新建兰州至中川铁路ZCTL-SG1标段
西固黄河特大桥工程
临时施工钢板桩围堰检算
兰州交通大学土木工程学院
二〇一三年八月
新建兰州至中川铁路ZCTL-SG1标段
西固黄河特大桥工程
临时施工钢板桩围堰检算书
检 算： 复 核： 审 核：
兰州交通大学土木工程学院
二〇一三年八月
目 录
第一章 工程简介 ............................................................................................. 1 1.1工程概述.................................................................................................. 1 1.2 钢板桩围堰总体方案 ............................................................................. 2 1.2.2.1 钢板桩选型 .................................................................................... 2 1.2.2.2 钢板桩围堰设计 ............................................................................ 3 第二章 结构设计计算各相关参数的确定 ....................................................... 6 2.1检算内容.................................................................................................. 6 2.2参考资料.................................................................................................. 6 2.3参数取值.................................................................................................. 6 2.4 计算方法 ................................................................................................. 6 2.5结构计算工况的确定 .............................................................................. 7 第三章 结构的受力计算及验算 ...................................................................... 8 3.1 钢板桩验算 ............................................................................................. 8 3.2 内支撑验算 ............................................................................................13 3.3 钢板桩及内撑第二步验算 .....................................................................16 3.4 围堰整体抗浮验算 ................................................................................17 3.5 基坑底土抗隆起验算 ............................................................................17 3.6 封底砼厚度计算 ....................................................................................18 3.7 166#钢板桩围堰验算结论 ...................................................................19
第一章 工程简介
1.1工程概述
新建兰州至中川机场铁路ZCTL-SG1标段西固黄河特大桥位于兰州市西固区和安宁区境内，全长5837.89延米。西固黄河特大桥在165#～168#墩之间跨越黄河，跨黄河段为半径800米的曲线桥，中心里程DK21+283.62，线路与黄河夹角为10～25度，其中165#、168#墩位于黄河两岸岸边，166#、167#墩位于黄河中央。上部结构采用(80+2×120+80)m连续钢构形式跨越。
