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1、水中墩 钢 板 桩 围 堰 施 工 支 护 计 算 书 1 结构设计概况 18#墩承台施工采用钢板桩围堰施工法施工。钢板桩围堰由定位桩、导框（含内导梁、内支撑）及钢板桩组成，钢板桩采用拉森 IV 型钢板桩，材质为 Q345，钢板桩单根长度为 18m，单个围堰平面尺寸为 8.4m8.4m，各设置三道内支撑，内支撑结构采用工 40 型钢，材质为 Q235。围堰顶高程为+18.0m，设计施工水位为+16.5m，围堰底高程为+0.0m。考虑到浇筑承台砼重量完全由封底砼与桩基间的摩阻力承担，且围堰施工时基底承受围堰抽水和基底挖深时水压、土压作用会导致基底发生挤高隆起，再加上渗流作用会出现翻砂、涌水或管涌
2、，因此本围堰基底处理设计采用封底混凝土，封底厚度 1.5m。18#墩钢板桩围堰立面布置如图 1。图 1 18#墩承台钢板桩围堰布置图 2 基本参数.2.1 钢板柱截面特性 拉森型钢板桩，其规格及参数见表 1 和图 2：表 1 钢板桩截面参数特性值表 型号 质量 断面模量（cm3）钢板桩尺寸（mm）（kg/m）对 a 边 对 b 边 b h t1 t2 75 315.2 814.8 400 155 15.5 9 图 2 拉森型钢板桩断面图 2.2 地质资料 根据地质勘察报告，18#墩地质资料及土层参数分别如表 2 所示。表 6.2 20#墩土层参数表 土层名称 层顶 标高 层底 标高 容重（kN
3、/m3）内摩擦角（）粘聚力（kPa）软土+11.5+9.6 17.3 5.0 10.1 粉土+9.6+6.6 19.1 13.1 9 粉质粘土+6.6+1.4 18.9 12.7 21 3 计算方法 钢板柱围堰的入土后，围堰上端受到内撑的支撑作用，下端受到封底混凝土与土体的嵌固支撑作用。由于内撑对钢板桩围堰是弹性支撑，并不是完全刚性，在反力计算时钢板桩按连续的简支梁处理，依此模型得到支反力。钢板桩入土深度计算采用盾恩近似法计算。本检算报告计算时取 1m 宽单位宽度钢板桩。计算钢板桩支反力时，弯矩为零的位置约束设置为铰接，即钢板桩梁相当于一个简支梁。钢板桩在封底混凝土处及以下全部固结，在 MID
4、AS 中限制全部约束。封底混凝土采用 ANSYS 完成强度计算。本工程土压力计算采用水土分算法，即钢板桩承受水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。4 施工步骤（1）钻孔桩施工结束后拆除钻孔平台，在桩基施工平台下部支撑钢管上焊接牛腿，安装第一道内环向支撑作为钢板桩插打导向围檩；（2）依次插打钢板桩至合拢；（3）围堰内吸泥至封底混凝土底部高程+6.128，浇筑水下封底混凝土；（4）封底混凝土达到设计强度要求时，围堰内抽水至+13.2m，在+13.2m 处安装第二道内支撑；（5）围堰内继续抽水至+10.7m，在+10.7m 处安装第三道内支撑；（6）抽水至封底混凝土顶部，凿除桩头进行承台、墩身施工
5、；（8）承台模板拆除后，向钢板桩与承台间回填细砂，拆除第三道支撑。向围堰内注水至+10.7m 处，拆除第二道内支撑；（9）继续向围堰内注水至围堰外水位，拆除第一道内支撑；（10）依次拔出钢板桩。5 检算依据 蚌埠市长淮卫淮河大桥设计图、蚌埠市长淮卫淮河大桥地勘资料；简明施工计算手册；公路桥涵地基及基础设计规范；钢结构设计规范（GB500017-2003）；Midas 设计手册。6 计算结果 6.1 支撑设计 本钢板桩方案设置3道钢围囹支撑，1.5m厚垫层混凝土，入土深度不小于 7.70m。6.2 荷载计算 钢板桩外侧主要承受静水压力、动水压力、土压力，内侧主要承受钢围囹支撑力。（1）静水压力计
6、算 承台底部水压力：KPahP881（2）水流冲击力计算 钢围堰迎水面宽度：b=8.4m 水中部分钢围堰高度：h=4m 水容重：w=10KN/m3 水流速度：V=4m/s 重力加速度：g=10m/s2 矩形阻水结构物形状系数：K=1.0 水流冲击力：Fw=K*A*（w*V2/2g）=1.0*8.4*4*（10*42/20）=268.8KN 水流冲击力换算成作用在围堰侧壁上的均布压力：P=Fw/(b*h1)=8KN/m2.（3）土压力计算 钢板桩外侧主要承受主动土压力，内侧主要受围囹内横承和被动土压力。主 动 土 压 力aaaKcKhqP2)(，被 动 土 压 力 按pppKcKhP2)(。本检
7、算报告入土深度采用盾恩近似法进行计算，对于不均质土层可采用加权平均计算得到后完成计算，本处不做过多阐述。6.3 入土深度计算 经加权平均可得，主动土压力系数637.0aK，被动土压力系数95.1pK。计算简图如下图示：图 3 计算简图 根据盾恩近似法：0)(2HLKHxKxKKaaap 可得57.5x 考虑 1m 冲刷，并取 1.2 的安全系数，入土深度为 7.7m。6.4 管涌计算 根据简明施工计算手册可知：bwrriK 式中：K安全系数，取 1.7；wr水容重，取3/10mKN;br土的浮重，取3/9.8109.18mKNrw；i水力梯度，取103.0)2/(xHHi 经计算6.8K远大于
8、 1.7，满足规范要求。6.5 基坑底部抗隆起稳定性验算 较深的软土基坑在水压力作用下，坑底软土可能受挤在坑底发生隆起现象，用滑动面法进行验算。滑动力矩为：22xHMwd 稳定力矩为：2),(20 xdSxMur 其中925.0)tan(hba，h为最底层内支撑相对封砼顶高度，b为坑底一半长度。uS为滑动面上不排水抗剪强度，取土层滑动面的平均不排水抗剪强度uS=30kPa 则安全系数为：7.187.1rdsMMK，满足坑底隆起验算。6.6 封底混凝土设计厚度计算 依据简明施工计算手册计算封底砼厚度 DfbMKhct5.3 式中 h封底混凝土厚度；K安全系数，按抗拉强度计算的受压受弯杆件为 2.
