某黄河特大桥水中承台钢板桩围堰方案(计算书)_secret

水中承台钢板桩围堰方案

一、工程概况

XXX铁路东自太原枢纽的榆次站引出，经陕西的太原、晋中、吕梁，跨黄河入陕西省榆林市，西进入宁夏自治区吴忠市，在包兰铁路黄羊湾站接轨至中卫；同时修建定边至银川的联络线。正线长约752km， 联络线长约192km。

XXX黄河特大桥为全线重点控制工程的两桥一隧之一。XXX黄河桥中心里程LDK672+962.76，孔跨布置为（2-32m）+（4-24m）+（38-32m）单线简支T梁+（18-48m）单线简支箱梁+（13-96m）简支钢桁结合梁+（5-48m）单线简支箱梁+（4-32m）单线简支T梁，桥长3942.08m。

桥址位于银川平原中部，横跨黄河，河面宽约800米，最大水深5.7米,流速2.0米/秒,设计水位1111.68米, 最高通航水位1111.55米, 测时水位1110.09米；63#墩--70#墩处在河中，其中63#墩、67#墩--70#墩处在河中，#墩--66#墩处在河中的冲积漫滩上，地层多为巨厚的粉、细砂层；承台尺寸均为14.6*14.6*6.5米, 底标高均为1099.06米, 每个承台下设16根φ1.5米钻孔桩,基础混凝土均为C30,桥址地质柱状图如下：

二、钢板桩围堰方案综述

综合考虑河中水文特点及地质情况，从节约成本出发，承台基坑施工拟采用钢板桩围堰方案。

承台平面尺寸为14.6m×14.6m，钢围堰平面尺寸设计为16.8m×16.8m。

方案一：采用2根15米宽0.4m的ISP-Ⅳ钢板桩接长至30m，围堰完成一般冲刷及局部冲刷后，钢板桩埋入砂层6米，未满足钢板桩固结所需求的入土深度，围堰外侧设30根φ800×10mm、30m长钢管桩用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。

方案二：主要考虑钢板桩较长无法全部打入砂层中时，采用2根12米钢板桩接长至24m，围堰完成一般冲刷及局部冲刷后，河床面至钢板桩围堰底，采用抛填袋装碎石埋没钢板桩围堰，抛填高度为6米，围堰外侧设30根φ800×10mm、30m长钢管桩用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。

承台底至水面钢板桩长12.49m,为保证抽水后钢板桩安全，基坑支撑的施工与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合实际，共设五层支撑围囹，顶层采用2I40a槽钢制成，其余每层围囹采用2I45c工字钢制成，每层围囹间隔2.5m。每层围囹内侧采用8根φ600×10mm钢管斜支撑，钢管长分别为9.5m，4.75m。

钢围堰及外侧支撑钢管平面布置图如下：

内支撑围囹平面图如下：

三、方案一情况下钢板桩围堰计算

1、钢板桩冲刷计算

1.1、一般冲刷计算

按公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002）-2简化式计算：

式中：

—桥下一般冲刷后的最大水深(m)；

—频率为P%    的设计流量（/s）；

—桥下河槽部分通过的设计流量（/s），当河槽能扩宽至全桥时取用；

—天然状态下河槽部分设计流量（/s）；

—天然状态下桥下河滩部分设计流量（/s）；

—桥长范围内的河槽宽度(m)，当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度；

—造床流量下的河槽宽度(m)，对复式河床可取平摊水位时的河槽宽度；

—设计水位下，在宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值；

—桥墩水流侧向压缩系数；

—河槽最大水深（m）；

—单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段当>1.8时，可采用1.8；

—造床流量下的河槽平均水深（m），对复式河床可取平滩水位时河槽平均水深。

带入下表已知数据

1.2、局部冲刷计算

按公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002）65-2简化式计算：

当≤ 

当>              

式中：

—桥墩局部冲刷深度（m）；

—墩形系数；

—桥墩计算宽度（m）；

—一般冲刷后的最大水深（m）；

—河床泥沙平均粒径（mm）；

—河床颗粒影响系数；

—河床泥沙起动流速（m/s）；

—墩前泥沙起动流速（m/s）；

—指数

—一般冲刷后墩前行进流速（m/s）

式中:

—河槽平均流速（m/s）；

—河槽平均水深（m）。

代入下表已知数据

2、封底混凝土计算

2.1、荷载计算

水下封底混凝土承受的荷载应按施工中最不利的情况考虑，即在围堰封底以后，围堰内的水被排干，封底素混凝土将受到可能产生的向上水压力的作用，现以此荷载（即为水头高度减去封底混凝土的重量）作为计算值。

