钢板桩计算书钢平台

浙江省甬台温高速公路复线-温州灵昆至阁巷工程

第3合同段钢板桩围堰（钢平台）

计 算 书

计算： _________________ 复核： _________________ 审核： _________________ 中交第二公路工程局有限公司

甬台温高速复线灵昆-阁巷段第3标段项目部

二〇一六年十一月

目 录

欧飞1号高架桥钢平台钢平台钢板桩围堰计算书

一、工程简介

甬台温高速公路复线-灵昆至阁巷工程第3合同段欧飞1号高架桥，里程范围为K287＋075～K291+125，全长约4050m。

大部分水中墩均需要采用拉森桩围堰施工系梁,系梁尺寸为14.82×1.90×1.5m，14.82×1.80×1.5m，系梁最低顶标高为-3.9m，底标高为-5.4m，四面临水。考虑架设钢平台，在钢平台上利用履带吊加振动锺，打入拉森钢板桩桩进行围堰支撑。拉森桩打设完成后，进行围堰内冲泥挖土，破除桩头、进行系梁立柱施工，详细布置见下图：

二、计算依据

《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》

甬台温高速公路复线温州灵昆至阁巷段工程第3合同《两阶段施工图设计》(第二册)

甬台温高速公路复线温州灵昆至阁巷段工程第3合同《施工图设计阶段工程地质勘察报告》；

三、结构概况

系梁围堰选用拉森SP-Ⅳ型钢板桩施工，并根据墩位处实际地质情况、钢板桩受力情况及作业条件选定钢板桩长度20m。设计选取最低系梁顶标高计算模型，插打时钢板桩顶标高为+2.8m，底标高为-17.2m。

详见下图：

四、钢板桩截面特性

拉森钢板桩参数表

型号 尺寸 每块钢板桩 壁宽每米

有效幅宽有效高度二次t 积 系数 w h 力矩 23mm cm cm 4mm mm cm 100 125 170 200 10.5 61.18 1240 153 13.0 76.42 2220 223 15.5 96.99 4670 362 24.3 133.80 7960 520 厚度 截面截面截面单位净重 Kg/m 截面截面积cm/m 2二次力矩 cm/m 4截面系数cm/m 3单位净重Kg/cm 2FSP-Ⅱ FSP-Ⅲ FSP-Ⅳ FSP-VL 400 400 400 500 48.0 153.0 8740 60.0 191.0 16800 76.1 242.5 38600 105.0 267.6 63000 874 1340 2270 3150 120 150 190 210 五、地质情况 根据岩土工程勘察（详勘）报告成果，查地质柱状图，参考ZK101(k290+826.3)地质情况,从上到下依次为：

序号 1 2 3 4 5 分层代号 ②2 ②2 ②2 ②2 ②3 岩土名称 淤泥质粉质黏土 粉质黏土 淤泥质黏土 淤泥质黏土 淤泥质黏土 内摩擦角 （°） 4.5 10.6 16.0 3.0 2.2 7.7 黏聚力 （kPa） 8.0 12.0 12.0 7.0 6.0 9.1 重度 (KN/m) 17.8 17.5 18.4 16.7 16.7 17.3 3层顶标高 -1.7 -2.2 -4.7 -7.2 -9.2 层底标高 -2.2 -4.7 -7.2 -9.2 -12.2 层厚 (m) 0.5 2.5 2.5 2.0 3.0 综合近似计算参数 为简化计算，将各土层内摩擦角、黏聚力、重度按土层厚度进行加权平均。将内摩擦角统一定为7.7，重度统一定为17.3KN/m3, 黏聚力统一定为9.1KPa。

六、计算方法

由于钢板桩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，此时围堰上端受到内撑的支撑作用，下端受到土体的嵌固支承作用。

