拉森钢板桩围堰计算

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1、大桥20#、21#墩钢围堰检算1.1结构概况20#、21#墩基础施工采用钢板桩围堰法。钢板桩采用拉森W型钢板桩，材质 为SY295, 20#墩钢板桩单根长度为18m,围堰平面尺寸为28.8X13.2m，共设置 两道内支撑，围堰顶高程为+30.09m,围堰底高程为+12.09m,封底混凝土厚2.2m； 21#墩钢板桩单根长度为18m,围堰平面尺寸为28.8X13.2m,共设置三道内支撑， 围堰顶高程为+30.09m，围堰底高程为+8.09m,封底混凝土厚2.5m。由于21#墩 承台比20#承台埋深深度大,围堰受力较21#墩更不利,本计算取21#墩围堰进 行计算；21#墩钢板桩围堰立面布置如图6.

2、1。H!38.6Mt ：-!-. ：? -I. !：弟三耶潮a. 33图6.1 21#墩钢板桩围堰立面布置图1.2 基本参数1.2.1 钢板柱截面特性表6.1钢板桩截面参数特性值表钢板桩型号单根钢板桩每延米钢板桩宽侧厚壁厚面积惯性矩截面矩BHtAIXZXmmmmmmcm2/mcm4/mcm3/mSkSP-SX2760021018225.55670027001.2.2 地质资料根据地质勘察报告，20#、21#墩地质资料及土层参数分别如表 6.2、表 6.3表6.2 20#墩土层参数表土层名称层顶 标咼层底 标咼容重(kN/m3)内摩擦角()粘聚力(kPa)粉质粘土+28.17+18.9719.7

3、21.411.5粉土+18.97+13.0718.826.37.5表6.3 21#墩土层参数表土层名称层顶标咼层底标咼容重(kN/m3)内摩擦角()粘聚力(kPa)淤泥粉质粘土+28.09+20.2918.513.26.4粉质粘土+20.29+4.2919.721.411.51.3 计算方法 由于钢板柱围堰的入土深度较大，土体对入土部分的围堰起到了嵌固作用， 此时围堰上端收到内撑的支撑作用，下端受到土体的嵌固支承作用。但是，由于 内撑对钢板桩围堰是弹性支撑，并不是完全刚性，因此，在计算中，先假设内撑 对钢板桩为刚性支撑，计算出钢板桩作用于圈梁的反力，将该反力作用在内撑上 计算出钢板桩与内撑连接

4、处的最大位移，最后对钢板桩施加强制支座位移，得出 钢板桩的内力和应力。等值梁法计算钢板桩围堰，为简化计算，常用土压力等于零点的位置来代替 正负弯矩转折点的位置。计算土压力强度时，应考虑板桩墙与土的摩擦作用，将 板桩墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数（为安全起见，对主动土压力则 不予折减），钢板桩被动土压力修正系数如表 6.4。本文计算作出如下假设：1. 假设计算时取 1m 宽单位宽度钢板桩。2. 因土处于饱和水状态，为简化计算且偏安全考虑，不考虑土的粘聚力 （c=0）。3. 弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支梁，方便计算。 4假设钢板桩在封底砼面以下0.5m处固结，在MI

5、DAS中限制全部约束。5.本工程土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。表 6.4 主、被动土压力系数及被动土修正系数土层名称KaaKp被动土修正系数k淤泥粉质黏土0.6280.7931.5921.2621.328粉质粘土0.4650.6822.1491.4661.6281.4 施工步骤（1）钻孔桩施工结束后拆除钻孔平台，在靠近承台侧定位桩上焊接牛腿， 安装第一道内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、抽水至+23.74m，在+24.24m处安装第二道内支撑；（4）围堰内继续吸泥、抽水至+19.82

6、3m，在+20.823m处安装第三道内支撑;（5）第三道内支撑安装后围堰内注水至围堰外水位，水下吸泥、清淤至 +13.823m;（6）搭设封底平台、布置封底砼导管,水下浇筑封底砼;（7）待封底砼达到设计强度后抽光围堰内水，凿除桩头进行承台、墩身施 工;（8）承台模板拆除后，向钢板桩与承台间回填细砂并在顶部浇注 40cm 厚C25 砼冠梁，待冠梁砼达到强度后，拆除第三道内支撑;(9) 向围堰内注水至+23.74m处，拆除第二道内支撑；(10) 继续向围堰内注水至围堰外水位，拆除第一道内支撑(11) 依次拔出钢板桩。1.5 计算结果1.5.1 钢板桩初步验算工况一、第一道内支撑安装后，围堰内吸泥、