其中166#墩桩长56m，167#墩桩长54m，桩径均为2.0m，每个墩16根桩，承台尺寸为19.2×19.2×5m，墩身高度分别为38.5m、37m。
166#墩承台底标高为1529.29m,167#墩承台底标高为1529.13m，承台厚度为5.0m，现有水面标高为 1534.7m ，承台位置水深2～6m 。
水中钻孔桩施工采用冲击钻，采用钢护筒、钢平台，把水中桩施工变成陆上桩施工方案。
水中承台采用钢板桩围堰施工方案，采用先钻孔桩施工后围堰施工顺序。 1.1.1水文条件
径流主要来源于上游流域内的降雨和冰雪融水，年径流量随降雨和气温的变化而异，自黄河上游相继建成多座水电站后，对下游河段洪峰流量的消减作用尤为明显，其百年一遇洪水流量为6500立方米/秒，十年一遇通航流量为4780立方米/秒。百年一遇洪水水位标高1540.20米。 1.1.2地质条件
本工程按其成因、物理力学性质等可将地基分成；
（1）粉、细砂（Q4al4）：层状或透镜体状分布于地层中，厚度1～2m。灰黄色，颗粒成分以石英、长石为主，稍密，潮湿—饱和，Ⅰ级松土，粉砂，б0=90kpa：细砂，б0=150kpa。
（2）卵石土（Q4al7）：主要分布于表层黄土以下，厚度2～7m。灰色、深灰色，颗粒成分以花岗岩、石英岩、砂岩等为主，石质坚硬，颗粒磨圆度较好，呈圆棱状、浑圆状，分选性一般，颗粒大于100mm约占20%,余为砂土充填。潮湿—饱和，中密，Ⅲ级硬土，б0=800kpa。
1
（3）砂岩（N1SS）:下伏于第四系地层之下，棕红色，青灰色，主要成分为石英、长石，粉细粒结构，巨厚层状构造，泥质胶结，岩质较硬，易击碎；全—强风化层厚度3～10m，Ⅲ级硬土，б0=300kpa，弱风化层，Ⅳ级软石，б0=450kpa。 1.2 钢板桩围堰总体方案
1.2.1 围堰、承台、墩柱总体施工流程
施工准备→测量定位→导向桩制作（钢板桩内支撑1）→打钢板桩→水下开挖→浇筑水下封底混凝土→逐层抽水、焊接第2层内撑→清基堵漏→破桩桩检→浇筑承台砼→回填至承台顶面→拆除下层内支撑→浇筑第一段5m墩身砼→第二次回填，拆除上层内撑→浇筑第二段5m墩身砼→充水→拔桩、撤场。 1.2.2 钢板桩围堰施工设计 1.2.2.1 钢板桩选型
目前国内常见的钢板桩主要有拉森Ⅳ型和拉森Ⅵ型两种。拉森Ⅳ型钢板桩单根长度为12m，宽度为400mm，高度为170mm，板厚为15.5mm（如图1），拉森Ⅵ型钢板桩单根长度为18m，宽度为600mm，高度为210mm，板厚为18mm（如图2）。
拉森Ⅳ型、Ⅵ型钢板桩截面特性如表1。
图1拉森Ⅳ型钢板桩截面示意图 图2拉森Ⅵ型钢板桩截面示意图
表1 拉森Ⅳ型、Ⅵ型钢板桩截面特性表
每米板面截面特性 型号 宽度 （mm） 高度 (mm) 板厚 mm 截面 面积 (cm) 拉森Ⅳ型 拉森Ⅵ型 400 600 170 210 15.5 18 242.5 225.5 2理论 重量 (kg/m) 190 177 2惯性距 (cm) 38600 56700 4截面 模量 (cm3) 2270 2700 根据本工程基坑较浅、水流较急等特点，拟选用拉森Ⅳ型钢板桩，从止水角度出发，单个承台四周打双排钢板桩，可以满足支护及止水要求。支护受力计算
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按单排钢板桩计算。 1.2.2.2 钢板桩围堰设计 （一）166#墩钢板桩围堰设计
166#墩承台尺寸为19.29×19.2×5.0m，承台底标高为1528.28m。围堰内平面尺寸为21.1×21.1m，两层钢板桩之间距离为60cm。共设置两道内支撑，底层内支撑距离承台顶面50cm，上下两层内支撑的高差为5.0m。围堰顶高程为1540m，围堰底高程小于1526.13m，封底混凝土厚1.0m。
166#主墩钢板桩围堰立面布置如图3。
图3 166#墩钢板桩围堰立面图
围堰施工工序：
（1）钻孔桩施工结束后拆除钻孔平台上部结构，利用钢护筒焊接牛腿，安装钢板桩插打导向；
（2）依次插打钢板桩至合拢； （3）利用吊车安装第一道内支撑；
（4）切割钢护筒至水面以上1.0米左右，在钢护筒上铺设型钢及桥面板，用吊机将挖掘机吊放至围堰内，进行水下开挖；
（5）搭设封底平台、布置封底砼导管,水下浇筑封底砼；
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（6）待封底混凝土强度达到设计强度后，进行围堰内抽水； （7）抽水至第二道内支撑以下50cm后，开始安装第二道内支撑； （8）继续抽水，直至把围堰内水抽干； （9）进行承台施工；
（10）回填至承台顶面，并拆除第二道内支撑； （11）进行墩身5m实体段施工； （12）继续充水至内外水平衡； （13）拔除钢板桩。 （二） 167#墩钢板桩围堰设计
167#墩承台尺寸为19.29×19.2×5.0m，承台底标高为1528.13m。围堰内平面尺寸为21.1×21.1m，两层钢板桩之间距离为60cm。共设置两道内支撑，底层内支撑距离承台顶面50cm，上下两层内支撑的高差为5.0m。围堰顶高程为1540m，围堰底高程小于1526.13m，封底混凝土厚1.0m。
