钢板桩(混凝土)计算书初步.doc

钢板桩围堰复核计算（混凝土围檩）
一、设计依据
二、钢板桩围堰结构说明及施工工艺流程简单说明
钢板桩采用拉森Ⅳ型钢板桩。钢板桩设计长度24米，插入河床以下约18米，承台底面以下10.78米。
表3：拉森Ⅳ型钢板桩技术规格
型号
钢板桩尺寸（mm）
截面积 （cm2）
单位重量（kg/m）
截面矩
（cm3）
宽度b
高h
壁厚t1
侧壁厚t2
拉森Ⅳ型
400
170
15.5
11
236
74
2037
施工简单流程
1、插打靠近围堰内壁的12根钢护筒，护筒壁厚10mm，长9米，入土深度3米，采用[20a作平联，连成稳定的框架。
2、安装[20a内、外围导向定位架，定位架与钢护筒之间连接牢靠，然后进行钢板桩插打，承台为圆形，钢板桩围堰为圆形，考虑预留1.5m的施工空间，钢板桩围堰内径定为φ23.5m。
3、先插打河上游的第1根钢板桩，余下钢板桩在第1根钢板桩两边插打，逐渐向两边分，将河中的钢板桩全部打完。
4、施工临时防护结构，拆除墩位处河堤。
5、测量放样，继续插打钢板桩围堰直到合拢。
6、安装外围檩对围堰进行加固。
7、堰内分层填土（约40cm一层），每层基本找平后再填上一层，采用透水性好的砂土，一边填土，一边抽水，确保堰内外压力基本平衡。
8、拆除钢平台桥面及纵梁。
9、将岛面填筑成中间比周边高1米的隆起，理顺排水，防止岛面积水，围堰填筑成型后，在填土顶面铺一层渣石以增强其承载能力。
10、进行钻孔施工
11、桩基全部施工完成并全部检验合格后，进行承台开挖，大面开挖到标高+1.1m时，安装第一道围檩（0.4×0.4m双室钢箱）。围檩安装在牛腿上。第一层内围檩安装完毕后，进行内支撑安装，内支撑与围檩间采用焊接。内支撑安装完毕，方可进行下层开挖。
12、边开挖边抽水，分层开挖，大面开挖到标高-2.25m时，安装钢筋、模板、焊锚固钢筋、安装塑料隔膜，浇注C40围檩混凝土（1.1×1.1m）。
13、大面开挖到标高-5.021m（6#墩-5.221m）时，安装钢筋、模板、焊锚固钢筋、安装塑料隔膜，浇注C40围檩混凝土（1.1×1.1m）。
14、5#墩大面开挖到标高-7.021m时（6#墩开挖到标高-7.221m），安装模板、钢筋、焊锚固钢筋、安装塑料隔膜，浇注1米高、1米宽C40砼（连续墙第一次浇筑）。
15、5#墩大面开挖到标高-8.021m时（6#墩开挖到标高-8.221m），安装模板、钢筋、并与上层墙体钢筋相连、安装塑料隔膜，浇注1米高、0.5米宽C40砼（连续墙第二次浇筑）。连续墙竖向分节开挖，分节施工浇注，连续墙高度共4米。
16、连续墙完工，强度达到75%后，继续开挖，比承台底超挖1米，基底找平，浇注1米厚封底混凝土，并留好。坑底四周预留排水沟、积水坑等。封底顶标高即为承台底标高，封底采用C20砼。为保证以后钢板桩好拔出，在钢板桩与封底砼之间10mm厚的泡沫板作隔离层，以便于以后钢板桩拔出。
三、设计参数
3.1 水文资料
20年一遇设计最高通航水位标高为+2.59m。常水位标高为0.8m。
3.2 地质资料
地质情况如下表：
表1:地质情况表
时代成因
地层编号
岩土名称
岩土状态
基本承载力
σ0（KPa）
Q4al+m
②-1
粉质黏土
软塑
120
②-2
粉土
稍密~中密
100
Q4m
④-1
淤泥质粉质黏土
流塑
80
Q4m+h
⑤-1
粉质黏土
软塑
100
⑤-2
粉砂
中密
100
Q4m+l
⑤-4
粉质黏土
软塑~硬塑
180
Q4al+m
⑦-1
粉土
中密
150
Q3m
⑧-1
粉质黏土
流塑
120
Q3al+m
⑨-1
粉砂夹粉土、粉质黏土
中密
150
⑨-2
粉砂
密实
200
表2:主墩基础地质地层分布情况表
3.3 其它荷载参数
①车辆荷载：按q2=20kPa的均布荷载进行计算。
四、设计工况及荷载组合
设计工况一：在钢板桩外侧加型钢围檩。在钢板桩围堰内部回填土并分层压实至标高+3.0m。在工况一条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力。施工水位按常水位+0. 8m进行计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为+2.8m。
设计工况二：桩基施工完成后，进行开挖作业，开挖至第一层内围檩位置（+1.3m），安装第一层围檩。在工况二条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+水压力+车辆荷载。施工水位按常水位+2.59m进行计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为+1.3m。
设计工况三：第一层围檩及内支撑施工完毕，继续挖基坑至第二层围檩位置（标高-2.2m，为砼围檩的底面标高），此时内围檩砼未浇筑。在工况三条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+车辆。施工水位按+2.59计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为-2.2m。施工荷载主要为外侧车辆碾压荷载。
设计工况四：第二层围檩及内支撑施工完毕，基坑开挖至第三层围檩位置（标高-4.7m，为砼围檩的底面标高）此时内围檩砼未浇筑。在工况四条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+车辆荷载。施工水位按+2.59计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为-5.021m。施工荷载主要为外侧车辆碾压荷载。
设计工况五：第三层围檩及内支撑施工完毕，基坑开挖至下层承台顶面下1m位置(标高-7.221m),此时内围檩砼未浇筑。在工况五条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+施工荷载引起的附加力。施工水位按+2.59计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为-7.221m。施工荷载主要为外侧车辆碾压荷载。
设计工况六：第四层围檩及内支撑施工完毕，以后基坑每开挖1m即浇筑1m的围檩砼，直至基底位置（标高-11.221m），围堰受力达到封底砼浇筑前的最终状态。
五、钢板桩围堰的计算分析
5.1 设计工况一
5.1.1 计算原理
在工况一条件下，围堰外侧顶部设置有一道外围檩，钢板桩按单锚式板桩进行计算，单锚深埋板桩上端为简支，下端为固定支撑。其计算采用等值梁法。
5.1.2 钢板桩围堰强度计算
假定外侧地面以下y深度处，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。
围堰内部的土压力按主动土压力进行计算，围堰外部的土压力按被动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。由于内外水位标高相等，未标出水压力。
通过试算，得出y=0.56m时，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。钢板桩围堰的受力模型如图5.2-2，对应的e点的标高为-3.56m。
取1m宽钢板桩进行受力分析，其计算模型如下：

