主墩承台锁口钢管桩围堰

设

计

计

算

书

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2012年11月

xxx大桥

锁口钢管桩围堰设计计算书

一、 工程概况

xxx大桥起于K0+344止于K1+231，桥梁全长887m，桥梁分左右幅，主桥设计为45m+100m+300m+100m+45m斜拉桥，单幅桥面宽13.5m，主塔墩下部采用锥形柱桥墩，承台结构尺寸为25m×19m×5m，其下设计为16根φ2m桩基。5#～6#为主墩，墩基础位于邕江河道深水中，河床主要以泥质砂岩和泥岩层为主，设计桩基嵌入中风化泥岩层中，5#墩桩基有效桩长60m。承台采用锁口钢管桩围堰施工，采用一阶形式，承台底标高为55.428m，承台顶标高为60.428m。结合工程实际，施工水位标高为m,强风化泥岩层河床标高为58.2m。现对5#墩围堰进行安全性检算。

二 设计依据及主要参考资料

（1）设计图纸及相关设计参数

（2）《钢结构设计规范》 GB 50017-2003

（3）《公路桥涵地基基础设计规范》

（4）《铁路桥涵地基和基础设计规范》(GB 10002.5-2005)

（5）《装配式公路钢桥多用途使用手册》

（6）《路桥施工计算手册》

(7)《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）

(8)《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)

（9）《简明施工计算手册》

三  主要施工参数

1、计算水位：m，计算水流速度V=2.0m/s。

2、锁口钢管桩围堰标高：66.5m；承台底面标高：55.428m；承台厚5m；承台顶标高60.428m；现场实测河床面标高58.2m。

3、地质情况：河床以下范围内为强风化泥岩，抗压强度平均为3.42MPa，厚度约20m。

取值：强风化泥岩的重度为： =27KN/ m3，内摩擦角Ф=20°，水容重为 w=10 kN/m3；

4、桩身外地面均布荷载按0 kN/m2计。

5、围堰内200cm厚C30封底砼。

四、 钢管桩入土深度计算

单根桩上端为简支，下端为固定支撑，钢管桩入土深度的计算采用等值梁法，即将土压力为零的深度处近似视为钢板桩地下部分的反弯点（正负弯矩转折点位置）,该点以上部分钢管桩内力与该点作为固定支撑,各支撑点简化多跨连续梁的内力是等值的。钢板桩受力如下图所示：

图3.1 钢板桩受力示意

桩身压力强度为0的点距河床面为u，u的计算公式如下：

式中，为土容重；

K为被动土压力修改系数，取1.7； 

为主动土压力系数；

被动土压力系数；

为总的主动压力(土体及水压力),

=5.8m    

土质的内摩擦角取20°,土的容重 为27kN/m3，水的容重为 w=10 kN/m3。

主动土压力系数==0.49; 

被动土压力系数==2.0;

=10*5.8+27*2*0.49=84.46 kN/m

                    =84.46/（27*（1.7*2-0.49））=1.07m

钢板桩入土深度t的确定,即t=u+x，其中x根据Pc和钢板桩C点以下部分的被动土压力与主动土压力之和对桩底端力矩相等求得。

图3.2 钢管桩受力分析

=84.46 kN/m2；Rc=229 kN

=4.18m

得钢管桩入土深度t=u+x=1.07+4.18=5.25m

五、 内支撑布置计算

(1)作用于钢管桩上的土压力强度及压力

ka=tg2（45°-φ/2）= tg2（45°-20°/2）=0.49

Kp= tg2（45°+Ф/2）= tg2（45°+40°/2）=2.0

桩顶以下土压力强度Pa2：

Pa2=[（r-rw）*（58.2-53.428）]*Ka

=[ (18-10) *4.772]*0.49

=18.706KN/m2

水压力(围堰抽水后)Pa3：

Pa3=rw*(-53.428)=10*10.572

=105.72 KN/m2

则总的主动压力(土体及水压力)Ea：

Ea=124.426 KN/m2

 (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,根据拉森Ⅳ型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:

根据：［σ］==（简明施工计算手册）

［σ］---钢板桩允许弯曲应力，取为190MPa

γ-------土的重度

ka-------主动土压力系数

-------钢管桩的截面抗弯模量2791cm3。

则：

h=  

=330cm

=3.3m

计算支撑间距，按照支撑等弯矩布置，把钢板桩视作承受三角形荷载的连续梁，（简明施工计算手册图3-1）解之得：

h1=1.11h=1.11*3.3=3.66m

h2=0.88H=0.88*3.3=2.904m

h3=0.77H=0.77*3.3=2.541m

h4=0.7H=0.7*3.3=2.31m

根据具体施工情况，调整支撑间距，内部采用四层支撑，

第一层距管桩顶3.5m（考虑第一层支撑在水面以下），支撑中心平面标高63m。

第二层距离钢管桩顶5.5m，考虑支撑位于承台顶面以上，支撑中心平面标高为61m。

第三层距离钢管桩顶8.5m，考虑到围堰抽水后，在河床面支撑，支撑中心平面标高为58m。

第四层为临时支撑，设置在封底砼顶面以上，支撑中心平面标高为56m。封底砼施工完毕后将其拆除。具体布置情况见图1。

图1 锁口钢管桩围堰支撑布置图

（3）各内支撑反力

采用简支梁法近似计算各内支撑反力。

根据Pn=1/2×γ×Ka×D×(hn+hn+1)

Pn---所求横梁支点承受的土压力

γ---土的重度

Ka---主动土压力系数

D---横梁支点至桩顶距离

hn---横梁支点至上一支点的距离

hn+1---横梁支点至下一支点的距离

第一道支撑主要承受水压力：

P1=10×1×3.5=35KN/m；

第二道支撑处：

P2=1/2×10×1×5.5×（2+3）=137.5KN/m

第三道支撑处：

P3=1/2×18×0.49×8.5×（3+3）=224.91KN/m。

第四道支撑处：

P4=1/2×18×0.49×10.5×（2+3）=463.05KN/m。

φ630*10支撑钢管为Q235钢，容许抗压强度为179MPa，安全。

为增强钢管支撑的稳定性，可对水平支撑钢管增加竖向支撑。

六、 基坑底部隆起验算

考虑地基土质均匀,依据地质勘察资料,其土体力学指标如下: 

r=18KN/m3，粘聚力取c=63.5Kpa

q=10*（-53.428）=10.572KN/m2

由抗隆起安全系数K=2πC/（q+rh）≥1.2

则：

K=2*3.142*63.5/（(10*10.572+(27-10)*（58.2-53.428）)=2.13≥1.2

故不会发生隆起。

七、基坑底管涌验算

根据不发生管涌条件：

K=（h＇+2t）r＇/（ h＇rw）≥1.5

式中：h＇----水面至坑底距离

t----钢板桩入土深度

rw----水重度

k---抗管涌安全系数

r＇----土的浮容重

r＇=rs-rw=27-10.0=17 KN/m3, 

t=5.3m  ；h＇=10.572m  ；rw=10.0 KN/m3

则：

K=(10.572+2*5.3)*17/（10.572*10）

=3.4＞1.5

即当钢板桩入土深度超过5.3m时，不会发生管涌。

八、封底砼强度验算

根据设计文件给出的地质情况，围堰底为强风化泥岩，岩层厚度大于20m，其下为中风化泥岩，均为不透水岩层，可抽水后明挖，并浇筑砼垫层。

1、验算是否可采用干封底（垫层）

根据A*γ’*h+c*u*h＞A*γw*hw(简明施工计算手册)