167#主墩钢板桩围堰立面布置如图4。 图 4 166#墩钢板桩围堰立面图
围堰施工工序：
4
（1）钻孔桩施工结束后拆除钻孔平台上部结构，利用钢护筒焊接牛腿，安装钢板桩插打导向；
（2）依次插打钢板桩至合拢； （3）利用吊车安装第一道内支撑；
（4）切割钢护筒至水面以上1.0米左右，在钢护筒上铺设型钢及桥面板，用吊机将挖掘机吊放至围堰内，进行水下开挖；
（5）搭设封底平台、布置封底砼导管,水下浇筑封底砼； （6）待封底混凝土强度达到设计强度后，进行围堰内抽水； （7）抽水至第二道内支撑以下50cm后，开始安装第二道内支撑； （8）继续抽水，直至把围堰内水抽干； （9）进行承台施工；
（10）回填至承台顶面，并拆除第二道内支撑； （11）进行墩身5m实体段施工； （12）继续充水至内外水平衡； （13）拔除钢板桩。
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第二章 结构设计计算各相关参数的确定
2.1检算内容
新建兰州至中州铁路ZCTL—SG1标段西固黄河特大桥工程临时施工167#墩钢板桩围堰检算。 2.2参考资料
《钢结构设计规范》(GB50017-2003) 《简明深基坑工程设计施工手册》 《建筑桩基础规范》(JGJ94-2008) 《简明施工计算手册》
《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004) 《装配式公路钢桥多用途使用手册》（广州军区工程科研设计所） 现场提供的资料：施工图纸等资料。 2.3参数取值
根据施工单位提供地质资料及土层参数分别如表2。
表2 土层参数表
土层名称 粉细砂 卵石土
厚度（m） 2 5 容重 （kN/m3） 18 20 内摩擦角 （°） 25 35 粘聚力 （kPa） 6 2.4 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
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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3
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。
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3.主、被动土压力系数及被动土压力修正系数
土层名称 粉细砂 卵石土 2.5结构计算工况的确定
Ka 0.406 0.271 Kp 2.464 3.69 被动土修正系数k 1.7 2.0 工况一：第一道内支撑安装后，进行水下开挖、清淤。；
工况二：封底砼达到强度后，围堰内抽水至第二道内支撑以下50cm后； 工况三：第二道内支撑安装后，围堰内水抽干；
工况四：承台施工后向钢板桩与承台间回填细砂并在顶部浇注40cm厚砼冠梁，拆除第二道内支撑。。
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第三章 结构的受力计算及验算
3.1 钢板桩验算
工况1：第一道内支撑安装后，进行水下开挖、清淤。 (1) 计算反弯点位置。
Pp=Pa+Pw：
′Ka×2+γ2′Ka×(1.57+y) 主动土压力：Pa=γ1被动土压力：Pb=γ′KKpy 水压力：Pw=0
′KKpy=γ1′Ka×2+γ2′Ka×(1.57+y) γ2y=′Ka×1.57γ1′Ka×2+γ2
′()γ2KKp−Ka =8×0.406×2+10×0.271×1.57=0.15m
10×(2×3.690−0.271)所以，梁的计算长度取值为1538.63-1527.13+0.15=11.65m 作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力： Pa(1534.70)=0 Pa(1530.70)=0
′Ka1×2=8×0.406×2=6.5kN/m2Pa(1528.70)s=γ1′Ka2×2=8×0.271×2=4.3kN/m2 Pa(1528.70)x=γ1
′Ka2×2+γ2′Ka2×1.57 Pa(1527.13)=γ1=8×0.271×2+10×0.271×1.57=8.6kN/m2
(2) 计算结果
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图5 单片钢板柱有限元模型
图6 单片钢板柱弯矩图
图7 单片钢板柱反力图(kN)
由上图可知，钢板柱最大的弯矩为17.9kN.m，作用于第一道内支撑的反力为2.1kN。
工况2：封底砼达到强度后，围堰内抽水至第二道内支撑以下50cm后。
本工况计算封底砼面取设计封底面以下0.5m处，即1527.63m，则计算长度为1538.63-1527.63=11m。
作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力： Pa(1534.70)=0
