鎖口樁圍堰計(jì)算書(shū)

--第一章計(jì)算依據(jù)及說(shuō)明1.1計(jì)算依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003《軟土地區(qū)工程地質(zhì)勘察規(guī)范》JGJ83-91《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD63-2007《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》TB10002.1-99鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司提供的《新天津至秦皇島鐵路客運(yùn)專線跨薊運(yùn)河橋施工圖》鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司提供的《巖土工程勘察報(bào)告》參考文獻(xiàn)：劉建航侯學(xué)淵《基坑工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中國(guó)建筑工業(yè)出版社李克釧，羅書(shū)學(xué).基礎(chǔ)工程.北京：中國(guó)鐵道出版社1.2計(jì)算說(shuō)明：新建天津至秦皇島鐵路客運(yùn)專線跨薊運(yùn)河橋84?！?7＃墩承臺(tái)施工采用鎖口樁圍堰。85#、86#墩圍堰單根管樁長(zhǎng)24m，84#、87#墩圍堰單根管設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)可采用22m。考慮85#～87#墩圍堰管樁相互倒用，84#、87#墩圍堰單根管設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)亦按24m設(shè)計(jì)。鎖口樁采用陰、陽(yáng)管樁兩種方式。圍堰施工采用排水開(kāi)挖方式。圍堰計(jì)算過(guò)程中，取單位寬度的管樁進(jìn)行計(jì)算，管樁受力采用經(jīng)典力學(xué)模式與有限元相結(jié)合的計(jì)算方式，進(jìn)行計(jì)算。第二章計(jì)算參數(shù)2.1圍堰平面布置2.1.186#墩圍堰平面布置86#墩承臺(tái)分上下兩層，每層厚3m。下層承臺(tái)平面尺寸為18.6m×14.6m,上層承臺(tái)平面尺寸為13.6m×9.6m。86#墩承臺(tái)施工采用了4根角樁，40根陰管樁及44根陽(yáng)管樁。圍堰施工過(guò)程中采用了5層支撐，具體布置如下圖所示：圖2-186#墩圍堰布置圖（單位：標(biāo)高m，其余：mm）2.1.284#、85#、87墩圍堰平面布置84#、85#、87墩承臺(tái)分上下兩層。下層承臺(tái)厚3m，上層承臺(tái)厚2m，下層承臺(tái)平面尺寸為14.6m×14.6m,上層承臺(tái)平面尺寸為11m×8.5m。84#、85#、87墩承臺(tái)施工采用了4根角樁，36根陰管樁及40根陽(yáng)管樁。84#、85#、87墩圍堰施工過(guò)程中均采用了5層支撐，其中85#墩圍堰受力較大，只給出85#墩圍堰受力分析過(guò)程。85#墩圍堰具體布置如下圖所示：圖2-285#墩圍堰布置圖（單位：標(biāo)高m，其余：mm）2.2管樁、圈梁及內(nèi)支撐截面參數(shù)陰管樁：φ630鋼管+2φ219開(kāi)口鋼管，陽(yáng)管樁：φ630鋼管+2工20b槽鋼。具體如下圖所示：陰管樁：A=29923mm2，I=995262664mm4，W=3159564mm3 x x陽(yáng)管樁：A=27388mm2，I=939534271mm4，W=2982648mm3 x x角管樁：A=29923mm2，I=1786132371mm4，W=3882935mm3 x x84#～87#墩圍堰圈梁均為2工45b+2δ=10mm蓋板，86#墩圍堰1、5層支撐采用2[32b扣焊，2～4層采用2[36b扣焊。其余墩圍堰1～5層內(nèi)支撐考慮相互倒用，均采用2[36b扣焊。內(nèi)支撐及圈梁均為普通型鋼，此不再給出詳細(xì)截面特性。2.3計(jì)算荷載參數(shù)2.3.1土參數(shù)土的參數(shù)按有關(guān)資料為：85#、86#墩圍堰初測(cè)河床面為-7.5m，河床面以下2m為流塑狀淤泥，河床面不穩(wěn)定。圍堰設(shè)計(jì)中,偏安全考慮穩(wěn)定河床面按-9.5m設(shè)計(jì)。84#、87#墩圍堰初測(cè)河床面均為-7.05m，河床面以下2～4m為流塑狀淤泥，河床面不穩(wěn)定。圍堰設(shè)計(jì)中,偏安全考慮穩(wěn)定河床面按-10.0m設(shè)計(jì)。其余管樁作用范圍內(nèi)土層均為粉土和粉質(zhì)粘土。流塑狀淤泥特性：土的天然重度γ＝19.8KN/m3,摩擦角φ=5.8°，粘聚力C＝7.5KPa?？紫侗萫=1.20，含水率=45%。飽和土浮容重γsat＝9.8KN/m3粉土和粉質(zhì)粘土特性：土的天然重度γ＝20.2KN/m3,摩擦角φ=18.6°，粘聚力C＝20KPa。2.3.2水流參數(shù)設(shè)計(jì)施工水位+1.25m,設(shè)防水位+2.5m；河流流速按1m/s。第三章主要計(jì)算過(guò)程及結(jié)果3.1計(jì)算假定及說(shuō)明圍堰管樁所受的力包括靜水壓力、動(dòng)水壓力、和土壓力、管樁、圈梁及內(nèi)支撐自重、臨時(shí)施工活載（按照3.5KN/m設(shè)計(jì)），土壓力按朗肯土壓力理論計(jì)算。其中頂層土為流動(dòng)性淤泥土，孔隙比大，含水率高，此層土壓力采用水、土分算模式。