浙江某特大桥水中承台钢板桩围堰结构设计及计算书

'（1）目录（适用于GS22、23、24、27、28号墩）1编制依据12工程概况13钢板桩围堰方案综述34、结构计算34.1、设计标准及参数44.1.1、基坑设计等级及设计系数44.1.2、材料力学性能指标44.1.3、内支撑刚度44.1.4、内支撑材料抗力44.2、荷载计算54.3、计算模型54.4、施工工况定义54.4.1、整体分析工况定义54.4.2、单元分析工况定义54.5、围堰结构验算64.5.1、整体分析64.5.1.1、围堰结构变形64.5.1.2、围堰钢板桩验算64.5.2、单元计算74.5.3、围堰围囹（腰梁）及斜撑验算225、附件25第27页共28页 承台钢板桩围堰计算书（适用于GS22、23、24、27、28号墩）1编制依据（1）XX大桥勘测设计研究院《XX西至XX头停车场区间桥梁下部结构<变更设计A、B、C版>》图纸（2）XX省工程勘察院二0一0年十月《XX西站至XX头停车场区间岩土工程勘察报告<详堪>》图纸（3）《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》（TZ203-2008）（4）《铁路桥涵工程施工质量验收标准》（J286-2004）（5）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）（6）《铁路桥涵钢筋砼和预应力砼结构设计规范》（TB10002.3-2005J462-2005）（7）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）（8）《路桥施工计算手册》（9）《简明施工计算手册》（第三版）（10）MIDAS2006计算软件2工程概况轨道交通1号线一期工程西起XX市西部的XX镇，沿甬XX路、XX路和XX路到XX广场，我标段范围为XX头停车场出入段至XX站的四段区间（XX西站至XX头停车场出入段、XX西站至XX站、XX站至XX站、XX站至芦港站）和三座车站（XX西站、XX站、XX站）的所有上、下部结构及附属工程。GS22、23、24、27、28号墩位于XX西站至XX头区间，GS22、24、27、28均位于农田地内，GS23位于XX河道内，但XX河属内河，为静水，因此不考虑冲刷,桥墩基本参数如表1：第27页共28页 表1：桥墩基本参数表墩号承台底高程m承台厚m承台平面尺寸m（纵X横）现状地面高程m基坑最小深度（包括15cm垫层）mGS28-4.8852.57.2X9.21.96.94GS27-4.5852.57.2X9.21.96.64GS24-4.6342.57.2X9.21.86.58GS23-4.9942.57.2X9.21.86.94GS22-4.6542.57.2X9.21.86.60根据XX省工程勘察院二0一0年十月《XX西站至XX头停车场区间岩土工程勘察报告<详堪>》图纸，选择临近墩位，地勘点资料见表-2。墩号地勘点编号地勘点里程墩中心里程GS23SG-XZ07CK0+621.97CK0+647.176GS24SG-XZ06CK0+710.07CK0+697.176GS27SG-XJ02CK0+796.27CK0+788.176GS28SG-XZ03CK0+918.47CK0+848.176表2：土层参数表土层编号土层名称土层厚度(m)土层底标高(m)重力密度γ(kN/m3)内摩擦角Φc(°)粘聚力Cc(kpa)侧阻力fs(kpa)①1a杂填土1.8-0.0318.713.833.514.1①3淤泥质粘土1.9-1.9317.09.013.35.2②1粘土1.1-3.0318.011.018.312.8②2-2淤泥质粉质粘土8.6-11.6317.49.014.95.2②3淤泥质粘土7.6-19.2317.29.516.310.0③2粉质粘土1.6-20.8318.511.719.120.3④1-1淤泥质粉质粘土5.2-26.0317.610.519.513.2④2粘土6.8-32.8317.211.522.217.2⑤2粘土1.8-34.6319.217.436.850.1⑥2粉质粘土6.1-40.7318.614.331.423.1注：1、内摩擦角和粘聚力取固结快剪值；2、重力密度、内摩擦角、粘聚力、侧阻力均取“地基土物理力学指标统计表”中平均值（表中无数据，取相似土层数据）。第27页共28页 选择深度最大的GS23作为计算墩位，采用SG-XZ07地勘点作为计算依据，基坑深度按6.94m计，即地面高程1.8m（桩顶高出地面0.5m），坑底高程-5.144m。3钢板桩围堰方案综述GS22、24、27、28位于农田地内，GS23号墩位于XX河道内，但XX河为内河，无冲刷，采用筑岛钢板桩围堰，因此均按无冲刷陆地钢板桩围堰计算，承台平面尺寸为9.2m×7.2m，承台底高程为-4.63m。采用一根长17m，宽0.4m的《热轧U型钢板桩》（GBT20933-2007）中400*170*15.5mm钢板桩，钢围堰平面尺寸为12m×10m，地面高程1.8m，各结构高程见图1-1、1-2。结合实际，基坑内共设置两道支撑围囹，每层间隔2.7m，首层设置在地面以下1m，每层围囹采用“3工36a”工字钢制成，每层围囹内侧采用“2工36a”工字钢斜支撑，最大自由长度为6.43m。内支撑围囹平面图如下：4、结构计算采用理正深基坑6.5软件对支护结构和围囹支撑体系等变形与内力整体计算分析；支护结构的抗倾覆稳定性、抗隆起、抗管涌、嵌固深度采用理正深基坑支护结构设计软件单元计算进行分析，并通过Midas/Civil2006计算内支撑及围囹进行对比分析。4.1、设计标准及参数4.1.1、基坑设计等级及设计系数二级，重要性系数：1.0；第27页共28页 支护结构结构重要性系数：1.0；构件计算综合性系数：1.25。4.1.2、材料力学性能指标序号材料名称/规格使用部位强度设计值(Mpa)抗拉、压、弯抗剪承压1工字钢/工36a(Q235)腰梁2151253253钢板桩/400X170X15.5(Q295bz)桩2954.1.3、内支撑刚度围囹（腰梁）采用“3工36a”工字钢，内支撑采用“2工36a”工字钢，最大自由长度6.43m。