Pa(1533.13)=γw×1.57=10×1.57=15.7kN/m2 Pa(1530.70)=15.7kN/m2
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′Ka1×2+γw×1.57=8×0.406×2+10×1.57=22.2kN/m2Pa(1528.70)s=γ1′Ka2×2+γw×1.57=8×0.271×2+10×1.57=20.0kN/m2Pa(1528.70)x=γ1
′Ka2×2+γ2′Ka2×1.57+γw×1.57 Pa(1527.13)=γ1=8×0.207×2+10×0.207×1.57+10×1.57=22.3kN/m2 (2) 计算结果
图8 单片钢板柱有限元模型
图9 单片钢板柱弯矩图
图10 单片钢板柱反力图(kN)
由上图可知，钢板柱最大的弯矩为203.2kN.m，作用于第一道内支撑的反力为17.1kN。
工况3：第二道内支撑安装后，围堰内水抽干
本工况计算封底砼面取设计封底面以下0.5m处，即1527.63m，则计算长度为1538.63-1527.63=11m。
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作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力： Pa(1534.70)=0
Pa(1530.70)=γw×4=10×4=40.0kN/m2
′Ka1×2+γw×6=8×0.406×2+10×6=66.5kN/m2Pa(1528.70)s=γ1′Ka2×2+γw×6=8×0.271×2+10×6=64.3kN/m2Pa(1528.70)x=γ1
′Ka2×2+γ2′Ka2×1.57+γw×7.57 Pa(1527.13)=γ1=8×0.207×2+10×0.207×1.57+10×7.57=82.3kN/m2 (2) 计算结果
图11 单片钢板柱有限元模型
图12 单片钢板柱弯矩图
图13 单片钢板柱反力图(kN)
由上图可知，钢板柱最大的弯矩为218.8kN.m，作用于第一道内支撑的反力为-12.9kN,作用于第二道内支撑的反力为103.6kN。
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工况4：承台施工后向钢板桩与承台间回填细砂并在顶部浇注40cm厚砼冠梁，拆除第二道内支撑。
本工况下假设等值梁下嵌固点位于砼冠梁1/2厚度处，即1532.93m，则计算长度为1538.63-1532.93=5.7m。
作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力： Pa(1534.70)=0
Pa(1532.93)=γw×1.77=10×1.77=17.7kN/m2
(2) 计算结果
图14 单片钢板柱有限元模型
图16 单片钢板柱弯矩图
图17 单片钢板柱反力图(kN)
由上图可知，钢板柱最大的弯矩为7.22kN.m，作用于第一道内支撑的反力为0.4kN。
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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4 钢板桩内力及内支撑支撑反力
计算工况 工况一 工况二 工况三 工况四 钢板桩应力(MPa) 7.9 89.5 96.4 3.2 钢板桩最大弯矩 (kN.M) 17.9 203.2 218.8 7.22 第一道内支撑反力(kN) 2．1 17.1 -12.9 0.4 第二道内支撑反力(kN) - - 103.6 - 由表4可知，钢板柱应力满足规范要求。 3.2 内支撑验算
由表4可知，第一道内支撑最大支撑反力为17.1kN，第二道内支撑最大支撑反力为103.6kN。由于第一道内支撑最大反力较小，只验算第二道内支撑。
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。
图18 第二道内撑空间有限元模型
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图19 第二道内撑各杆件位移图（mm）
图20 圈梁组合应力图
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图21 钢管组合应力图
轴力最大为792kN 图22 钢管轴力云图
3.2.1.强度验算
由以上计算结果可知，第二道内撑最大位移为7mm，圈梁最大组合应力为172.1MPa＜215MPa，钢管最大组合应力为57.4MPa＜215MPa，发生在四个拐角钢管处，如图。 3.2.2.稳定性验算
由以上计算结果可知，φ630×10mm钢管最大轴力792kN。
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A=1.95×102cm2 I=9.36×104cm4
