本资料:

1、Q235钢材的允许应力：[σ]Q235=145Mpa

2、钢材重度：78.5kN/m

3、素砼重度：24kN/m3、水重度：γw=10kN/m3

3、封底混凝土C30抗拉强度设计值

MPa f

td

43

.1

=

4、混凝土与钢的粘结力[τ]=150Kpa

5、原装日本日铁SKSP-Ⅳ型拉森钢板桩参数

宽度B=400mm、高度h=185mm、厚度t=16.1mm、一根桩截面积A=94.2cm2、重量W=76.1kg/m、惯性矩Ix=5300cm4、截面模量W x=400cm3、每延米桩墙重量W=185kg/m、惯性矩Ix=41600cm4/m、截面模量W x=2250cm3/m。

三、水土压力计算

1、基本计算数据

6号墩地质柱状图(围堰标高范围内）数据如下：

3.25m～-0.54m为水，天然容重γ0为10KN/m3。

-0.54～-9.64m为淤泥（地质柱状图中为-3.0m，因下面的粉质粘土层作为嵌固端支点位置位于淤泥层以下，故取计算时取淤泥层底标高为-9.64m），淤泥层承载力为40KPa，其内摩擦角ϕ1取5°，粘结力c1为10kPa，天然容重γ1为18KN/m3。

-10.3～-14.0m为粉质粘土，内摩擦角ϕ2为20°，粘结力c2为20kPa，天然容重γ2为18KN/m3。

2、水压力及土压力计算

2.1 土压力系数计算

水土压力计算方法：

河床以下钢板桩深度范围依次为透水性差的淤泥、不透水的粉质粘土层。

依据2008年《注册结构工程师专业考试应试指南》（施岚青主编）P896页，对于渗透性小的土层计算土压力时采用“水土合算”法，即在计算土压力时将地下水位以下的土体重度取为饱和重度，水压力不再单独叠加；对于渗透性大的土层计算土压力时采用“水土分算”法，即在计算土压力时将地下水位以下的土体重度取为浮容重，水压力单独叠加。

淤泥层承载力为40KPa ，此淤泥层为不透水层。故淤泥层采用水土合算法计算，粉质粘土层作为钢板桩底部支撑用，不参与土压力计算。

主动土压力系数计算

依据《简明施工计算手册》（第三版）P180页公式4-1b ，

Pa=γHtg 2(450-2ϕ)-2ctg(450-2ϕ)

=γHKa-2c Ka

其中Ka1= tg 2(450-2

ϕ

)

计算淤泥层主动土压力系数Ka1： Ka1=tg 2(450-21ϕ)= tg 2(450-2

5)=0.84

被动土压力系数计算 依据《简明施工计算手册》（第三版）P184页公式4-7，

Pp=γHtg 2(450+2ϕ)+2ctg(450+2ϕ)

=γHKp+2c p K

其中Kp= tg 2(45+2

ϕ

) 计算淤泥层的被动土压力系数Kp1：

Kp2=tg 2(450+

21ϕ)= tg 2(450+25)=1.19 2.2 主动与被动水土压力计算

2.2.1 主动水土压力计算

河床面水压力=00h γ=10×3.79=37.9KPa

淤泥层主动水土压力计算：

淤泥层采用水土合算法：

淤泥层顶面水土压力=00h γKa1-2c11a K =37.9*0.84-2*10*84.0=13.54KPa 。

淤泥层底面水土压力=（00h γ+11h γ）Ka1-2c11a K

=（37.9+18*9.64）*0.84-2*10*84.0

=165.4KPa 。

2.2.2 被动水土压力计算

根据施工工序安排，本钢板桩围堰准备采用水下封底施工，水下混凝土厚度为100cm ，水下砼底标高为-2.8m ，水下封底混凝土浇筑之前围堰外土体比围堰内土体高8.0m 。由于封底砼浇筑围堰内抽水后围堰内无水压力作用，故只需计算围堰内清除覆盖层至封底底面标高时的被动水土压力。

下面对被动水土压力计算如下：

围堰内淤泥层顶面水压力='0'0h γ=10*11.3=112.3KPa 。

淤泥层被动水土压力计算：

淤泥层采用水土合算法：

-2.8m 处淤泥层水土压力 =1P 1P '0'0c 2K K h +γ=10*11.3*1.19+2*10*19.1=156.3KPa 。

-9.64m 淤泥层底面水土压力=1P 1P 11'0'0c 2)'(K K h h ++γγ

=（10*11.3+18*1.0）*1.19+2*10*19.1 =178KPa

四、钢板桩入土深度计算及基底抗隆起稳定性验算

由于钢板桩底已打入到粉质粘土层6米左右，查阅《桥涵》（2000年版)上册P172页，《板桩尖支撑情况表》，对“密实土，但可能被水扰动，入坑底超过

2m”，可按打入到粘土层中50cm处按桩端嵌固计算。既然桩端嵌固，显然钢板桩底的入土深度是能够满足要求的。

对于桩端嵌固的钢板桩，钢板桩底显然是不会发生隆起现象的，故可认为围堰内基底的抗隆稳定性能够满足要求。

五、钢板桩围堰受力计算

由于钢板桩采用水下封底法施工工艺，钢板桩围堰有三个工况受力较为不利：工况1是钢板桩围堰内水下清除覆盖层至封底底面标高-2.8m时。

工况2是围堰内抽干水时。

工况3是承台浇筑完毕，承台与钢板桩之间填筑砂砾石，承台顶部侧面30cm浇筑C30砼，砼达到强度后拆除第二道内撑时。

1、工况1围堰受力计算

在围堰进入到粉质粘土层50cm处对钢板桩施加固结约束，取1m宽钢板桩进行受力分析，钢板桩计算简图如下：

（1）、钢板桩弯应力计算

钢板桩弯矩图如下：

最大弯矩为29725493N.mm

考虑采用日本Ⅳ型钢板桩，其W=2250000mm3，W值考虑0.7倍折减系数，容许应力[σ]=200MPa

则最大应力

σmax=Mmax/W/0.7=/2250000/0.7

=18.9MPa<[σ]=200MPa。

显然，钢板桩的弯应力是能满足要求的。