采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）附录C.2.2（详见计算总说明）：取值如下：4.1.4、内支撑材料抗力T—为支撑材料抗力(kN)；A—为支撑断面积(mm2)；fy—为抗压强度设计值(N/mm2)；—为与长细比有关调整系数；ξ—为工程形式有关的调整系数(通常对称支撑取1.0)。“2工36a”工字钢，自由长度6.43m，，，查表得第27页共28页 4.2、荷载计算根据规范要求，基坑边缘设置20kpa超载，整个施工过程中坑边荷载不得大于20kpa。4.3、计算模型采用理正深基坑支护结构设计6.5软件按钢板桩连续墙建模，如图：4.4、施工工况定义4.4.1、整体分析工况定义（1）、工况1：开挖至原地面以下1.5m；（2）、工况2：开挖至原地面以下4.2m；（3）、工况3：开挖至原地面以下7.1m（基底）；（4）、工况4：拆除第二道支撑；4.4.2、单元分析工况定义（1）、工况1：开挖至原地面以下1.5m（第一道内支撑以下0.5m）；（2）、工况2：在原地面以下1.0m处安装第一道内支撑；（3）、工况3：开挖至原地面以下4.2m（第二道内支撑以下0.5m）；（4）、工况4：在原地面以下3.7m处安装第二道内支撑；（5）、工况5：开挖至原地面以下7.1m（基底），浇筑30cm厚C15垫层；第27页共28页 4.5、围堰结构验算4.5.1、整体分析4.5.1.1、围堰结构变形如图所示，围堰结构最大变形发生在工况3，最大变形为21.6mm。4.5.1.2、围堰钢板桩验算由于钢板桩数量较多，限于篇幅此处仅列出最大内力单元数据。第27页共28页 钢板桩（墙）最大竖向弯矩发生在工况3[（1）Z-1]，最大弯矩为。选用《热轧U型钢板桩》（GBT20933-2007）中400*170*15.5mm钢板桩：，合格。4.5.2、单元计算---------------------------------------------------------------------[支护方案]---------------------------------------------------------------------排桩支护第27页共28页 ---------------------------------------------------------------------[基本信息]---------------------------------------------------------------------内力计算方法增量法规范与规程《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99基坑等级二级基坑侧壁重要性系数γ01.00基坑深度H(m)7.100嵌固深度(m)7.900桩顶标高(m)0.000桩材料类型钢板桩├每延米截面面积A(cm2)236.00├每延米惯性矩I(cm4)39600.00└每延米抗弯模量W(cm3)2200.00有无冠梁无放坡级数0超载个数10第27页共28页 支护结构上的水平集中力---------------------------------------------------------------------[超载信息]----------------------------------------------------------------------超载类型超载值作用深度作用宽度距坑边距形式长度序号(kPa,kN/m)(m)(m)(m)(m)120.000-------------------------------------------------------------------------------------[附加水平力信息]----------------------------------------------------------------------水平力作用类型水平力值作用深度是否参与是否参与序号(kN)(m)倾覆稳定整体稳定----------------------------------------------------------------------[土层信息]----------------------------------------------------------------------土层数10坑内加固土否内侧降水最终深度(m)7.100外侧水位深度(m)1.000内侧水位是否随开挖过程变化否内侧水位距开挖面距离(m)---弹性计算方法按土层指定ㄨ弹性法计算方法m法----------------------------------------------------------------------[土层参数]----------------------------------------------------------------------层号土类名称层厚重度浮重度粘聚力内摩擦角(m)(kN/m3)(kN/m3)(kPa)(度)1杂填土1.8018.78.733.5013.802淤泥质土1.9017.07.013.309.003粘性土1.1018.08.018.3011.004粉土8.6017.47.414.909.005淤泥质土7.6017.27.2------6粉土1.6018.58.5------第27页共28页 7淤泥质土5.2017.67.6------8粘性土6.8017.27.2------9粘性土1.8019.59.2------10粉土6.1018.68.6------层号与锚固体摩粘聚力内摩擦角水土计算方法m,c,K值抗剪强度擦阻力(kPa)水下(kPa)水下(度)(kPa)114.128.5010.80合算m法5.78---25.28.306.00合算m法2.05---312.813.308.00合算m法3.15---45.29.906.00合算m法2.21---510.011.306.50合算m法1.33---620.314.108.70合算m法2.05---713.214.507.50合算m法1.83---817.217.208.50合算m法2.32---950.131.8014.40合算m法5.89---1023.126.4011.30合算m法4.06-------------------------------------------------------------------------[支锚信息]----------------------------------------------------------------------支锚道数2支锚支锚类型水平间距竖向间距入射角总长锚固段道号(m)(m)(°)(m)长度(m)1内撑1.0001.000---------2内撑1.0002.700---------支锚预加力支锚刚度锚固体工况锚固力材料抗力材料抗力道号(kN)(MN/m)直径(mm)号调整系数(kN)调整系数10.00882.00---2～---1568.001.0020.00882.00---4～---1568.001.00----------------------------------------------------------------------[土压力模型及系数调整]第27页共28页 ----------------------------------------------------------------------弹性法土压力模型:经典法土压力模型:层号土类名称水土水压力主动土压力被动土压力被动土压力调整系数调整系数调整系数最大值(kPa)1杂填土合算1.0001.0001.00010000.0002淤泥质土合算1.0001.0001.00010000.0003粘性土合算1.0001.0001.00010000.0004粉土合算1.0001.0001.00010000.0005淤泥质土合算1.0001.0001.00010000.0006粉土合算1.0001.0001.00010000.0007淤泥质土合算1.0001.0001.00010000.0008粘性土合算1.0001.0001.00010000.0009粘性土合算1.0001.0001.00010000.00010粉土合算1.0001.0001.00010000.000----------------------------------------------------------------------[工况信息]----------------------------------------------------------------------工况工况深度支锚号类型(m)道号1开挖1.500---2加撑---1.内撑3开挖4.200---4加撑---2.内撑5开挖7.100-------------------------------------------------------------------------[设计结果]----------------------------------------------------------------------第27页共28页 ----------------------------------------------------------------------[结构计算]----------------------------------------------------------------------各工况：第27页共28页 第27页共28页 内力位移包络图：地表沉降图：第27页共28页 ----------------------------------------------------------------------[整体稳定验算]----------------------------------------------------------------------计算方法：瑞典条分法第27页共28页 应力状态：总应力法条分法中的土条宽度:1.00m滑裂面数据整体稳定安全系数Ks=0.852圆弧半径(m)R=14.089圆心坐标X(m)X=-0.657圆心坐标Y(m)Y=6.149----------------------------------------------------------------------[抗倾覆稳定性验算]----------------------------------------------------------------------抗倾覆安全系数:Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩,对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。工况1：注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。序号支锚类型材料抗力(kN/m)锚固力(kN/m)1内撑0.000---2内撑0.000---Ks=6.774>=1.200,满足规范要求。工况2：注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。序号支锚类型材料抗力(kN/m)锚固力(kN/m)1内撑1568.000---2内撑0.000---Ks=18.903>=1.200,满足规范要求。第27页共28页 工况3：注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。序号支锚类型材料抗力(kN/m)锚固力(kN/m)1内撑1568.000---2内撑0.000---Ks=6.160>=1.200,满足规范要求。工况4：注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。序号支锚类型材料抗力(kN/m)锚固力(kN/m)1内撑1568.000---2内撑1568.000---Ks=10.019>=1.200,满足规范要求。工况5：注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。序号支锚类型材料抗力(kN/m)锚固力(kN/m)1内撑1568.000---2内撑1568.000---Ks=6.575>=1.200,满足规范要求。----------------------------------------------安全系数最小的工况号：工况3。最小安全Ks=6.160>=1.200,满足规范要求。