9、65；M板最大弯矩；b板宽；ctf砼抗拉强度设计值；D考虑水下混凝土可能与围堰下泥土掺混的增加厚度，本处取500mm。经计算mh5.1。6.7 封底混凝土强度计算 封底砼底面承受方向向上的水压力，顶部受承台砼荷载，同时承受封底砼自重荷载。建立整体封底砼实体模型如下图 2 所示，与各桩基连接位置的封底砼设置固结约束，计算时不考虑围堰对封底砼侧面的约束作用（偏安全）。对作用封底砼上的荷载计算如下：作用在封底砼底面的水压力：P1=88KPa 作用在封底砼顶面的承台砼荷载：P2=26*3=78KPa 封底砼自重：P3=24*1.5=36KPa 计算结果如下：图 4 封底砼 X 方向主应力云图 图 5
10、封底砼 Y 方向主应力云图 图 6 封底砼 Z 方向主应力云图 图 7 封底砼第 1 主应力云图 图 8 封底砼第 2 主应力云图 图 9 封底砼第 3 主应力云图 图 10 封底砼 Y 方向位移云图 综上，封底砼最大拉应力拉=0.61MPa0.8*拉=1.144MPa；最大压应力压=0.77MPa0.8*压=11.44MPa；封底砼最大变形 f=0.58mm。强度、刚度均满足设计规范要求。6.8 围堰抗上浮计算 钢板桩围堰施工完成后，浇筑 1.5m 水下封底砼，封底砼达到 80%设计强度后，围堰内抽水完成，钢围堰将承受很大的上浮力，上浮力主要靠钢围堰、封底砼自重以及封底砼与桩基的摩阻力共同克
11、服，验算结果如下：钢围堰内抽完水后的总上浮力：F 浮=V1*w=(8.4*8.4)*16.5*10*10=11143KN 钢围堰总重量：G1=1298.5KN 封底砼自重：G2=V2*c=(8.4*8.4-4*0.9*0.9)*3.14*1.5*24=7884.5KN 扣除钢围堰和封底砼自重后的上浮力：F 上=F 浮-G1-G2=1960KN F 上依靠封底砼与桩基的摩阻力抵消，则封底砼与桩基间的摩阻力：P=F 上/A=1960/(4*3.14*1.8*1.5)=58.8KPaP=150KPa 故，钢围堰内抽水后，抗浮满足要求。6.9 钢板桩模型计算 采用板单元，根据等刚度的原则将以上的钢板桩
12、截面换算为等效的矩形板截面。查得一片 0.4 米宽的钢板桩截面对重心轴 x-x 的惯性矩为：I=12629.4cm4，则等效的0.4米宽矩形钢板截面的厚度为：cmbIb54.1540/4.1262912/1233，则 在 计 算 模 型 中 的 板 厚 采 用15.54cm。计算采用 midas civil，其中钢板桩围堰采用板单元模拟，支撑围檩采用梁单元模拟。建立钢板桩整体模型如下图 11 所示。图 11 钢板桩围堰空间模型 将计算所得的水压力荷载、土压力荷载加入按面荷载形式施加与模型上，结构自重由程序自行计入，得到计算结果如下所示。（1）钢板桩应力计算结果 图12 钢板桩围堰等效应力云图
13、图13 钢板桩围堰X方向主应力云图 图 14 钢板桩围堰 Y 方向主应力云图 图 15 钢板桩围堰 Z 方向主应力云图 图 16 钢板桩围堰剪应力云图 （2）内部支撑应力计算结果 图 17 钢板桩围堰内部支撑最大组合应力云图（3）钢板桩围堰位移计算结果 图 18 钢板桩围堰位移云图 经计算钢板桩围堰最大等效应力 159MPa，位移 8.29mm，围檩结构最大组合应力 47.8MPa，位移 6.03mm，满足规范要求。7 计算结果 本检算报告对 18#承台钢板桩围堰进行了计算，结论如下：（1）钢板桩围堰强度、刚度满足规范要求；（2）围檩结构强度、刚度满足规范要求；（3）基坑封底混凝土满足规范要求，基坑抗隆起稳定性满足规范要求。