7、抽水至+23.74m，如图6.2；工况二、第二道内支撑安装后，围堰内吸泥、抽水至+19.823m，如图6.3；工况三、第三道内支撑安装后围堰内加水至围堰外水位，水下吸泥、清淤至 +13.823m，如图 6.4；工况四、封底砼达到强度后，围堰内抽光水，如图6 . 5 ；工况五、承台模板拆除后，向钢板桩与承台间回填细砂并在顶部浇注 40cm 厚C25砼冠梁，待冠梁砼达到强度后，拆除第三道内支撑，如图6.6。图 6.2 工况一示意图图 6.3 工况二示意图g口;术临折氏（何康标出+-S.D&I图 6.4 工况三示意图水位抓高冋贰标商-朋-代图 6.6G. 323nr Bl+28. &9刃0 -28,

8、 MnR2J24,2加J323b图 6.5 工况四示意图吨冠梁ROH填砂封底砕工况五示意图-30. 09m_ R1 尹&翎m -28. 09td16. 323m工况一：第一道内支撑安装后，抽水至+2374m时，第一层内支撑受力处于 最不利状态。(1) 计算反弯点位置，即利用钢板桩上土压力等于零的点作为反弯点位置， 计算其离基坑底面的距离y,在y处钢板桩主动土压力强度等于被动土压力强度， 即 p 二 p + p :paw主动土压力：P *K x (4.35 + y)a 1 a被动土压力：P =yrKK yb 1 p水压力：P =y x4.35ww丫KK y =y x 4.35 +y K x (4

9、.35 + y)2 p w 1 ay x 4.35 + +丫 K x 4.35y = w卜1_a-yWK -K)1pa10x 4.35 + 8.5 x 0.628 x 4.35=5 28m8.5 x (1.328 x 1.592 0.628)*所以，梁的计算长度取值为 0.6+4.35+5.28=10.23m作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：P(28.09)- 0aP(24.908)y K x 4.35 + y x 4.35a1 aw 8.5 x 0.628 x 4.35 + 10 x 4.35 66.7kN / m 2(2) 计算结果图 6.8 单片钢板柱弯矩图PO&T-PR.OCC5K

10、3RRE AEON FORCE遇怕亠4z； 口 .Doaoe -t-DDO 丘 I 1.&513CH-MK fW2： i.EiE-i-aj2图8.9单片钢板柱反力图(kN)由图6.8-6.9可知，钢板柱最大的弯矩为562.0kN.m,作用于第一道内支撑 的反力为 156.0kN。工况二：第二道内支撑安装后，围堰内吸泥、抽水至+19823m；(1) 计算反弯点位置。P 二 P + P :paw主动土压力：P =yfK x7.8 + YK x (0.467 + y)a 1 a 2 a被动土压力：P = KK ybp水压力：P =y x 8.267ww屮KK y =yK x 7.8 +丫K x (0

11、.467 + y) +y x8.2672 p 1 a 2 a wY K x 1.71 + y/ x 0.467+y x 8.267V = 1 a2a wY WK - K /2pa8.5 x 0.465 x 7.8 + 9.7 x 0.465 x 0.467 +10x8.267= 3 939.7 x (1.628 x 2.149 0.465)*所以,梁的计算长度取值为 28.69-19.823+3.93=12.797m作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：P(28.09)= 0aP(20.29)=YK x 7.8 +丫 x 7.8 二 8.5x 0.628 x 7.8 +10x 7.8 二 11

12、9.6kN/m2 as1 a 1wP(20.29)=YK x 7.8 +Y x 7.8 二 8.5 x 0.465 x 7.8 +10x 7.8 二 108.8kN/m2 ax1 a 2wP (19.823)=YK x 7.8 + 丫K x 0.467 +丫 x 8.267a 1 a22 a 2w=8.5 x 0.465 x 7.8 + 9.7 x 0.465 x 0.467 +10 x 8.267 = 115.6kN / m 2(2) 计算结果图 6.11 单片钢板柱弯矩图图6.12单片钢板柱反力图(kN)由图6.11-6.12可知，钢板柱最大的弯矩为533.9kN.m,作用于第一道内支 撑

13、的反力为-86.2kN,作用于第二道内支撑的反力为620.7kN。工况三：第三道内支撑安装后围堰内加水至围堰外水位,水下吸泥、清淤至+13823m。(1) 计算反弯点位置。P 二 P + P :paw主动土压力：P =yfK x7.8 + YK x (0.467 + y) a 1 a 2 a被动土压力：P = KK ybp水压力： P =0w屮KK y =y K x 7.8 +丫K x (6.467 + y)2 p 1 a 2 a12aY WK - K2paYK x7.8 + yK x6.467y = ar 2 a )8.5 x 0.465 x 7.8 + 9.7 x 0.465 x 6.46

