24#桥墩钢板桩围堰设计方案.docx
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24#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
一、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。
二、拉森钢板桩围堰设计
1、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:
Type
Width
宽度
W
Height
高度
H
Mass
(singlepile)
质量
(单根桩)
质量
(每平米)
Steel
Grade
材质
MomentofInertia
惯性矩
SectionModulus
截面模量
mm
mm
kg/m
kg/m2
cm4/m
cm3/m
TYPE-IV
400
170
76.1
190.25
Q345R
38600
2270
钢板桩力学性能:
σb=510MPaσs=345MPa[δ]=215MPa
2、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)。
3、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。
4、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=46472cm4Wx=1859cm3A=119cm2q=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。
2、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。
3、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=10Kγ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=1.43m/s,围堰钢板桩处水的流速按0.5m/s考虑,则此时:
P动=10Kγ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
四、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=2270cm3;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)=17.84kN/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=2.80mh1=1.11*h=3.11mh2=0.88*h=2.46mh3=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=3.3mh1=2.8mh2=1.5mh3=1.6m
2、钢板桩围堰施工各工况计算
3、
施工步骤:
施工准备打钢板桩工况一:
开挖至+1.2m工况二:
第一道内支撑工况三:
开挖至-1.6m工况四:
第二道内支撑工况五:
开挖至-3.1m工况六:
第三道内支撑工况七:
开挖至-4.2m工况八:
混凝土封底施工工况九:
封底混凝土强度达70%后拆第三道内支撑工况十:
承台下部施工工况十一:
承台下部达到强度后,第三道内支撑再次支护位于-1.5m处,拆下第二道内支撑桥墩施工完毕基坑回填夯实拆除内支撑然后拔桩
利用理正深基坑支护结构设计软件计算:
工况一:
工况二:
工况三:
工况四:
工况五:
工况六:
工况七:
工况九:
混凝土封底达到强度后,封底混凝土相当于对基坑底部增加一道内支撑,此时基坑深度为7.7m,钢板桩受力情况比工况七要有利,所以该工况不做计算。
工况十一:
相当于在工况九的条件下将第一道内支撑与第二道内支撑的间距加大到3.2m
由计算结果可知:
Q1=226.20KNQ2=100.67Q3=88.77KN
Mmax=414.65KNm<M=488KNm
4、抗管涌计算:
抗管涌稳定安全系数(K>=1.5):
Kγ0γwh/(h+2D)=γ'
式中:
γ0———侧壁重要性系数;
γ'———土的有效重度(kN/m3);
γw———地下水重度(kN/m3);
h———地下水位至基坑底的距离(m);
D———桩(墙)入土深度(m);
K=1.75>1.5,满足规范要求。
5、抗隆起计算:
Ks=25.132>1.5,满足规范要求。
6、整体稳定性计算:
滑裂面数据
圆弧半径(m)R=10.500
圆心坐标X(m)X=-2.361
圆心坐标Y(m)Y=5.330
整体稳定安全系数Ks=2.509>1.5满足规范要求
6、围檩受力计算:
由上述计算可知钢板桩围堰第一道内支撑受力最大,所以以第一道内支撑为对象进行计算:
围檩均采用2I50a的工字钢钢双拼焊接而成,查表可知:
Ix=46472cm4Wx=1859cm3A=119cm2q=93.6Kg/m[δ]=170MPa
由Q1=226.20KN内支撑间距L=5m得围檩最大弯矩为:
Mmax=0.07Q1L2=395.85KNm
安全系数K=1.2时δ=Mmax/(2Wx)=106.5MPa<[δ]/K=141.67MPa
内支撑受力R1=Q1L=1131K
压弯应力为:
δ=Mmax/(2Wx)+R1/(2A)=111.2MPa<[δ]/K=141.67MPa
7、内支撑受力计算:
内支撑选用Φ400×14钢管,查表:
D=400mmt=14mmi=13.65cmA=169.7717cm2
Ix=31644.7cm4Wx=1582.2cm3L=12.6m
长细比λ=L/i=92.3查表稳定系数φ=0.669
钢管自重弯矩Mmax=26.5KNm
则:
δ=R1/(φA)+Mmax/Wx=116.33MPa<[δ]/K=141.67MPa
8、围堰整体抗浮验算
封底砼采用C25,施工厚度为1.5m,施工考虑砼底存在“夹泥”及顶面浮浆的因素,计算厚度取1.3m,围堰尺寸:
34.4m×13.6m;
C25混凝土设计值ftd=1.27MPa,考虑为施工阶段混凝土的允许弯拉应力取1.5倍安全系数,则[σ]=0.85(MPa),
桩基外径为2.8m,共10根;
钢与混凝土粘结力:
一般取100-200kN/m2,这里取120kN/m2;
混凝土容重:
23kN/m3;
封底混凝土体积:
V=1.3×(34.4×13.6-3.14×1.42×10)=528.2m3
封底混凝土自重:
G=23×528.2=12148.6KN
桩基粘结力:
T1=1.3×3.14×2.8×120×10=13715.5KN
钢板桩与封底混凝土的粘结力:
为便于施工后钢板桩拔出,在封底砼浇筑前钢板桩内侧铺设塑料薄膜,所以钢板桩与封底混凝土的粘结力按0.5系数计算:
T2=1.3×34.4×13.6×120×0.5=36491.5KN
封底混凝土底面受水浮力:
P=(34.4×13.6-3.14×1.42×10)×10×9.2=37379.2KN
根据《地铁设计规范》中规定抗浮安全系数不小于1.05,此处
抗浮系数K=(G+T1+T2)/P=(12148.6+13715.5+36491.5)/37379.2=1.67>1.05
围堰整体抗浮满足要求。
五、结论
通过上述钢板桩围堰设计计算可知:
钢板桩选型、长度设计、围檩材料选型、内支撑材料选型及支护设计均满足24#桥墩施工要求。
同时,通过25#、26#桥墩技术资料可以看出:
24#桥墩钢板桩围堰基坑最深,钢板桩受力处于最不利的条件,所以24#桥墩钢板桩围堰及支护形式完全适合25#、26#桥墩的条件。
但由于钢板桩入土深度达到了卵石层,对钢板桩的贯入造成极其不利的影响,打桩难度很大。
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