计算模型

剪力图

弯矩图
查看计算结果图形得出，钢板桩围堰的最大弯矩为M=145.97kNm，每延米钢板桩抗弯模量W=2037cm3，则钢板桩应力为：
钢板桩的强度满足要求。
5.1.3 钢板桩围檩的计算
根据上节的计算得出，钢板桩围檩处的支座反力为38.67kN，计算中所取的钢板桩的宽度为1m，即钢板桩对围檩的作用力为38.67kN/m。对外围檩建立整体模型进行分析，考虑加工精度，将圆36等分为多边形计算，由于考虑对填土时围堰设拉杆对拉，拉杆共设8道，故模型设置16个支点，见下图：

外围檩采用2[20，其截面面积为A=28.8×2=57.6cm2，其截面模量W=178×2=356cm3。可求得最大弯矩为67.3kNm，剪力为87.25kN。
弯曲应力为：
剪应力为：τ=V/A=15.15MPa<[τ]=85MPa
查《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》表1.2.5和表1.2.10知，钢材的容许弯曲应力为145MPa，对于临时结构，可采用1.4的提高系数。
故围檩的强度满足要求。建议在原设计基础上，在钢围堰顶部外围檩增设拉杆，对拉拉杆采用直径为25mm的精轧螺纹钢筋，其截面积为353mm2。由上模型分析得，支座最大反向轴力为167.09kN，考虑的1.5的多根拉杆不均匀分配系数为1.5，故拉杆每束根数为4。拉杆布置图如下：