14、7=2.1m9.6 x (1.628 x 2.149 0.465)所以，梁的计算长度取值为 0.6+7.8+6.467+2.1=16.967m作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：P(28.09)= 0aP r20.29) =Y K x7.8=8.5x0.628x7.8=41.6kN/m2as1 a 1P r20.29) =Y K x7.8=8.5x0.465x7.8=30.8kN/m2ax1 a 2Pr13.823)=Y K x7.8+Y K x6.467a1 a 22 a2= 8.5 x 0.465 x 7.8 + 9.7 x 0.465 x 6.467 =60kN/m2(2) 计算结果o

15、图 6.13 单片钢板柱有限元模型图 6.14 单片钢板柱弯矩图MIOACIvilPOFTFR.0GE5W3R艮EZECN FCKCEg10FKl O.OOOOtHHMFl 0 OOflOEHffiOFZ1 台血FWYZ: 3.2EdE-i-U12图6.15单片钢板柱反力图(kN)由图6.14-6.15可知，钢板柱最大的弯矩为278.2kN.m,作用于第一道内支 撑的反力为15.6kN,作用于第二道内支撑的反力为20.2kN,作用于第三道内支撑 的反力为352.9kN。工况四：封底砼达到强度后，围堰内抽光水由于钢板桩与砼的粘结，故本工况计算封底砼面取设计封底面以下0.5m处, 即15.823m

16、,将其按固结处理，则计算长度为0.6+7.8+4.467=12.867m。作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：P(28.09)= 0aP(20.29)=YK x 7.8 +y x 7.8 二 8.5x 0.628 x 7.8 +10x 7.8 二 119.6kN/m2as1 a 1wP(20.29)=YK x 7.8 +y x 7.8 二 8.5 x 0.465 x 7.8 +10x 7.8 二 108.8kN/m2ax1 a 2wP (15.823)=yK x7.8 + 丫K x 4.467 +丫 x 12.267a 1 a 22 a 2w=8.5 x 0.465 x 7.8 + 9.7

17、x 0.465 x 4.467 +10 x 12.267 = 173.6kN / m 2(2) 计算结果6D3Z1图6.16单片钢板柱有限元模型图 6.17 单片钢板柱弯矩图图6.18单片钢板柱反力图(kN)由图6.17-6.18可知，钢板柱最大的弯矩为-196.7kN.m,作用于第一道内支 撑的反力为10.3N,作用于第二道内支撑的反力为266.1kN，作用于第三道内支撑 的反力为511.3N。工况五：承台模板拆除后，向钢板桩与承台间回填细砂并在顶部浇注 40cm 厚C25砼冠梁，待冠梁砼达到强度后，拆除第三道内支撑。本工况下假设等值梁下嵌固点位于砼冠梁1 /2厚度处，即+19.623m,则

18、计算 长度为 0.6+7.8+0.667=9.067m。作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：P(28.09)= 0aP(20.29)=YK x 7.8 +丫 x 7.8 二 8.5x 0.628 x 7.8 +10x 7.8 二 119.6KN/m2as1 a 1wP(20.29)=YK x 7.8 +丫 x 7.8 二 8.5 x 0.465 x 7.8 +10x 7.8 二 108.8KN/m2ax1 a 2wP (19.623)=YK x 7.8 + 丫K x 0.667 +丫 x 8.467a 1 a22 a 2w=8.5 x 0.465 x 7.8 + 9.7 x 0.465 x

19、0.667 +10 x 8.467 = 118.5KN / m 2(2)计算结果图6.19单片钢板柱有限元模型-*i d.MtilH-1-LIIIL-1.75737e*OOZ图 6.20 单片钢板柱弯矩图MID.flS.iavilPOST-PROCESSORREmiQM FORCE 内 5-XYZ-A-7T ?! GJFX： OR 口 DOE+ODOFY: O.aQDaE+ODOFZ： 2.738E-*-002FXYZ： Z73B9E-I-D03图6.21单片钢板柱反力图(kN)由图6.20-6.21可知，钢板柱最大的弯矩为202.7kN.m,作用于第一道内支撑的反力为9.0kN，作用于第二道

