水中承台钢板桩围堰计算书

第施工－Ⅱ标段永宁黄河特大桥

水中承台钢板桩围堰方案

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中铁四局集团有限公司太中银铁路工程指挥部

二00六年十月十日

水中承台钢板桩围堰方案

一、工程概况

太中银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。

永宁黄河特大桥为全线重点控制工程的两桥一隧之一。永宁黄河桥中心里程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，64#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：

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细砂，天然密度2.01/3,内摩擦角24度，凝聚力=8粒径（)：0.5-0.25（2.7%)；0.25-0.075（84%)；<0.075(13.3%)细砂,粒径():0.5-0.25(3.5%);0.25-0.075(87.6%);<0.075(8.9%)细砂，粒径()：0.5-0.25(4%)；0.25-0.075(85%)；<0.075(11%)细砂，粒径():0.5-0.25(7.5%);0.25-0.075(89.2%);<0.075(3.3%)细砂，粒径():0.5-0.25(4%);0.25-0.075(85.9%);<0.075(10.1%)

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。

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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：

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内支撑围囹平面图如下：

钢管斜撑钢围囹

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）64-2简化式计算：

hp1.04(AdBcQ20.90)()0.66hcm Qc(1)BcgQcQp

QcQt1Q2Ad(式中：

Bz0.15) Hzhp—桥下一般冲刷后的最大水深(m)； 的设计流量（m3/s）； Qp—频率为P%

，当河槽能扩宽至全桥时取用Qp； Q2—桥下河槽部分通过的设计流量（m3/s）

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； Qc—天然状态下河槽部分设计流量（m3/s）； Qt1—天然状态下桥下河滩部分设计流量（m3/s）

Bcg—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； Bz—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Bcg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； ； hcm—河槽最大水深（m）

Ad—单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段当Ad>1.8时，Ad可采用1.8； ，对复式河床可取平滩水位时河槽平均水深。 Hz—造床流量下的河槽平均水深（m）带入下表已知数据

Qp (m3/s) 5750.00 Bc(m) 550.00 计算得hp=8.27m 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V≤V0 hbKKBh0.60.1521phcm Bz(m) Hz(m) Qt1(m3/s) Qc(m3/s) 5.70 550.00 3.40 706.00 5044.00 Bcg(m) μ 阻水面积(m2) 总过水面积(m2) 550.00 0.96 193.8 2875.00 VV0'() V00.15当V>V0 hbKK2Bh0.61pVV0'n2() V0 K20.240.0023 0.37d52.2dV00.28(d0.7)0.5 V0'0.12(d0.5)0.55

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n2(V00.230.19lgd) V式中：

； hb—桥墩局部冲刷深度（m）

K—墩形系数； ； B1—桥墩计算宽度（m）

； hp—一般冲刷后的最大水深（m）； d—河床泥沙平均粒径（mm）

K2—河床颗粒影响系数； ； V0—河床泥沙起动流速（m/s）； V0'—墩前泥沙起动流速（m/s）

n2—指数

V—一般冲刷后墩前行进流速（m/s）

Ad0.1Q20.1Bch V()[]0.34(cm)2/3Vc

1.04Qc(1)Bcghc式中:

； Vc—河槽平均流速（m/s）。 hc—河槽平均水深（m）代入下表已知数据

K 1.05 Bz(m) hcm 5.70 hc 3.40 B1(m) 17 hp(m) 8.27 d(mm) 0.20 Vc 2.00 μ Hz(m) Q2(m3/s) Qc(m3/s) Bc(m) Bcg(m) 550.00 3.40 5044.00 5044.00 550.00 550.00 0.96 计算得hb=15.02m。

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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