5.1.5 钢板桩围堰的入土深度计算
根据第5.1.3节的计算得出，在深度y处的支座反力为P=127.25kN。假定在e点以下xm处，钢板桩的弯矩为0，近似计算的公式如下：
P=γ（K·Kp-Ka）/6x2
得出x= √(6P/γ/（K·Kp-Ka）)=3.26m
查《简明施工计算手册》表3-25，得K=1.7，内摩檫角为25度，则其主动土压力系数Ka=0.406，被动土压力系数为Kp=2.464。
则钢板桩围堰的最小入土深度为to=x+y=3.26+0.56=3.82，实际所需的入土深度为t=1.2to=4.584m，实际的钢板桩围堰的入土深度为9.779m>4.584m，故钢板桩围堰的入土深度满足要求。
5.2 设计工况二
5.2.1 计算原理
在工况二条件下，围堰外侧顶部设置有一道外围檩，钢板桩按单锚式板桩进行计算，单锚深埋板桩上端为简支，下端为固定支撑。其计算采用等值梁法。
5.2.2 钢板桩围堰强度计算
假定外侧地面以下y深度处，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。
围堰内部的土压力按主动土压力进行计算，围堰外部的土压力按被动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。
通过试算，得出y=0.28m时，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。又由以上受力图知，工况二受力比工况一小，故其不做控制工况，在此不做验算。
5.3 设计工况三
5.3.1 计算原理
在工况三条件下，围堰内取土至标高-2.2m，已安装上面一层内支撑结构，但此时第二层围檩并未安装。用等值梁法。围堰内部的土压力按被动土压力进行计算，围堰外部的土压力按主动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。
在设计工况三条件下，取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+车辆荷载，其中车辆荷载取20kpa。受力状况见下图示：
通过试算，得出y=1.07m时，钢板桩围堰内的被动土压力等于钢板桩围堰外的主动土压力。钢板桩围堰的受力模型如上图，对应的e点的标高为-3.27m。
取1m宽钢板桩进行受力分析，通过试算知上层内支撑受拉，故计算时，上层内支撑处不设置支座，其计算模型如下：

计算模型
采用sap2000计算得结果如下：

剪力图

弯矩图
查看结果图形发现，钢板桩围堰的最大弯矩为143.30kNm，每延米钢板桩抗弯模量为W=2037m3，则钢板桩的应力为：
，钢板桩的强度满足要求。
5.3.2钢板桩围檩的计算
根据上节的计算得出，钢板桩围檩处的支座反力为114.91kN，计算中所取的钢板桩的宽度为1m，即钢板桩对围檩的作用力为114.91kN/m。
围檩为圆形结构，取微段长度进行分析，假定拱轴为合理轴线，则拱轴所受弯矩及剪力均为0，其轴力为常数，其值为Fn=114.91×11.55=1327.21kN。
围檩为钢箱结构，A=0.0194m2
故压应力，满足受力要求。
考虑施工精度，用16边形代替圆建立整体模型如下图：
外围檩采用钢箱结构，其截面模量W=2207cm3。可求得最大弯矩为202.27kNm，剪力为263.41kN。
弯曲应力为：
剪应力为：τ=V/A=13.5MPa<[τ]=85MPa
查《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》表1.2.5和表1.2.10知，钢材的容许弯曲应力为145MPa，对于临时结构，可采用1.4的提高系数。
内支撑各点反力如下图：

即内支撑承受轴力为153.48kN。内支撑采用工20a型钢，ix=8.15cm。自由长度为4.7m，长细比。φ=0.819.
，受力满足要求。
5.3.3 钢板桩围堰的入土深度计算
由以上计算得出，在深度y处的弯矩为M=143.30kNm。假定在e点以下xm范围内的土压力对e点的弯矩为M=143.30kNm，近似计算的公式如下：
M=γ（K·Kp-Ka）/3x3
得出x= (3M/γ/（K·Kp-Ka）)1/3=1.82m
查《简明施工计算手册》表3-25，得K=1.7，内摩檫角为25度，则其主动土压力系数Ka= 0.406，被动土压力系数为Kp=2.464。
则钢板桩围堰的最小入土深度为他to=x+y=1.82+1.07=2.89，实际所需的入土深度为t=1.1to=3.18m，实际的钢板桩围堰的入土深度为18.8m>10.25m，故钢板桩围堰的入土深度满足要求。
5.4 设计工况四
5.4.1 计算原理
在工况四条件下，围堰内取土至标高-5.02m，已安装上面两层内支撑结构，但此时第三层围檩并未安装。用等值梁法计算多层支撑板桩，其计算步骤和方法与工况三相同。围堰内部的土压力按被动土压力进行计算，围堰外部的土压力按主动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。
假定内侧地面以下y深度处，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。
在设计工况四条件下，取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+车辆荷载，其中车辆荷载取20kpa。
通过试算，得出y=1.6m时，钢板桩围堰内的被动土压力等于钢板桩围堰外的主动土压力。钢板桩围堰的受力模型如上图，对应的e点的标高为-6.62m。取1m宽钢板桩进行受力分析，其计算模型如下：