A---围堰底部面积m2，为37.46*27.92=934.2；

γ’---土的浮容重KN/m3,取为27；

h----不透水层厚度m，取为20m；

C----土的粘聚力，KN/m，取为63.5；

u----围堰内壁周长m，取为122.76；

γw----水容重KN/m3，取为10；

hw---- 透水层的水头高度m，取为5.8

则：

934.2*27*20+63.5*122.76*20=660373.2

934.2*10*5.8=54183.6

660373.2＞54183.6

故可采取干封底。

2、如岩层由于裂隙、溶洞等不良地质情况，可在围堰内回灌水后，进行水封底砼施工。封底砼采用水下C30砼。

将封底砼近似简化为周边简支支承板的双向板计算，承受均布荷载时跨中弯矩M1、M2可按下式计算（《简明施工计算手册》）：

M1=a1 p l12

M2=a2 p l12

a1、a2---弯矩系数，

L1/L2=0.82，a1=0.062;a2=0.042

p--静水压力形成的荷载（kN/m2）；

假定封底混凝土取2.0m,p=(-53.428)×10-2*24=57.72 kN/m2

l1---矩形板的计算跨度，取小跨，为27.92m。

Mmax=0.062×57.72×27.922=27.6 kN m

封底砼厚度计算h：

           +

其中：k——为安全系数，取2.65

——计算宽度，取  000mm

          ——砼抗拉强度（） =1.4MPa

          ——附加厚度, ～m，取0.3，

           故：  += 4.3+0.3=4.6 m

该计算中没有考虑桩基础与封底砼之间的摩擦力、握裹力，封底砼与钢板桩之间的摩擦力，由于渗水造成的水压力的损失，由于钻孔桩造成的跨境的损失，以上这些都大大减小封底砼的弯矩，根据经验值，该封底砼采用C30砼、厚度2m，可以满足封底要求。

九、支承杆（按φ600×10的钢管检算）

1、钢管截面积

A=1/4π(D2-d2) =π/4*(602-582)=185.26cm2

2、钢管的回转半径

ι=0.354*(D+d)/2=0.354*(60+58)/2=20.88cm

3、钢管的长细比

λ=μl/ι=650*1/20.88=30.95     查表Ф=0.957

4、钢管的稳定性

σ=e/ФA=124575/0.957*185.26

=702.7kg/cm2＜2150 kg/cm2

 通过检算φ600×10mm钢管稳定性满足要求，现场可采用φ630×10mm的螺旋钢管做为支撑杆。

所有围囹采用相同的材料制作围囹和支承杆，第二、三层临时支承采用Ф630×10mm的钢管支撑在桩基护筒或临时管桩上，第二层采取逐步置换的方法，将支撑由桩上转化到过桥支撑上，必要时可在基底附近增加第四层支撑，第三层钢管支撑浇筑封底砼后且达到一定强度后将支承杆拆除。

十、抗浮稳定验算

封底混凝土等级C30，厚2.0m，施工水位m，封底混凝土底面高程53.428m，主墩处河床强风化泥岩层最低标高58.2m，则水头差h=10.572m。主墩承台下共有16根φ2m桩基，查路桥计算施工手册，取桩基与封底混凝土的摩阻力τ=120kPa。围堰内部尺寸28.55m×34.1m，其中16个钢护筒2.4m，则基底净面积是。

水浮力：=10×10.572×973.55 =102923.7kN；

封底混凝土自重：=24×2.0×973.55=46730.4kN；

桩基与封底混凝土的摩阻力：=120×16×3.14×2.4×2.0=238.2kN；

钢管桩对水浮力稳定作用取下两式计算的较小值：

（1）钢管桩与封底混凝土的摩阻力

=120×(3.14×0.63/2+0.16)×158×2.0=43573.8kN

（2）钢管桩抗拔力（钢管桩与泥岩层摩阻力+钢管桩自重）

 钢管桩与泥岩层摩阻力

   F=158×1.5×（3.14×0.63+0.16×2）×40+158×（58.2-53.428）×

（3.14×0.63/2+0.16）×40

=542.7kN

钢管桩自重

F=158×[13×(155.3+33.4+12.56)+28.9+78.9] ×10/1000

=4304.2kN

抗拔力F=542.7+4304.2=60746.9kN

锁口钢管桩数量158根，钢管桩与强风化泥岩层面摩阻力按1/3极限摩阻力计算取40kPa，封底混凝土底面下钢管入土深度1.5m，单个锁口钢管桩中钢管桩φ630mm×10mm，单重155.3kg/m；4个不等边角钢L100mm×80mm×6mm单重8.35×4=33.4kg/m；焊接钢板160mm×10mm单重12.56kg/m；三角加劲钢板80mm×60mm×10mm，单块0.19kg；位于钢管桩底部0.5m长补强圈，单重157.8 kg/m。

则抗浮系数：

>1.0

满足要求。

十一、  嵌岩深度计算

如果在施工中，遇到钢管桩插打在泥岩内，难以打入，则可按照嵌岩桩考虑。根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(GB 10002.5-2005)，嵌岩深度计算公式如下：

R为桩尖岩石的承载力，取8000kPa。

M=Mmax=329 kN m

K=0.5

d=0.63

h1=1.4m

当钢管桩的入土深度不能满足5.25m时，则可按照嵌岩桩考虑，桩嵌入新鲜岩面的深度不小于1.4m。并且保证钢管桩围堰到承台开挖面的距离不小于4m。下载本文