20、内支撑的反力为273.9kN。根据上述工况计算，钢板桩内力及内支撑支撑反力计算结果汇总如下表：表6.5钢板桩内力及内支撑支撑反力计算工况钢板桩应力 (MPa)钢板桩最大 弯矩(kN.m)第一道内支 撑反力(kN)第二道内支 撑反力(kN)第三道内支 撑反力(kN)工况一208562156工况二198533.9-86.2620.7工况三103278.215.620.2352.9工况四73196.710.3266.1511.3工况五75202.79273.9由上表可知，钢板柱应力满足规范要求。1.5.2 内支撑初步计算由表6.5可知，第一道内支撑最大支撑反力为156kN,第二、三道内支撑最 大支撑

21、反力为620.7kN。由于第一道内支撑最大反力较小，只验算第二、三道内 支撑。利用Midas/Civil2010建立有限元模型，如图，在钢管与圈梁相交处下方焊接牛腿设置竖向约束。.0.00.00.00000.00000620.620.0620.0620.0620.0620.0620.0620.0)0 勺0 -03图 6.22 第二道内撑空间有限元模型图6.23第二道内撑各杆件位移图（mm）日ERM STRESS片 l.i7061ie+0CiZ al a.-FZZGle-frODl1 5.ii3Ql&tt-QDi 片 l.BSSTDe-P-DOlI a.DaDDOflDDD-4-4.711246

22、 40014 7.997 le+MlJ-lJi27&2a4ZK)2l-1.45616e#OO2H-1.7B4la4215MPa，发生在中间钢管处，如图。2.稳定性验算A = 2.48 x 102 cm2 I = 1.94 x105 cm4回转半径：=严X 10(2.48x 102)=28cm长细比：k = = 20.8i 28由此查稳定系数表得申=0.966t=215MPaIn=Lx Axq = 215x 103 x2.48x 10-2 x0.966 = 5151kN 4513kN结论：第二道内撑圈梁的应力满足要求。钢管的应力不满足要求，稳定性 满足要求。1.5.3 钢板桩及内撑第二步验算将内

23、撑的最大位移以支座强制位移(22mm)的形式加到工况二的钢板桩有限元模型中，计算结果如图。BEAM.7l6i32-G-QD2.0374fe!*Oai3.013&+B+0D2 2.96960+002Z.M39C-B+DD21.亠口口2Q.OOOCi&e-frCiDO -7.DSS&7Q+CK11 -1.6291 4002 *2.55323=-KKJ2 电,47736 4002 4.*009+003图 6.27 钢板桩弯矩图611POST仲 OCESSOfiREmiCN FORCErtj-XYZFX： O.aDDaE+ODOF- o.oaoaE+aooFZJ S.380E-i-QD2FXXZ； X

24、SSOE+OOZ图 6.28 钢板桩反力图由计算结果可知，钢板桩的最大 弯矩为 576.1kN.m ，钢板桩的应力为g= 576.1.= 213MPa v.L 246MPa，满足要求。/ (2700 x 103)由图 6.28 知，当工况二中钢板桩施加节点位移后，钢板桩作用在第二道内撑上的反力为589.8kN，重新计算第二道内撑的强度，圈梁最大组合应力为201.1MPaV215MPa, 800X 10mm 钢管最大轴力 4294kN,最大组合应力为240.8MPa215MPa计算结果如图。POST呗XE：S56BEAM STRESS1.42B4344DD21,11397+002S.015Ci5

25、*CiDl1.7165+001a-D000De+DDD 4.4S3230 4M1-7.6079 ?e #001-l.D7325a+CK2-iS571a+OO2 L.Cfleift!+CW2-2.010&3eW2图 6.24 圈梁组合应力图BEAN STRESS图 6.25 钢管组合应力图112222 222222图 6.25 钢管组合轴力图M9.0匸MlP05TPR.XESSafi.-U732flo+CK13 -1.5479-3e#OO9 -l.E2Z5 7a+CK3 -2.0972 le 4003 -2.3-7185=-KK13 2.fa4&4QQ4ZK)3 -2.S2113e#K)9 -3

26、JQ57 7H44.D1KQQ44O3 -4.2M33fi+CK131.5.4围堰整体抗浮验算封底砼采用C25，施工厚度为2.5m，施工考虑砼底存在“夹泥”及顶面浮浆 的因素，计算厚度取2.0m，围堰尺寸：28.8mX13.2m；水下C25混凝土设计值f =1.27MPa，考虑为施工阶段混凝土的允许弯拉应td力取1.5倍安全系数，贝V o=0.85(MPa),桩基钢护筒外径为1.8m，共16根；钢与混凝土粘结力：一般取100-200kN/m2，这里取120 kN/m2；混凝土容重：23kN/m3；封底混凝土体积：V 二 2 x (28.8 x 13.2 - 3.14 x 09 x 16)二 6