由于86#墩受力最大，故僅以此墩圍堰為例進(jìn)行圍堰管樁受力工況分析。3.2荷載計(jì)算（土壓力、水壓力）3.2.1土壓力計(jì)算管樁入土深度計(jì)算中，土壓力按朗肯理論計(jì)算。管樁所受沿高度方向上的面荷載按如下公式計(jì)算（單位：Kpa）。主動(dòng)土壓力=γ×h×tan2（45°-/2）-2ctan（45°-/2）被動(dòng)土壓力=γ×h×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）流動(dòng)性淤泥土壓力主動(dòng)土壓力系數(shù)：ka＝tan2（45°-/2）＝0.8164tan（45°-/2）＝0.9036被動(dòng)土壓力系數(shù)：kp＝tan2（45°+/2）＝1.2248tan（45°+/2）＝1.10672ctan（45°-/2）＝13.55KPa，2ctan（45°+/2）＝16.60Kpa粘土（粉質(zhì)粘土）土壓力主動(dòng)土壓力系數(shù)：ka＝tan2（45°-/2）＝0.5163tan（45°-/2）＝0.7186被動(dòng)土壓力系數(shù)：kp＝tan2（45°+/2）＝1.9367tan（45°+/2）＝1.39162ctan（45°-/2）＝20.65KPa，2ctan（45°+/2）＝55.66Kpa3.2.2、水壓力計(jì)算1、靜水壓力：管樁所受沿高度方向上的靜水壓力按如下公式計(jì)算（單位：Kpa）。q＝γh水 w2、流水壓力：管樁所受沿高度方向上的流水壓力按如下公式計(jì)算（單位：Kpa）。q＝K×（γv2）/2g＝2×（10×12）/（2×9.8）=1.02KN/m2 流 w3.386#墩圍堰主要計(jì)算過(guò)程及結(jié)果3.3.1工況一工況一為管樁插打完成后，圍堰內(nèi)先抽水至+0.35m。此時(shí)還未安裝內(nèi)支撐及圈梁（管樁為懸臂狀態(tài)）。取單位寬度的管樁進(jìn)行計(jì)算。首先求出管樁入土以下剪力為0的點(diǎn)，此點(diǎn)彎矩為最大值。管樁受力如下圖所示：1、圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算：標(biāo)高-9.5處水壓力：q=10×（1.25+9.5）=107.5KN/m2。水標(biāo)高-7.5處流水壓力：q流＝K×（γwv2）/2g＝2×（10×12）/（2×9.8）=1.02KN/m2標(biāo)高-7.5處主動(dòng)土壓力：（土層一頂，淤泥）q=γ×h×tan2（45°-/2）-2ctan（45°-/2）主=0-13.55=-13.55（Kpa）標(biāo)高-9.5處主動(dòng)土壓力：（土層一底，淤泥）q=γ×h×tan2（45°-/2）-2ctan（45°-/2）主=9.8×2×0.8164-13.55=2.45（Kpa）標(biāo)高-9.5處主動(dòng)土壓力：（土層二頂，粉質(zhì)粘土及粘土）q=（Q +γ×h）×tan2（45°-/2）-2ctan（45°-/2）主 層頂荷載=（107.5+2×9.8）×0.5163–20.65=44.97（Kpa）標(biāo)高-9.5m以下H處主動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q=20.2H×0.5163+44.97=11.34H+44.97主2、圍堰內(nèi)側(cè)管樁荷載計(jì)算：標(biāo)高-9.5處水壓力：q=10×（0.35+9.5）=98.5KN/m2。水標(biāo)高-7.5處被動(dòng)土壓力：（土層一頂，淤泥）q=γ×h×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）被=0+16.6=16.6（Kpa）標(biāo)高-9.5處被動(dòng)土壓力：（土層一底，淤泥）q=γ×h×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）被=9.8×2×1.2248+16.6=39.5（Kpa）標(biāo)高-9.5處被動(dòng)土壓力：（土層二頂，粉質(zhì)粘土及粘土）q=（Q +γ×h）×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）被 層頂荷載=（98.5+2×9.8+0）×1.9367+55.66=284.4（Kpa）標(biāo)高-9.5m以下H處被動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q=20.2H×1.9367+284.4=39.12H+284.4（Kpa）被3、管樁所受最大彎矩值計(jì)算：求彎矩最大值所在位置距離二層土頂面的距離H。此處為剪力為0點(diǎn)，又上圖及計(jì)算結(jié)果知，頂層淤泥主動(dòng)土壓力較小，可忽略不計(jì)。單位寬度管樁外側(cè)土壓力合力：=1/2（107.5×10.75+1.02×10.75）+44.97H+0.5×11.34H×H=583.3+44.97H+5.67H2單位寬度管樁內(nèi)側(cè)土壓力合力：=1/2（98.5×9.85）+1/2（16.6+39.5）×2+284.4H+0.5×39.12H×H=541.2+568.8H+39.12H2∴583.3+44.97H+5.67H2=541.2+568.8H+39.12H2∴33.45H2+523.83H-42.1=0∴H≈0.1m由此，二層土頂以下0.1m處彎矩最大。由上計(jì)算可知，此處單位寬度管樁彎矩最大值=473.8KN*m，∴單根樁最大彎矩=0.87×473.8=412.2KN*m?！