E2.55104MPa

122W0.667m3

6123I0.667m4

12 A2m2

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：

Mmax1166.84kNm fmax1.24mm ft,maxMmax1166.841061.75MPaftk1.78MPa，合格；

W0.667109 word文档 可自由复制编辑

fmax1.24mm17000，合格。 4003、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

FV1016.816.812.4935282kN

1.516根φ150cm桩基混凝土重量G桩16混凝土V=1624()260=40715kN

2由G桩〉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。

AP封底混凝土底面局部冲刷线EpEaB①、荷载计算

a 、土压力计算

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土压力采用eakaH epkpH计算。

； ka—主动土压力系数，katan2(45)，为砂土的内摩擦角（24）

2 kp—被动土压力系数，kptan2(45)；

2 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10.1KN/m3。 则土压力计算分别如下：

24)0.422 主动土压力系数katan(452224)2.371 被动土压力系数kptan(4522主动土压力eakax4.2x kN/m2

被动土压力epkp(8.8x)10.12.371(8.8x)24(8.8x) kN/m2 b 、动水压力计算

v2动水压力采用P10KHB计算：

2gK—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（kN/m3）；g—重力加速度（m2/s）。

v241m宽范围内的动水压力P10KHB10223.29110932kN

2g210②、入土深度计算

取1m宽范围对B点取矩，令MB0，埋入深度为x米,得

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P(Hxxhxhxx)ea1ep10 22323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：

桩顶1112.05水面1111.55一般冲刷1103.28承台底1099.06局部冲刷1088.26桩底1082.05

4.2.1.1、荷载计算 钢板桩受力图示如下：

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o(o')

钢板桩主要受动水压力P，主动土压力Ea1、Ea2，被动土压力Ep1、Ep2，摩擦力f1、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f2、f3、f4，

使钢板桩保持稳定，各力对中心线OO’求矩，使得M抗倾覆kM倾覆，k为安全系数（1.5-2.0），此处取1.8。

（1） 动水压力计算

v2动水压力采用P10KHB计算：

2gK—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（10KN/m3）；

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g—重力加速度（10m2/s）。

v24动水压力P10KHB10223.2916.81015651KN

2g210（2） 土压力计算 土压力按如下公式计算

EaeaHHB eakaH EpeB epkpH p22式中：ka—主动土压力系数，katan2(45)，为砂土的内摩擦角（24）；

2 kp—被动土压力系数，kptan2(45)；

2 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10.1KN/m3。 则土压力计算分别如下：

。h124。6.212。24Ea1tan(45)h1B10.1tan(45)6.2116.81381KN 22222。。h224。15.012。24Ea2tan(45)h2B 10.1tan(45)15.0116.88066KN

22222。。h124。6.212。24Ep1tan(45)h1B 10.1tan(45)6.2116.87757KN

22222。。h224。15.012。24tan(45)h2B 10.1tan(45)15.0116.845320KN

22222。Ep2（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f1f4Lh126.286.21304896KN，

f2f3Lh226.2815.013011834KN

（h1、h2为土层厚度，τ为土的极限摩阻力，此处为30kPa。）

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4.2.1.2、稳定性计算 对OO’求矩得：

M抗（Ep1Ea1)h1hB(Ep2Ea2)2(f1f2f3f4)F(Hh1) 332带入数据得M抗480656+29.5F

M倾P(H1h1)15651(23.296.21)279449KNm 22由M抗倾覆1.8M倾覆得：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=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：

钢管桩冲刷线钢板桩冲刷线β=60度

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钢管桩入水深度h23.293tan6018m

（23.29m为钢板桩入水深度，3m为钢板桩与钢管桩的间距。）

v2动水压力采用P10KhD计算：

2gK—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（10KN/m3）； g—重力加速度（10m/s2）。

v24总动水压力P10KhD101.8180.810518kN

2g210钢管桩力学性能参数及指标如下： A=99224mm2

W=1.0310mm I=1.0310mm

11483力学模型如下：

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hMmaxPFh518950.6185572.8kNm2 6FsmaxPF51850.656k8.N

Mmax5572.861054MPa181MPa max，合格； 8W1.0310Fsmax568.63106MPa10MPa6 maxA992244.2.1.4、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

N50.61039MPa175MPa，合格。

A22880四、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

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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： word文档 可自由复制编辑

桩顶1112.05水面1111.55一般冲刷1103.28承台底1099.06抛填碎石1094.26局部冲刷1088.26桩底1088.05

o(o')