计算模型

剪力图

弯矩图

支座反力
查看结果图形发现，钢板桩围堰的最大弯矩为237.15kNm，每延米钢板桩抗弯模量为W=2037m3，则钢板桩的应力为：
，钢板桩的强度满足要求。
5.4.2钢板桩围檩的计算
根据上节的计算得出，钢板桩围檩处的支座反力为320kN，计算中所取的钢板桩的宽度为1m，即钢板桩对围檩的作用力为320kN/m。
围檩为圆形结构，取微段长度进行分析，假定拱轴为合理轴线，则拱轴所受弯矩及剪力均为0，其轴力为常数，其值为Fn=320×11.55=3696kN。施工中考虑20cm的偏心矩，截面采用对称配筋，根矩形截面小偏心受压构件对称配筋计算，计算得出配筋结果为负值，按照构造配筋，则配筋面积A=0.6%×1=6000mm2 ，原设计配筋满足要求。
5.4.3 钢板桩围堰的入土深度计算
由以上计算得出，在深度y处的弯矩为M=237.15kNm。假定在e点以下xm范围内的土压力对e点的弯矩为M=237.15 kNm，近似计算的公式如下：
M=γ（K·Kp-Ka）/3x3
得出x= (3M/γ/（K·Kp-Ka）)1/3=2.15m
查《简明施工计算手册》表3-25，得K=1.7，内摩檫角为25度，则其主动土压力系数Ka= 0.406，被动土压力系数为Kp=2.464。
则钢板桩围堰的最小入土深度为他to=x+y=2.15+1.6=3.75，实际所需的入土深度为t=1.1to=4.13m，实际的钢板桩围堰的入土深度>4.13m，故钢板桩围堰的入土深度满足要求。
5.5 设计工况五
5.5.1 计算原理
在工况五条件下，围堰内取土至标高-7.22m，已安装上面三层内支撑结构，但此时底部围檩并未安装。用等值梁法计算多层支撑板桩，其计算步骤和方法与工况四相同。围堰内部的土压力按被动土压力进行计算，围堰外部的土压力按主动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。
假定内侧地面以下y深度处，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。
通过试算，得出y=2.02m时，钢板桩围堰内的被动土压力等于钢板桩围堰外的主动土压力。钢板桩围堰的受力模型如下图，对应的e点的标高为-9.24m。取1m宽钢板桩进行受力分析，其计算模型如下：

计算模型

剪力图

弯矩图
查看结果图形发现，钢板桩围堰的最大弯矩为292.81kNm，每延米钢板桩抗弯模量为W=2037m3，则钢板桩的应力为：
，钢板桩的强度满足要求。
5.5.2钢板桩围檩的计算
根据上节的计算得出，钢板桩围檩处的支座反力为490.87kN，计算中所取的钢板桩的宽度为1m，即钢板桩对围檩的作用力为490.87kN/m。
围檩为圆形结构，取微段长度进行分析，假定拱轴为合理轴线，则拱轴所受弯矩及剪力均为0，其轴力为常数，其值为Fn=490.87×11.55=5669.59kN。
配筋计算结果同工况四，仍按构造配筋，配筋率不得小于0.6%.
5.5.3 钢板桩围堰的入土深度计算
由以上计算得出，在深度y处的弯矩为M=292.81kNm。假定在e点以下xm范围内的土压力对e点的弯矩为M=292.81 kNm，近似计算的公式如下：
M=γ（K·Kp-Ka）/3x3
得出x= (3M/γ/（K·Kp-Ka）)1/3=2.30m
查《简明施工计算手册》表3-25，得K=1.7，内摩檫角为25度，则其主动土压力系数Ka= 0.406，被动土压力系数为Kp=2.464。
则钢板桩围堰的最小入土深度为他to=x+y=2.3+2.02=4.32，实际所需的入土深度为t=1.1to=4.75m，实际的钢板桩围堰的入土深度>4.75m，故钢板桩围堰的入土深度满足要求。
5.6 设计工况六
第四层围檩及内支撑施工完毕，以后基坑每开挖1m即浇筑1m的围檩砼，直至基底位置（标高-11.221m），四层围檩下的最大跨度为1m，按最不利状态（悬臂状态）计算其承受的最大荷载q=814.8kN/m。封底底部主动土压力强度为199.86kpa，受力满足要求。
浇注混凝土封底后，围堰的受力状态近似与工况五相同，在此不做计算。
5.7 盾恩法验算钢板桩入土深度
计算公式：计算简图如下
1/2γ（Kp-Ka）x2=1/2[(Kaγ’h+γwH)×(2.521+x)]
解得x =6.1m
实际插入深度为9.779m
安全系数1.6，安全。
实际情况相当于内支撑位置位于封底
底面，比此更偏安全