喙軜蹲畲髴?yīng)力=412.2×106/2982648=138.2Mpa滿足規(guī)范要求。3.3.2工況二工況二為第一層內(nèi)支撐及圈梁安裝完成后，圍堰內(nèi)抽水至-3.15m。此時(shí)還未安裝第二層內(nèi)支撐及圈梁。取單位寬度的管樁進(jìn)行計(jì)算。管樁受力如下圖所示：1、圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算（同工況一圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算：）2、圍堰內(nèi)側(cè)管樁荷載計(jì)算：標(biāo)高-9.5處水壓力：q=10×（9.5-3.15）=63.5KN/m2。水標(biāo)高-7.5處被動(dòng)土壓力：（土層一頂，淤泥）q=γ×h×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）被=0+16.6=16.6（Kpa）標(biāo)高-9.5處被動(dòng)土壓力：（土層一底，淤泥）q=γ×h×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）被=9.8×2×1.2248+16.6=39.5（Kpa）標(biāo)高-9.5處被動(dòng)土壓力：（土層二頂，粉質(zhì)粘土及粘土）q=（Q +γ×h）×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）被 層頂荷載=（63.5+2×9.8+0）×1.9367+55.66=216.60（Kpa）標(biāo)高-9.5m以下H處被動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q=20.2H×1.9367+216.6=39.12H+216.6（Kpa）被3、管樁所受最大彎矩值計(jì)算：管樁受力采用等值梁法進(jìn)行計(jì)算，取每延米管樁列進(jìn)行計(jì)算，圈梁支撐出施加水平約束，管樁在土面下彎矩為0點(diǎn)施加水平約束進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)有限元軟件建梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算知：每延米管樁列最大彎矩=550.5KN*m，最大應(yīng)力σmax＝156.0MPa＜【σ】滿足要求，并且有一定的安全儲(chǔ)備。3.3.3工況三工況三為第二層內(nèi)支撐及圈梁安裝完成后，圍堰內(nèi)抽水至-7.10m。此時(shí)還未安裝第三層內(nèi)支撐及圈梁。取單位寬度的管樁進(jìn)行計(jì)算。管樁受力如下圖所示：圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算（同工況一圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算）圍堰內(nèi)側(cè)管樁荷載計(jì)算：標(biāo)高-9.5處水壓力：q=10×（9.5-7.10）=24KN/m2。水標(biāo)高-7.5處被動(dòng)土壓力：（土層一頂，淤泥）q=γ×h×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）被=0+16.6=16.6（Kpa）標(biāo)高-9.5處被動(dòng)土壓力：（土層一底，淤泥）q=γ×h×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）被=9.8×2×1.2248+16.6=39.5（Kpa）標(biāo)高-9.5處被動(dòng)土壓力：（土層二頂，粉質(zhì)粘土及粘土）q=（Q +γ×h）×tan2（45°+/2）+2ctan（45°+/2）被 層頂荷載=（24+2×9.8+0）×1.9367+55.66=140.10（Kpa）標(biāo)高-9.5m以下H處被動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q=20.2H×1.9367+140.1=39.12H+140.1（Kpa）被3、管樁所受最大彎矩值計(jì)算：管樁受力采用等值梁法進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)有限元軟件建梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算知：每延米管樁列最大彎矩=330.5KN*m，最大應(yīng)力σmax＝93.6MPa＜【σ】滿足要求，并且有一定的安全儲(chǔ)備。3.3.4工況四工況四為第三層內(nèi)支撐及圈梁安裝完成后，圍堰內(nèi)抽水、挖淤、開(kāi)挖至-10.45m。此時(shí)還未安裝第四層內(nèi)支撐及圈梁。管樁受力如下圖所示：1、圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算（同工況一圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算：）圍堰內(nèi)側(cè)管樁荷載計(jì)算：標(biāo)高-10.45處被動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q被=55.66（Kpa）標(biāo)高-10.45m以下H處被動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q被=39.12H+55.66（Kpa）管樁所受最大彎矩值計(jì)算：管樁受力采用等值梁法進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)有限元軟件建梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算知：每延米管樁列最大彎矩=134.9KN*m，最大應(yīng)力σmax＝38.2MPa＜【σ】滿足要求，并且有一定的安全儲(chǔ)備。