钢板桩主要受动水压力P，主动土压力Ea1、Ea2，被动土压力Ep1、Ep2，摩擦力f1、

f2、f3、f4，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

v2动水压力采用P10KHB计算：

2gK—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（10KN/m3）； g—重力加速度（10m2/s）。

v24动水压力P10KHB10217.2916.81011619KN

2g210（2）、土压力计算

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土压力按如下公式计算

HB 其中 eakaH 2H EpepB 其中epkpH

2Eaea式中：ka—主动土压力系数，katan2(45)，

2 kp—被动土压力系数，kptan2(45)；

2为砂土的内摩擦角（24）；

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10.1KN/m3。 则土压力计算分别如下：

。h124。6.212。24Ea1tan(45)h1B10.1tan(45)6.2116.81381KN 22222。。h224。9.012。24Ea2tan(45)h2B 10.1tan(45)9.0116.82905KN

22222。。h124。6.212。24Ep1tan(45)h1B 10.1tan(45)6.2116.87757KN

22222。。h224。9.012。24tan(45)h2B 10.1tan(45)9.0116.816331KN

22222。Ep2（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f1f4Lh126.286.21304896KN，

f2f3Lh226.289.01307104KN

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M抗倾覆kM倾覆，

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k为安全系数（1.5-2.0），此处取1.5。 对OO’求矩得：

M抗（Ep1Ea1)h1hB(Ep2Ea2)2(f1f2f3f4)F(Hh1) 332带入数据得M抗255121+23.5F

M倾P(H1h1)11619(17.296.21)172600KNm 22由M抗倾覆1.5M倾覆得：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

v24q1=10KHB/H=10212.50.410/12.516kN/m

2g210K—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（10KN/m3）；g—重力加速度（10m2/s）。

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静水压力产生的线荷载

q2H0.412.5100.450kN/m

γ—水的容重（10KN/m3），H—水深（12.5m） F=50.6kN

1.2、材料力学性能参数 ISP-Ⅳ型钢板桩:

W362cm3，I4670cm4，A96.99cm2

1.3、计算模型

66kN/mF=50.6kN16kN/m

1.4、承载力检算

采用清华大学SM Solver 进行结构分析：

fmax1.64 Mmax38.34kNm Qmax89.5kNmmmaxMmax38.34106105.9MPa181MPa，合格； W362103Qmax89.51039.2MPa106MPa，合格；

A9699fmax1.64mm25006.25mm，合格。 4002、钢围囹受力检算

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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。

v2动水压力q1=10KHB/H

2gK—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（10KN/m3）；g—重力加速度（10m/s2）。 静水压力q2H2.5

γ—水的容重（10KN/m3），H—水深（10m）

qq1q21022.5411010102.5350kN/m 2102.2、材料力学性能参数 I45c工字钢

W1570cm3,I35280cm4,A120cm2 2.3、力学模型

2.4、承载力检算

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采用清华大学SM Solver 进行结构分析：

Mmax425.93kNm Qmax711.7k9N fmax1.94mm斜撑处最大支反力Pmax1330.74kN

maxMmax415.93106132.5MPa181MPa，合格； 32W2157010Qmax711.7910329.7MPa106MPa，合格；

2A212000fmax1.94mm33608.4mm，合格。 4003、斜撑钢管检算

φ600×10mm钢管力学性能参数：

W2689177mm3,I8.07108mm4,A18526mm2，i209mm 钢管主要受轴力N及自重q

N2Pmax1330.742kN1882kN

qG/lAl/l185261069.578/9.51.45kN/m

NM18821031/121.459.52106105.7MPa175MPa，合格。 强度计算：AW185262689177稳定性计算：l0950045.5。按b类截面查稳定系数为0.878。 i209NM18821031/121.459.52106105.7MPa0.878175154MPa，

AW185262689177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Pmax1330.74kN 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hf：

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hfmin1.5tmax1.5166mm，hfmax1.2tmin1.21012mm

因t110mm6mm，hfmax10(1~2)9~8mm，所以可选择焊脚尺寸hf8mm

焊脚长度 lw2D26002666mm

N1330.74103f89MPa

0.7hflw0.782666V1330.74103f89MPa

0.7hflw0.782666f22892()f()892115MPaffw160MPa，合格。 f1.22 word文档 可自由复制编辑