6.1等值梁法计算钢板桩围堰

为简化计算，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下表：

主、被动土压力系数及被动土压力修正系数

土层名称 Ka 0.87 Kp 1.31 1.14 被动土压力修正系数K 1.6 淤泥质粘土 0.76 6.2确定内支撑层数及间距

按等弯距布置确定各层支撑的间距,这种布置是将支撑布置成使板桩各跨度的最大弯距相等，充分发挥钢板桩的抗弯强度，可使钢板桩材料用量最省。根据工程实际情况，钢板桩采用拉森Ⅳ型钢板桩，厚15.5mm，拉森钢板桩桩长L=20m，其基本参数：

A=242.5cm2,w=2270cm3,I=38600cm4,允许应力210MPa，125MPa。 钢板桩能承受的最大弯距确定板桩顶悬臂端的最大允许跨度h:

3h=

6[f]wrka56210102270 =3 317.3100.76=280cm

h1=1.11h=1.11*2.8=3.08m h2=0.88h=0.88*2.8=2.46m h3=0.77h=0.77*2.8=2.16m

结合实际施工情况，支撑设计见钢板桩围堰布置图。 6.3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1m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合算法，即在计算土压力时将水位以下的土体重度取为饱和重度，水压力的计算不在单独计算后叠加。

七、施工步骤

(1)在靠近系梁侧定位桩上焊接牛腿，安装插打导向架； (2)插打钢板桩至合拢；

(3)围堰内抽水至1.3m，在标高+1.75m处安装第一道内支撑； (4)围堰内抽水至-1.45m，在标高-1.0m处安装第二道内支撑； (4)围堰内抽水吸泥至-3.75m，在标高-3.3m处安装第三道内支撑；

(5)吸泥并浇筑封底砼；

(6)待砼达到设计强度后，凿桩头，施工系梁； 八、各施工工况及内力计算 8.1工况分析

围堰施工时，按上层支架已经安装，并抽水或者（吸泥）至待安装支撑底标高下45cm处，计算各支撑在各阶段可能出现的最大反力和钢板桩最大内力。

根据施工工序，分为3个工况。

工况一：第一道支撑安装好以后，抽水至-1.45m标高时。 工况二：第二道支撑安装好以后，抽水吸泥至-3.75m标高时。 工况三：第三道支撑安装好以后，吸泥至-6.4m标高时。 工况图示如下：

8.2钢板桩验算

工况1：第一道内支撑安装后，抽水至-1.45时，第一层内支撑受力处于最不利状态。

（1）计算反弯点位置。

假设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PpPa：

主动土压力： Paw3.75KaKay 被动土压力： Ppw0.25KpKKpy y103.750.76100.251.31=1.09m

17.3(1.61.310.76)所以，梁的计算长度取值为{2.8-（-1.7）}+1.09=5.59m 作用在钢板桩处的主动土压力和静水压力：

Pa(-1.7)wh103.7537.5kN/m2（河水底面）

Pa(1,7)w3.75Kaw0.25Kp103.750.76100.251.3125.2kN/m2（河床下土层顶部）

(2) 计算结果 计算模型：

工况1 1m宽度范围钢板桩有限元模型

工况1 1m宽度范围钢板桩弯矩图 Mmax=67.35KN.m

工况1 1m宽度范围钢板桩剪力图 Qmax=54.23(kN)

由上图可知，钢板桩最大的弯矩为67.35kN.m，作用于第一道内支撑的反力为45.89kN。

SP-IV型拉森桩桩截面模量2270cm3 容许应力210MPa。

工况2：第二道内支撑安装后，水下吸泥、清淤至-3.75m。假设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PpPa：

（2.05y）主动土压力： Paw4.0KaKa

被动土压力： PpKKpy 17.30.762.05104.00.76=2.48m

17.3(1.61.310.76)所以，梁的计算长度取值为2.8-（-3.75）+2.48=9.03m 作用在钢板桩处的主动土压力和静水压力：

Pa(1,7)wh10440kN/m2（河水底面）

Pa(1,7)whka1040.7630.4kN/m2（河床下土层顶部）

(2) 计算结果 计算模型：

工况2 1m宽度范围钢板桩有限元模型 工况2 1m宽度范围钢板桩弯矩图 Mmax=-99.25KN.m 工况2 1m宽度范围钢板桩剪力图 Qmax=192.53(kN)