采用2m厚C25混凝土封底，取1m宽计算，水面至承台底的高度 h=1111.55－1099.06=12.49m，混凝土主要受静水压力及自重作用。

线荷载q =γ(h+2)×1.0－24×2×1.0=96.9KN/m

2.2、材料力学性能参数及指标

2.3、力学模型

2.4、承载力计算

采用清华大学SM Solver 进行结构分析：

 ，合格；

，合格。

3、围堰的抗浮稳定性计算

围堰封底后，整个围堰受到被排水的向上浮力作用，应验算其抗浮系数K。

                 K=G/F〉1

式中：G—钢板桩重量（含内支撑）+封底混凝土自重+桩基混凝土重量之和+桩基侧摩阻力

16根φ150cm桩基混凝土重量

由〉F，得G〉F，即K〉1，则稳定性满足要求。

4、钢板桩计算

4.1、钢板桩入土深度计算

钢板桩顶口未加围囹及对口支撑时，仅靠入土深度提供的土压力维持钢板桩的稳定。

1、

荷载计算 

a 、土压力计算

土压力采用  计算。   

—主动土压力系数，，为砂土的内摩擦角（）；

      —被动土压力系数，；

 H—土层厚度（m）；

      —土的容重，此处由于土层位于水中，取土的浮容重10.1。

则土压力计算分别如下：

主动土压力系数

被动土压力系数

主动土压力 

被动土压力 

b 、动水压力计算

动水压力采用计算：

K—1.8-2.0，此处取2.0；

H—水深（m），此处为23.29m；

v—流速(m/s)，此处为2m/s；

B—阻水宽度（m），此处为1m；

γ—水的容重（）；g—重力加速度（）。

1m宽范围内的动水压力

2、

入土深度计算

取1m宽范围对B点取矩，令，埋入深度为x米,得

带入荷载解三次方程，经试算得：x=7.9m

4.2、钢板桩稳定性计算

由于水中冲刷太大，钢板桩不能满足固结条件，如钢板桩再接长，其打设入土困难，并需对钢板桩进行截断处理，其经济上并不可取，对此，在钢板桩围堰外侧设30根φ800×10mm、30m长钢管桩与围堰联成整体，用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。钢板桩围堰处标高图如下：

4.2.1.1、荷载计算

钢板桩受力图示如下：

钢板桩主要受动水压力P，主动土压力、，被动土压力、，摩擦力、、、，钢板桩外设15排30根φ800×10mm钢管桩，钢管桩给予的总拉力为F， 要使钢板桩保持稳定，各力对中心线OO’求矩，使得，k为安全系数（1.5-2.0），此处取1.8。

（1）动水压力计算

动水压力采用计算：

K—1.8-2.0，此处取2.0；

H—水深（m），此处为23.29m；

v—流速(m/s)，此处为2m/s；

B—阻水宽度（m），此处为16.8m；

γ—水的容重（10）；

g—重力加速度（10）。

动水压力

（2）土压力计算 

土压力按如下公式计算

式中：—主动土压力系数，，为砂土的内摩擦角（）；

      —被动土压力系数，；

 H—土层厚度（m）；

      B—土层宽度（16.8m）；

      —土的容重，此处由于土层位于水中，取土的浮容重10.1。

则土压力计算分别如下：

（3）摩擦力计算 

钢板桩侧与土的接触面水平投影长度L=（96.99/1.55）×（16.8/0.4）=2628cm=26.28m

则，

（、为土层厚度，τ为土的极限摩阻力，此处为30kPa。）

4.2.1.2、稳定性计算

对OO’求矩得：

带入数据得

由得：F=758kN

4.2.1.3、钢板桩外钢管计算

钢板桩外设15排30根30m长φ800×10mm钢管桩用于稳定围堰，由于钢管桩在水中受力较大，为保证钢管受力稳定，需采取使每排两根钢管桩形成整体共同受力，具体措施可采用φ810mm钢箍套在钢管桩上，钢箍横向采用20a工字钢焊接牢固，沉入水底，第二道钢箍上采用2m长∠75×10角钢焊接成竖撑（保证与第一道钢箍间隔2m），沉入水中，依次下去，共设置9道钢箍套于钢管桩上，以保证两根钢管桩形成整体受力。