5.8 混凝土围檩的验算
取第三层围檩进行混凝土围檩验算
1、受力验算
第三层围檩及内支撑施工完毕，基坑开挖至下层承台顶面下1m位置(标高-7.22m)，此时内围檩砼未浇筑，围堰受力为该过程最不利状态。如图1为围堰的靠岸一侧的水压和土压分布。

图1 水压土压分布
第三层围檩受荷高度约为4.22m（标高－3.0m到-7.22m的范围）。
-3.0m处水压为：；
-7.22m处水压为：
-3.0m处土压力（地下水位以下扣除水对土的浮重）为：

-7.22m处土压（地下水位以下扣除水对土的浮重）为：

计算时偏安全考虑，认为4.22m受荷高度内的荷载均由第三道围檩来承受，简化为均布荷载，外部车辆荷载产生的压力荷载为8.1，则作用在第三道围檩上的均布荷载大小为：

根据此压力荷载建立模型，围檩为对称结构，取一半围檩进行计算，计算模型如图2所示。土压力和水压力可按恒载计算，考虑1.2的组合系数。

图2 第三道围檩计算模型

图3 第三道围檩计算轴力
根据模型计算得围檩轴力设计值为6809.5kN。围檩混凝土单元应力为：

满足要求。
2、配筋验算
在施工中，考虑到围檩的施工误差，对围檩纵向进行适当配筋，以确保结构稳定，配筋按矩形截面偏心受压构件的理论进行计算，拟取偏心矩。
根据《混凝土结构设计规范》和《混凝土结构计算手册》矩形截面偏心受压柱的计算来进行围檩的配筋。
附加偏心矩
则初始偏心距

按小偏心计算。
N为设计值，其大小为：

根据《混凝土结构设计规范》有：

取
由公式：

求得相对受压区高度：
已知参数

将上述数值代入方程，得：
即得：
求得
则
故有

故按构造要求配筋，截面最小配筋率为0.5％，单侧配筋不小于0.2％。
总配筋＝，配置18φ20（HRB335）钢筋，配筋率为5.7％，满足要求。按构造配置箍，配置φ8@250的箍筋，在有支撑位置箍筋加密，采用φ8@100，加密长度不小于3m。
5.9 钢板桩稳定性的验算
（1）基坑底的管涌验算
围堰内标高为-12.211m，围堰外标高为+3m，，水位标高为+2.59m，钢板桩的底标高为-21m。
h‘=14.8m
t=8.21m
γw=10
γ‘=9
由计算得抗管涌安全系数K=1.90≥1.5。
故不会发生管涌现象。
由于计算中不考虑粘聚力，故不进行基坑的抗隆起验算。
（2）、抗倾覆验算

Kar’H1+r水h=0.406*9*9.021+10*（4.79+9.021）=171KPa
Kar0.41+ Kar’h+r水h +20Ka=199.12
①围堰切入河岸长度：18m，压力合力为：F1=199.12*18*14.221/2=25485KN，
相对旋转点（支点）距离L1=14.221/3+0.2=6.74m
②对应河中的反压力：F2=171*18*13.811/2=21255KN
相对旋转点（支点）距离L2=13.811/3+0.2=6.6m
③根据力矩平衡原理：ΣM=F1*L1-（F2*L2+G*L）=0
求得G=（25485*6.74-21255*6.6）/11.75=2679.65KN
实际G=370+212*2+530=1324吨=12975KN
围堰抗倾覆安全系数：K=12975/2679.65=4.84
围堰稳定，不会倾覆。