4(9.36×10)回转半径：i=(1.95×102)=21.9cm
长细比：λ=由此查稳定系数表得ϕ=0.878
L982==45 i21.9σ=N(Aϕ)<[σ]=215MPa
[N]=[σ]×A×ϕ=215×103×1.95×10−2×0.878=3681kN>792kN
结论：第二道内撑圈梁和钢管的应力满足要求，钢管的稳定性满足要求。 3.3 钢板桩及内撑第二步验算
将内撑的最大位移（6.7mm）以支座强制位移的形式加到工况三的钢板桩有限元模型中，计算结果如图。
图23 钢板桩弯矩图
图24 钢板桩作用于内撑的反力
由计算结果可知，钢板桩的最大弯矩为291.5kN.m，钢板桩的最大组合应力为σ=291.5(2270×103)=128MPa<[σ]=246MPa，满足要求。此时，钢板桩作
用在第二道内撑的反力为67.8kN，由于5.5.2中已计算第二道内撑在反力103.5kN作用下满足强度要求，故内撑不须要再计算。
注：钢板桩材质为Q295，若考虑钢板桩的锁口部分应力折减，且钢板桩安全系数取为1.2，则容许应力为295/1.2＝246MPa。
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=3.4 围堰整体抗浮验算
封底砼采用C25，施工厚度为1.0m，施工考虑砼底存在“夹泥”及顶面浮浆的因素，计算厚度取0.9m，围堰尺寸：21.1×21.1m m；
水下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)，
桩基钢护筒外径为2.5m，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=0.9×(21.1×21.1−3.14×1.252×16)=330.04m3 封底混凝土自重：
G=23×330.04=7590.9KN
护筒粘结力：T1=0.9×3.14×2.5×120×16=13564.8KN 钢板桩与封底混凝土的粘结力：
T2=0.9×(21.1+21.1)×2.0×120=9115.2KN 封底混凝土底面受水浮力：
P=(21.1×21.1−3.14×1.252×16)×10×6.57=24092.85KN 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=30270.9G+T1+T2==1.26>1.05 P24092.85结论：围堰整体抗浮满足要求。 3.5 基坑底土抗隆起验算
在工况一下围堰内清淤至封底混凝土处时，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，承载力安全系数的验算公式如下：
Ks
Nc⋅c+Nq⋅γ⋅tγ(h+t)+q≥1.1~1.2
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式中
Nq、Nc ---按Prandtl公式时，
Nqtan2(450+ϕ/2)⋅eπtanϕ， Nc(Nq−1)/tanϕ；
c---土的粘聚力(kPa)； φ---土的内摩擦角（°）； γ---土的重度(kN/m3)； t---支护结构入土深度(m); h---基坑开挖深度(m); q---地面荷载(kPa)。
围护结构（示意）qH0支撑 H第i层顶hi（若设撑，示意）L＝D＋H0坑内成层土γi、ci、φiq ＝q＋γ（H0＋D）f 坑外D第i层土 围护墙底地基H第i层底 坑外成层土γi、ci、φi 图25 基底抗隆起计算模式简图
对于工况一进行验算，
==Ncc+Nqγt=7.619＞1.2。 Ks=γ(h+t)+q结论：基坑底土满足抗隆起稳定性要求。
3.6 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+2t)，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： Ks×i×ρw×g<ρc×g×x
式中：
Ks――安全系数，取1.05；
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i――水力梯, i=h(h+2t)；
ρw、ρc――分别为水与砼密度，其中ρw=1000kg/m3，ρc=2350kg/m3
h——水位至坑底的距离，h=6.57m
t——钢板桩的入土深度，t=1m
则：
1.05×0.77×1000×g<2350×g×x
得：x>34.3cm，取封底砼厚度50cm，实际厚度为100cm，满足条件。 3.7 166#钢板桩围堰验算结论
由于166#、167#钢板桩围堰结构相同，而由于166#墩承台比167#墩承台开挖深度小，综合考虑166#墩钢板桩围堰满足要求，故166#钢板桩围堰不进行计算。
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新建兰州至中川铁路西固黄河特大桥钢平台检算报告
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