桥墩钢板桩围堰设计方案

鸭绿江大桥24#桥墩

钢板桩围堰设计方案

鞍山紫竹桩基础工程有限公司

二00二年一月十八日

24#桥墩钢板桩围堰计算书

工程概况

24号桥墩位于K11+187.00鸭绿江特大桥K11+820.00处，在朝鲜侧，承台长31.482m，宽10.8m，高度为4m，封底混凝土厚度1.5m，封底底标高为-4.2m；水文地质条件是：鸭绿江涨潮最高水位为+4.28m，水流速为2.86m/s，河床平均标高+2.2m，自上而下分别为粉质粘土、细沙、卵石；根据实际工程情况，本工程拟采用深基坑开挖拉森钢板桩围堰支护方式进行施工。

拉森钢板桩围堰设计

钢板桩选型：根据工程实际条件围堰选用热轧拉森Ⅳ型钢板桩，长度为15m。

图一钢板桩结构形式

钢板桩结构参数：

钢板桩力学性能：σb =510MPa σs=345MPa [δ] =215MPa

围堰外形设计：

根据承台设计尺寸，考虑到施工需要，主要是围堰打设方便、承台模板安装作业空间以及施工期间围堰内抽水、集水井设置等因素，并且使围堰边长满足所选钢板桩模数的整数倍，最后确定围堰为矩形单壁钢板桩围堰，围堰平面几何中心尺寸为：34.74m×13.94m，围堰内净尺寸为34.4m×13.6m，钢板桩数量为2×（85+33）=236（支），角桩4支，“人”字形分水岭钢板桩挡墙40支，钢板桩重量为：0.0761×15×（236+6+40）=322（吨）。

围堰标高设计：

根据施工季节鸭绿江潮汐情况和河流的历史最高水位，考虑浪头影响，钢板桩围堰上标高设定为+6.0m，钢板桩下标高-9.0m，承台下标高为-4.2m，则围堰内基坑深度为10.2m，钢板桩入土深度4.8m。钢板桩打拔施工利用钢平台做为施工通道。

钢板桩围堰支撑设计：

承台上标高及钢板桩实际受力情况分析，钢板桩围堰设三道围檩和内支撑，第一道支撑位于钢板桩上标高以下3.3m处，第二道支撑在第一道支撑以下2.8m处，第三道支撑在第二道支撑以下1.5m处，第三道支撑距离坑底1.6m，由于第二、第三道支撑影响承台施工，而混凝土封底达到强度后相当于在基坑底部的内支撑，当封底混凝土浇筑强度达到70%后即可拆除第三道支撑，承台混凝土需要分两次浇筑，第一次浇筑1.3m高，达到强度后加内支撑，拆除第二道支撑，实际上是对第二道支撑的置换；围檩均采用2I50a工字钢钢双拼焊接而成，沿围堰四周布置，围檩安装在与钢板桩焊接的牛腿上，牛腿间距1.6m，牛腿采用100×100等边角钢制作，围檩与外层钢板桩之间采用型钢顶紧焊接，50a工字钢Ix=46472cm4 Wx=1859cm3 A=119cm2 q=93.6Kg/m [δ] =170MPa 用量54吨；围堰内支撑均采用Φ400×14钢管，间距5m，每层6根，内支撑均用Φ400×14制作角部斜撑，钢管用量38.5吨。如图二所示。

图二钢板桩围堰平面图

三、钢板桩受力计算

1、围堰基本形式：如图三所示，河流水位按历史最高水位+5m计算，河水流速为2.86m/s，根据地勘钻孔编号为BZK53地质报告显示，24号桥墩处河床实际标高按+2.67米计算，水深为2.33m，围堰内最大开挖至-4.2m，抽水后基坑开挖深度：2.67+4.2=6.87m，钢板桩下标高-9m,钢板桩入土深度4.8m。