由上图可知，钢板桩最大的弯矩为-99.25kN.m，作用于第一道内支撑的反力为-14.31kN,作用于第二道内支撑的反力为192.53kN。

SP-IV型拉森桩桩截面模量2270cm3容许应力210MPa。

工况3：第三道内支撑安装后，水下吸泥、清淤至-6.4m。假设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PpPa：

主动土压力： Paw4.0KaKa(4.7y) 被动土压力： Ppw2.65KpKKpy

yKa4.7w4.0Kaw2.65Kp

(KKpKa)y17.30.764.7104.00.76102.651.31 =2.49m

17.3(1.61.310.76)所以，梁的计算长度取值为2.8-（-6.4）+2.49=11.69m 作用在钢板桩处的主动土压力和静水压力：

Pa(1.7)wh10440kN/m2（河水底面）

Pa(1.7)whka1040.7630.4kN/m2（河床下土层顶部）

(3) 计算结果 计算模型：

工况3 1m宽度范围钢板桩有限元模型

工况3 1m宽度范围钢板桩弯矩图 Mmax=-156.37KN.m

工况3 1m宽度范围钢板桩剪力图 Qmax=305.73(kN)

由上图可知，钢板桩最大的弯矩为-156.37kN.m，作用于第一道内支撑的反力为26.81kN, 作用于第二道内支撑的反力为-4.01kN,作用于第三道内支撑的反力为305.73kN。

SP-IV型拉森桩桩截面模量2270cm3容许应力210MPa。

钢板桩内力、应力及内支撑支撑反力表

第一道内钢板桩弯曲计算工况 应力(MPa) 应力(MPa) 弯矩 (kN·M) (kN) 工况一 工况二 工况三 29.67 43.7 68.89 2.24 7.94 12.61 67.35 -99.25 -156.37 45.89 -14.31 26.81 (kN) - 192.53 -4.01 (kN) - - 305.73 钢板桩剪钢板桩最大支撑反力支撑反力 支撑反力 第二道内第三道内钢板桩应力满足规范要求。 8.3拉森钢板桩的最小入土深度计算

设拉森钢板桩的最小入土深度为t，则t=y+x。x可根据RO和墙前被动土压力对板桩底端的力矩相等求得，即

拉森钢板桩实际入土深度为 t0(1.1~1.2)t，取t0=1.2t

因此拉森钢板桩的长度L=2.8-（-6.4）+10.97=19.37,施工时选取拉森钢板桩的长度取20m。

8.3围囹计算

由上表可知，第一道围囹最大支撑反力为45.89KN，第二道围囹最大支撑反力为192.53KN，第三道围囹最大支撑反力为305.73KN.由于支撑结构类型一样，材质型号一样，故只验算第三道内围囹。

利用Midas Civil建立有限元模型，如图，在钢板桩与圈梁相交处下方焊接牛腿设置竖向约束。将圈梁及内支撑看做四角加有固定铰支座的整体平面刚架结构。

第三道围囹空间有限元模型 圈梁组合弯矩图Mmax=348.8KN.m 圈梁组合剪力图Qmax=565.6KN

圈梁组合变形位移值fmax=0.002m圈梁轴力Pmax=294.9KN

圈梁组合应力图σmax=74.0MPa210MPa，满足要求。 圈梁剪应力图max

=49.5MPa125MPa，满足要求。

斜撑、平撑组合弯矩图Mmax=8.2KN.m 斜撑、平撑组合剪力图Qmax=0.5KN

斜撑、平撑组合变形位移值fmax=0.001m斜撑、平撑轴力P=1618.8KN

斜撑、平撑组合应力图σmax=98.8MPa210MPa，满足要求。 斜撑、平撑剪应力图8.3.3结论

第一、二、三道内撑圈梁和支撑的应力、强度、稳定性满足要求。 8.4封底砼厚度计算

封底砼采用C25，施工厚度为1m，围堰尺寸：15.2m×5.6m，3个桩直径1.8m,基底净面积77.49m2。

max

=0.1MPa125MPa，满足要求。

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)，

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； 封底混凝土所受浮力: 抗浮力:

封底混凝土自重G23177.491782.27KN 混凝土与钢板桩之间摩擦力

钢板桩内周长l与砼接触面长度（15.25.6）21.68970.26m(每延米拉森桩，1.689m)

桩基与封底混凝土摩阻力F12011.832035.75KN

kGfF1782.278431.22035.751.851.05满足要求。

F浮6606.80

主墩承台钢板桩围堰基坑底的封底砼厚度不仅需要满足围堰抗浮稳定要求,还需满足素砼的强度要求,水下封底采用C25砼。

封底砼厚度计算(根据《简明施工计算手册》)：

水下封底砼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最大水压力的作用，通常以此荷载(即地下水头浮力减去封底混凝土的重力)作为计算值。由于水下封底混凝土质量较普通混凝土差，并与各桩基连成一个整体，应按简支支承的双向板计算，承受均布荷载时，跨中弯矩M1、M2可按下式计算：

式中 a1、a2－弯矩系数，查《简明施工计算手册》中双向板在均布荷载作用下内力系数表；

p－地下水头浮力减去封底混凝土的重力形成的荷载(KN/m)

l1－矩形板的计算跨度(取最小跨)(m)。

2

取两根桩基中间3.7m×5.6m板计算。

l13.70.66l25.6 查表得，a1=0.0737,a2=0.0276。

满足要求。

8.5基坑底土抗隆起验算

在工况三下围堰内清淤至-6.4m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：

式中

Nq、Nc ---按Prandtl公式时，

Nqetantan2(45。/2)， Nc(Nq1)/tan；

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)。

基底抗隆起计算模式简图 对于工况三进行验算，

γ、φ、c按钢板桩入土深度范围内的值计算： 则:Nqtan(45)e22tan1.22 Nqetantan2(45。/2)1.74

Nc(Nq1)/tan=（1.74-1）/tan7.7=5.47

Ks5.479.11.7417.310.8=1.22＞1.2。

17.3（4.710.8）104(ht)q=

NccNqt结论：基坑底土满足抗隆起稳定性要求。 8.6基坑底管涌验算 不产生管涌的安全条件为: K=2.44,故不会发生基坑底管涌。 式中：

K——抗基坑底管涌安全系数；

w——水容重，w=10 KN/m3

b——土的浮容重，b7.0kN/m3

i ——水力梯, ih(h2t)

j——最大渗流力（动水压力），jiw

h——水位至坑底的距离，h=8.7m

t——钢板桩的入土深度，t=10.8m 8.7钢板桩围堰验算结论

⑴拉森桩总长度20m，入土深度10.8m满足设计要求；钢板桩的最大应力为

max68.89MPa210MPa，max12.61MPa125MPa满足要求；

⑵第一、二、三道围囹：圈梁组合应力图σmax=74.0MPa210MPa，满足要求。圈梁剪应力图max

=49.5MPa125MPa，满足要求。圈梁组合变形位移值

fmax=0.002m斜撑、平撑组合应力图σmax=98.8MPa210MPa，满足要求。斜撑、平撑剪应力图max

=0.1MPa125MPa，满足要求。斜撑、平撑组合变形位移值

fmax=0.001m⑶封底砼厚度1m，满足条件；

⑷围堰整体抗浮系数Ks1.851.05，满足要求； ⑸基坑底土抗隆稳定性Ks1.221.2，满足要求；

⑹抗基坑底管涌安全系数K2.441.5，不会发生基坑底管涌。