27、78.93m3封底混凝土自重：G 二 23 x 678.93 二 15615.4KN护筒粘结力：T = 2.0x3.14x 1.8 x 120x 16 = 21703.7KN钢板桩与封底混凝土的粘结力：T2 二 2 x (28.8 +13.2) x 2.0 x 120 二 20160KN封底混凝土底面受水浮力：P 二(28.8 x 13.2 - 3.14 x 0.92x 16) x 10x 14.627 二 47018.05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 =斗I57479.147018.05=1.22 1.05结论：围堰整体抗浮满足要求。1.5.5基坑底土抗隆

28、起验算在工况三下围堰内清淤至13.823m时，须验算坑底的承载力，如承载力不足, 将导致坑底土的隆起。本工程基底抗隆起计算参照Prandtl (普朗德尔)和Terzaghi (太沙基)的 地基承载力公式，并将桩墙底面的平面作为极限承载力的基准面，建筑地基基 础设计规范中验算抗隆起安全系数的公式仅仅适用于纯粘性土或者纯砂性土的 情况，而一般粘性土的抗剪强度应同时包括c和两个因素。参照地基极限承 载力的分析计算方法，后有学者提出了能同时考虑土体c、值的墙底地基极限 承载力抗隆起验算模式，其验算公式如下：N -c + N -V -1K 二一 q 1.1 1.2sV (h +1) + qN、N按Pra

29、ndtl公式时,qcN = tan2(450+申 /2) e兀tan屮， qc-土的粘聚力 (kPa)；Y土的重度(kN/m3)；h基坑开挖深度(m);N = (N 1)/ tan申；cq-土的内摩擦角()t-支护结构入土深度(m);q地面荷载(kPa)。对于工况三进行验算，Y、c按钢板桩入土深度范围内的加权平均值计算:“ 18.5X78 +19.7 X6467 二 19.04kN/m314.267X 1L2 X 7.8 + 2L4 X 6.467 二琢14.267c 二 64 兰 78+竺兰 6467 二 8.7 kPa14.267则:Nq = tan2(45 +tan 屮= 4.26Nc

30、二(Nq -1) / tan 申二 11.52N c + N yx _ 11.52 x 8.7 + 4.26 x 9.04 x 14.267Ks = cq = 3.6 1.2。y (h +1) + q9.04 x (14.267 + 5.733)结论：满足抗隆起稳定性要求。1.5.6基坑底管涌验算不产生管涌的安全条件为:K =y / j 1.5bj = i X yw式中：K抗基坑底管涌安全系数；y 水容重， y 10 KN/m3wwy 土的浮容重， y = 9.7kN / m3bb水力梯,i = h (h + 2t)j最大渗流力（动水压力），j = i xywh 水位至坑底的距离， h =14

31、.267mt 钢板桩的入土深度， t =5.733m算得K=1.75,故不会发生基坑底管涌。1.5.7封底砼厚度计算封底砼取x米厚，基坑内抽水后水头差为h,由此引起水的渗流，其最短流 程为紧靠板桩的h + 21,故在此流程中，水对土粒渗透的力，其方向应是垂直向 上。现近似地以此流程的渗流来检算基坑底的涌砂问题，要求垂直向上的渗透力 不超过封底砼的自重，故安全条件如下式：K x i x p x g p x g x x s w c式中：K 安全系数，取1.05； s水力梯,i = / (h + 2t)；p、p分别为水与砼密度，其中p = 1000kg /m3， p = 2350kg /m3w c

32、w ch水位至坑底的距离，h=14.267m；t钢板桩的入土深度，t=5.733m；则：1 A1.05 xx1000 x g 24.8cm，取封底砼厚度25cm，满足条件。1.6 21#墩钢板桩围堰验算结论1.钢板桩的最大应力为c= 213MPa 215MPa,强度不满足要求（计算中荷载为规范规定的标准荷载，强度 设计值未考虑临时性结构的放大系数）。建议设置四道内撑。3.围堰整体抗浮系数K二1.221.05 ,满足要求。4. 基坑底土抗隆稳定性K = 3.6 1.2 ,满足要求。s5. 抗基坑底管涌安全系数K二1.75 1.5，不会发生基坑底管涌。6. 封底砼厚度x 24.8cm，取封底砼厚度25cm,满足条件。1. 7 22#钢板桩围堰验算结论由于21#、22#钢板桩围堰结构相似,而由于21#墩承台比22#承台埋深深度 大,故22#钢板桩围堰不进行计算。