----------------------------------------------------------------------[抗隆起验算]----------------------------------------------------------------------第27页共28页 Prandtl(普朗德尔)公式(Ks>=1.1～1.2)，注：安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB9258-97(冶金部):第27页共28页 Ks=1.149>=1.1,满足规范要求。Terzaghi(太沙基)公式(Ks>=1.15～1.25)，注：安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB9258-97(冶金部):Ks=1.240>=1.15,满足规范要求。[隆起量的计算]注意：按以下公式计算的隆起量，如果为负值，按0处理!式中δ———基坑底面向上位移(mm);n———从基坑顶面到基坑底面处的土层层数;ri———第i层土的重度(kN/m3)；地下水位以上取土的天然重度(kN/m3)；地下水位以下取土的饱和重度(kN/m3);hi———第i层土的厚度(m);q———基坑顶面的地面超载(kPa);D———桩(墙)的嵌入长度(m);H———基坑的开挖深度(m);第27页共28页 c———桩(墙)底面处土层的粘聚力(kPa);φ———桩(墙)底面处土层的内摩擦角(度);r———桩(墙)顶面到底处各土层的加权平均重度(kN/m3);δ=130(mm)----------------------------------------------------------------------[抗管涌验算]----------------------------------------------------------------------抗管涌稳定安全系数(K>=1.5):第27页共28页 式中γ0———侧壁重要性系数;γ"———土的有效重度(kN/m3);γw———地下水重度(kN/m3);h"———地下水位至基坑底的距离(m);D———桩(墙)入土深度(m);K=2.642>=1.5,满足规范要求。----------------------------------------------------------------------[抗承压水(突涌)验算]----------------------------------------------------------------------式中Pcz———基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的自重压力(kN/m2);Pwy———承压水层的水头压力(kN/m2);Ky———抗承压水头(突涌)稳定性安全系数，规范要求取大于1.050。Ky=34.80/30.00=1.15>=1.05基坑底部土抗承压水头稳定!第27页共28页 ----------------------------------------------------------------------[嵌固深度计算]----------------------------------------------------------------------嵌固深度计算参数：抗渗嵌固系数1.200整体稳定分项系数1.300圆弧滑动简单条分法嵌固系数1.100嵌固深度考虑支撑作用ㄨ嵌固深度计算过程：按《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99圆弧滑动简单条分法计算嵌固深度：圆心(-2.426，10.538)，半径=26.649m，对应的安全系数Ks=1.310≥1.300嵌固深度计算值h0=16.000m嵌固深度设计值hd=αh0=1.100×16.000=17.600m嵌固深度采用值ld=7.900m此嵌固值未考虑内支撑作用，因此根据实际选用17m长钢板桩（取1m宽度验算）进行验算：根据内力包络图，计算图示：计算公式：（即分别由主动力和被动力向钢板桩底O取矩）第27页共28页 其中：K—计算嵌固深度的系数，当K>1时，嵌固深度满足要求；F1—第一道支撑单位长度反力（kN）；F2—第二道支撑单位长度反力（kN）；L1—第一道支撑至钢板桩底O点距离（m）；L2—第二道支撑至钢板桩底O点距离（m）；ep—基底以下单位土体被动土压力（kN）；（，，分别为对应土层加权平均值）Lm—钢板桩锚固长度（m）；ea—钢板桩长度内单位土体主动土压力（kN）；（，，分别为对应土层加权平均值）H—包括垫层的基坑深度（m）；eq—由于基坑边缘超载q（20kpa）引起的土压力（kN）；（，，为对应土层加权平均值）各参数取值及计算结果见下表：F1(kN)F2(kN)ep(kN)ea(kN)eq(kN)KaKp79.55331.13246.12179.93234.000.7091.922H(m)Lm(m)L1(m)L2(m)Lz(m)γa平均(kN/m3)7.17.415.512.81517.5Φca平均(°)γp平均(kN/m3)Φcp平均(°)K9.817.39.22.37求得K=2.37>1，嵌固深度满足要求，即嵌固深度为7.4m，选用长度15m钢板桩。4.5.3、围堰围囹（腰梁）及斜撑验算根据4.5.2节单元计算，取其最大反力作为围囹均布荷载，利用MIDAS2006进行整体建模验算。第27页共28页 4.5.3.1、荷载计算根据第4.5.2节计算知第二层围囹工况5反力最大为331.13kN，因此均布荷载为4.5.3.2、力学模型4.5.3.3、承载力检算a、应力验算。b、内支撑稳定性验算轴力图：第27页共28页 最大轴力内支撑钢管最大自由长度6.43m，按两端铰接计，，查表得（按弱轴检算），合格。c、斜撑焊缝计算焊缝受轴心压力N和平行于焊缝方向的剪力V，大小等于c项中，根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）公式7.1.3-1、2、3并结合第7.1.4条进行取值计算：第27页共28页 采用16mm厚垫板置于工字钢及斜撑之间进行焊接，取值如下：，合格。4.5.4、围囹（腰梁）接长验算第27页共28页 5、附件（1）、附图1-1：承台深基坑钢板桩围堰结构图（2）、附图1-2：承台钢板桩围堰工程数量及参数表第27页共28页'