每排钢管桩顶承受的水平力=F/15=50.6kN。

钢板桩的冲刷对钢管桩所处水深产生一定影响，具体影响图示如下：

钢管桩入水深度

（23.29m为钢板桩入水深度，3m为钢板桩与钢管桩的间距。）

动水压力采用计算：

K—1.8-2.0，此处取1.8；

h—水深（m），此处为18m；

v—流速(m/s)，此处为2m/s；

B—阻水宽度（m），此处为0.8m；

γ—水的容重（10）；

g—重力加速度（10）。

总动水压力

钢管桩力学性能参数及指标如下：

A=99224

W=

00

I=

力学模型如下：

 ，合格；

4.2.1.4、钢管顶支撑计算

钢管顶与钢板桩之间采用2根20a槽钢支撑，槽钢受力N=50.6kN

，合格。

四、方案二情况下钢板桩围堰计算

考虑方案一采用30m钢板桩时，无法打入，因此方案二采用打入24m钢板桩，由于局部冲刷深度接近24m钢板桩底，由于水流速度不断变化，地质条件的差异，因此施工

过程中需对围堰冲刷情况进行监测，如发现冲刷较大，应及时往水中抛填碎石道喳埋没钢板桩围堰，抛填高度为6米，，确保道喳顶面高程为1094.26m,保证钢板桩外侧有6.21m的入土深度。围堰外侧设30根φ800×10mm、30m长钢管桩用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。钢板桩标高图如下：

1、钢板桩稳定计算

1.1、荷载计算

钢板桩受力图示如下：

钢板桩主要受动水压力P，主动土压力、，被动土压力、，摩擦力、、、，钢板桩外设15排30根φ800×10mm钢管桩，钢管桩给予的总拉力为F，

（1）、动水压力计算

动水压力采用计算：

K—1.8-2.0，此处取2.0；

H—水深（17.29m）；

v—流速(2m/s)；

B—阻水宽度（16.8m）；

γ—水的容重（10）；

g—重力加速度（10）。

动水压力

（2）、土压力计算 

土压力按如下公式计算

 其中  

  其中

式中：—主动土压力系数，， 

      —被动土压力系数，；

为砂土的内摩擦角（）；

 H—土层厚度（m）；

      B—土层宽度（16.8m）；

      —土的容重，此处由于土层位于水中，取土的浮容重10.1。

则土压力计算分别如下：

（3）、，摩擦力计算 

钢板桩侧与土的接触面水平投影长度L=（96.99/1.55）×（16.8/0.4）=2628cm=26.28m

则，

1.2、稳定性计算

要使钢板桩保持稳定，各力对中心线OO’求矩，使得，

k为安全系数（1.5-2.0），此处取1.5。

对OO’求矩得：

带入数据得

由得：F=160.8kN

2、钢板桩外钢管计算

由于此时钢管桩受力小于4.2.1.2中受力，可不必进行检算。

五、钢板桩受力检算

方案一、二中自承台底至水面钢板桩长12.49m,为保证抽水后钢板桩安全，基坑支撑的施工与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合实际，共设五层支撑围囹，每层间隔2.5m，围囹采用2I45c工字钢制成。

1、钢板桩计算

1.1、荷载计算

取单块0.4m宽钢板桩计算，主要受动水压力、静水压力及钢管拉力。

动水压力产生的线荷载

K—1.8-2.0，此处取2.0；

H—水深（12.5m）；

v—流速(2m/s)；

B—阻水宽度（0.4m）；

γ—水的容重（10）；g—重力加速度（10）。

静水压力产生的线荷载

   γ—水的容重（10），H—水深（12.5m）

F=50.6kN

1.2、材料力学性能参数

ISP-Ⅳ型钢板桩:

，，

1.3、计算模型

1.4、承载力检算

采用清华大学SM Solver 进行结构分析：

，合格；

，合格；

，合格。

2、钢围囹受力检算

2.1、荷载计算

最底层围囹（受力最大）所在水深H=12.5-2.5=10m，围囹采用2I45c工字钢制成，承受2.5m高度范围内的钢板桩传递的动水压力及静水压力。每层围囹内侧采用8根φ600×10mm钢管斜支撑，钢管长为9.5m，4.75m。

动水压力

K—1.8-2.0，此处取2.0；

H—水深（10m）；

v—流速(2m/s)；

B—阻水宽度（1m）；

γ—水的容重（10）；g—重力加速度（10）。

静水压力

   γ—水的容重（10），H—水深（10m）

2.2、材料力学性能参数

I45c工字钢

2.3、力学模型

2.4、承载力检算

采用清华大学SM Solver 进行结构分析：

斜撑处最大支反力

，合格；

，合格；

，合格。

3、斜撑钢管检算

φ600×10mm钢管力学性能参数：

，

钢管主要受轴力N及自重q

强度计算：，合格。

稳定性计算：。按b类截面查稳定系数为。

，合格。

4、斜撑钢管焊缝计算

焊缝受轴心压力N和平行于焊缝方向的剪力V，大小等于7.4节中

采用16mm厚垫板置于工字钢及钢管之间进行焊接。

计算焊脚尺寸：

，

因，，所以可选择焊脚尺寸

焊脚长度 

，合格。