地质条件：K11+820.0右14.20m处河床以下土层情况为：

粉质粘土：层顶标高+2.67m，层底+0.38m，层厚2.29m，容重γ1=18.5kN/m3，粘聚力c1=13.3KPa，内摩擦角θ1=7.1o。

细沙：层顶标高+0.38m，层底-5.72m，层厚6.10m，容重γ2=19.1kN/m3，，粘聚力c2=0，内摩擦角θ2=30o。卵石1：层顶标高-5.72m，层底-12.52m，层厚6.8m，容重γ3=20.6kN/m3，，粘聚力c3=0，内摩擦角θ3=40o。土质大部分为沙土，透水性较强，水容重γ水=10KN/m3，为保证钢板桩围堰的整体安全性，计算时按水土分算法计算，不考虑粘聚力C。

钢板桩受力计算

为保证钢板桩围堰的安全，采用在围堰最不利状态进行计算，最高水位+5m,流速最大2.86m/s，以钢板桩围堰迎水面为对象，围堰开挖后混凝土封底不参加计算，计算以水平1延米为单位

图三钢板桩示意图

1）、流水压力：

F/动=10KAγ水v2/2g=10×1.3×13.94×2.33×10×2.862÷（2×9.81）=1760（KN）

单位水平延米压力值为：

P动=10 Kγ水v2/g=108.4（KN/m）

F动=1760÷13.94=126.3（KN）

设定河床表面水流速为0，则F动作用在河水表面以下1/3处，即0.78m处。

由计算可以看出：河水流速对钢板桩围堰每延米的压力为126.3KN，对钢板桩围堰的整体稳定性产生极其不利的影响，因此，需要采用在围堰上游打设“人”字形分水岭钢板桩挡墙，挡墙与水流方向成300夹角，以减小围堰处水的流速，此时分水挡墙处水的流速为2.86×sin300=1.43 m/s，围堰钢板桩处水的流速按0.5 m/s考虑，则此时：

P动=10 Kγ水v2/g=3.3（KN/m）

F动=3.85（KN）

2）、水压力计算：

P水=γ水h水

3）、主动土、被动土压力计算：

主动土压力系数：Ka1=tg2（450-7.10/2）= 0.78

Ka2=tg2（450-300/2）= 0.33

Ka3=tg2（450-400/2）=0.22

被动土压力系数：Kp1=tg2（450+7.10/2）= 1.28

Kp2=tg2（450+300/2）= 3

Kp3=tg2（450+400/2）= 4.6

P主i= P主i-1 +Kai（γi-γ水）hi+ P水i

F主i =(P主i-1+ P主i) hi

P被i= P被i-1 +Kpi（γi-γ水）hi+ P水i

F被i =(P被i-1+ P被i) hi

4）、钢板桩受力分布图：

图四钢板桩受力分布图

钢板桩围堰计算：

1、内支撑层数及上下间距计算：

采取等弯矩布置，这种布置是将支撑布置成使钢板桩各跨度的最大弯矩相等，以充分发挥钢板桩的抗弯性能，并使钢板桩材料用量最省。本工程围堰选用热轧拉森Ⅳ型钢板桩，查表得：截面系数W=2270 cm3 ；允许抗拉强度[δ] =215MPa。则：

钢板桩最大允许弯矩M=W[δ]=488KNm

主动土容重加权平均值为γ=（10×2.33+18.5×2.29+19.1×6.1+20.6×3.28）÷（2.33+2.29+6.1+3.28）=17.84 kN/m3主动土内摩擦角加权平均值为θ=（00×2.33+7.10×2.29+300×6.1+400×3.28）÷（2.33+2.29+6.1+3.28）=23.60则：Ka= tg2（450-23.60/2）=0.4282

由Mmax = [δ] W=[(γ-γ水)Ka+γ水] h3/6 计算得：

h=2.80m h1=1.11* h=3.11m h2=0.88* h=2.46m h3=0.77* h=2.16m

由基坑开挖深度H=9.2m可知，为增加钢板桩支护稳定性，防止钢板桩的倾覆，同时考虑流动水压力的影响，保证结构安全，所以设计采用三道内支撑，

h0=3.3m h1=2.8 m h2=1.5m h3=1.6m