3.3.5工況五工況五為第四層內(nèi)支撐及圈梁安裝完成后，圍堰內(nèi)開(kāi)挖至-13.15m。此時(shí)還未安裝第五層內(nèi)支撐及圈梁。取單位寬度的管樁進(jìn)行計(jì)算。管樁受力如下圖所示：1、圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算（同工況一圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算：）圍堰內(nèi)側(cè)管樁荷載計(jì)算：標(biāo)高-13.15處被動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q被=55.66（Kpa）標(biāo)高-13.15m以下H處被動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q被=39.12H+55.66（Kpa）管樁所受最大彎矩值計(jì)算：管樁受力采用等值梁法進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)有限元軟件建梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算知：每延米管樁列最大彎矩=133.7KN*m，最大應(yīng)力σmax＝37.9MPa＜【σ】滿足要求，并且有一定的安全儲(chǔ)備。3.3.6工況六工況六為第五層內(nèi)支撐及圈梁安裝完成后，圍堰內(nèi)開(kāi)挖至-14.426m。留出澆灌封底混凝土的空間。取單位寬度的管樁進(jìn)行計(jì)算。管樁受力如下圖所示：1、圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算（同工況一圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算：）圍堰內(nèi)側(cè)管樁荷載計(jì)算：標(biāo)高-14.426處被動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q被=55.66（Kpa）標(biāo)高-14.426m以下H處被動(dòng)土壓力：（土層二，粉質(zhì)粘土及粘土）q被=39.12H+55.66（Kpa）管樁所受最大彎矩值計(jì)算：管樁受力采用等值梁法進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)有限元軟件建梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算知：每延米管樁列最大彎矩=95.9KN*m，最大應(yīng)力σmax＝27.2MPa＜【σ】滿足要求，并且有一定的安全儲(chǔ)備。3.3.7工況七工況七為澆注完封底混凝土，并等待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第五層內(nèi)支撐。取單位寬度的管樁進(jìn)行計(jì)算。管樁受力如下圖所示：1、圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算（同工況一圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算：）2、管樁所受最大彎矩值計(jì)算：管樁受力采用等值梁法進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)有限元軟件建梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算知：每延米管樁列最大彎矩=89.5KN*m，最大應(yīng)力σmax＝25.4MPa＜【σ】滿足要求，并且有一定的安全儲(chǔ)備。3.3.8工況八工況八為拆除第五層內(nèi)支撐后，澆注承臺(tái)下層，待承臺(tái)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在承臺(tái)側(cè)給圍堰設(shè)置臨時(shí)支撐，然后拆除第四道內(nèi)支撐。取單位寬度的管樁進(jìn)行計(jì)算。管樁受力如下圖所示： 圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算（略：同工況一圍堰外側(cè)管樁荷載計(jì)算：）管樁所受最大彎矩值計(jì)算：管樁受力采用等值梁法進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)有限元軟件建梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算知：每延米管樁列最大彎矩=114.4KN*m，最大應(yīng)力σmax＝32.4MPa＜【σ】滿足要求，并且有一定的安全儲(chǔ)備。第四章最不利內(nèi)支撐及圈梁應(yīng)力檢算4.1最不利內(nèi)支撐及圈梁的確定綜合八種工況，得出第三種工況的第二層內(nèi)支撐單位長(zhǎng)度內(nèi)力最大，約為350KN/m。