水中橋梁基礎(chǔ)鋼板樁計算指南

某大橋鋼板樁圍堰計算書

一、基本資料

1、工程概況

某大橋9?12#墩位于水中，13?15#墩位于岸邊。9?12#墩承臺底在枯水位

如下6.7?7.6%13?15#墩承臺底位于枯水期穩(wěn)定水位如下3.8?6.3m,承臺擬

采用鋼板樁圍堰施工。

1.1墩位地質(zhì)狀況

9?15#墩位地質(zhì)重要為卵石層、強風(fēng)化泥巖與砂巖互層層，墩位處地質(zhì)各層

標(biāo)高如下表：

墩臺號

地層

9101112131415

水深321.22.2

卵石層5.28.737.4611.66109.76.9

強風(fēng)泥巖與

8.876.41111.241414.918.1

砂巖互層

1.2水文

枯水期水位高程為853m,設(shè)計水位為855m,水流流速1?2m/s,最大流速

3m/so

2、土體參數(shù)

飽和容重浮容重內(nèi)摩擦力小

巖土名稱黏聚力C(kpa)

(KN/m3)(KN/m3)(0)

卵石2111.19350

強風(fēng)化砂巖2217.13040

強風(fēng)化泥巖222010

3、材料特性

規(guī)格截面面積單重慣性距截面抗彎矩

型號寬高厚單根單根每米寬每米寬每米寬

mmmmmmCm2Kg/mKg/mCm'Cm,

Sp-IV(L)40017015.596.9976.1190386002270

4、計算公式

4.1靜水壓力公式

q=Yh

4.2流水壓力

作用在鋼板樁圍堰的流水壓力，根據(jù)公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范JTGD600-2023()

公式計算：

P二kAVv2/2g

Y一水的容重，10KN/m3

v—設(shè)計流速，取，直3m/s

A一阻水面積n?

G一重力加速度，取值9.81m/s2

K一橋墩形狀系數(shù)，鋼板樁圍堰為矩形K取值1.3

橋墩形狀系數(shù)

橋墩形狀K橋墩形狀K

方形橋城1.5尖端形橋墩0.7

矩形橋敬(長邊與水流平行)1.3圓端形橋墩0.6

圓形橋墩0.8

4.3土壓力

根據(jù)朗金士壓力公式:

積極土壓力:Pa=Kavh-2c(Ka)1/2

1/2

被動土壓力:Pp=Pa=Kpyh+2c(Kp)

/z—計算土壓力日勺點至地面的距離

7外一基坑外側(cè)土的的重度

K.一積極土壓力系數(shù)Ka=laM(45。-詈)，e外為基坑外加權(quán)平均摩擦角

K〃一被動土壓力系數(shù)K,=tan2(45°+^),0內(nèi)為基坑內(nèi)加權(quán)平均摩擦角

c內(nèi)一基坑內(nèi)固塊黏聚力

22

Ka=tan(45°--^)=tan(45°-y)=0.27,Kp=tai?(45。+孕=3.69

4.4圍堰坑底涌砂隆起驗算

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2023)條，支撐式支擋構(gòu)造，其

嵌固深度應(yīng)滿足坑底隆起穩(wěn)定性規(guī)定，抗隆起穩(wěn)定性可按下列公式計算：

Yn2DNQ+cNc/(Ym】(h+D)+q0)2Khe

及二tg2(45+Q/2)en,a"^

Nc=(NQ-l)/tan^>

Khe一抗隆起安全系數(shù)；安全等級按一級考慮，取值1.8

丫嘰一基坑外擋墻構(gòu)件底面以上土的重度

Y成一基坑內(nèi)擋土構(gòu)件底面以上土的重度

D一基坑底面至擋土構(gòu)件底面的土層厚度

H一基坑深度

q一地面以上均布荷載

c一擋土構(gòu)件地面如下土的黏聚力

(P一擋土構(gòu)件地面如下土的內(nèi)摩擦角

二、計算根據(jù)及計算措施

1、計算措施

采用容許應(yīng)力法，鋼板樁設(shè)計為固定支承和自由支承兩種，樁體按照豎向持

續(xù)梁法計算。

2、計算根據(jù)

(1)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2023)

(2)《鋼板樁工程手冊》(歐領(lǐng)特編)人民交通出版社

(3)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2023)

(4)《路橋施工計算手則》

三、計算選用對象

鋼板樁圍堰采用黃底與不封底兩種方案施工承臺，鋼板樁插打至強風(fēng)化砂巖

或泥巖中最小錨固深度。根據(jù)9?15#墩地質(zhì)柱狀圖地質(zhì)狀況、河床標(biāo)高、承臺

標(biāo)高及鋼板樁插入度的不一樣，以最大開挖深度9#墩承臺與卵石層最大厚度12#

墩計算。9#墩承臺鋼板班插打深度滿足坑底隆起規(guī)定控制，12#墩承臺以鋼板班

在吸泥到封底混凝土底工況滿足固端支撐最小錨固深度規(guī)定控制。

9#、12#墩承臺

墩號河床標(biāo)高(m)卵石層底標(biāo)高(m)強風(fēng)化砂巖底標(biāo)高(m)承臺底標(biāo)高(m)

9850845.08836.21845.014

12850.8839.14827.9845.87

四、9#墩計算

1、圍堰坑底隆起臉?biāo)?/p>

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2023)條，支撐式支擋構(gòu)造，其

嵌固深度應(yīng)滿足坑底隆起穩(wěn)定性規(guī)定，抗隆起穩(wěn)定性可按下列公式計算：

YH2DNQ+CNC/(Ymi(h+D)+q0)2Khe

NQ=tg2(45+9/2)entan^

Nc=(NQ-l)/tan^

9#墩鋼板樁插到強風(fēng)化泥巖與砂巖互層頂面如下Im,基坑開挖深度按5m計,

鋼板樁入土深度1.5m。施工水位855m,基坑采用抽干水施工承臺，取水頭差10m,

則qo=10X9.81=981KN/m2。容重取、內(nèi)摩擦角強風(fēng)化砂巖與強風(fēng)化泥巖平均值：

容重22KN//,內(nèi)摩擦角25°,黏聚力取泥巖黏聚力lOKpa,卵石土浮容重

11.19KN/in%

代入以上各項數(shù)據(jù)有：

xtnn25

Nq=tg(45+^/2)松38=tg(45+25/2)*e=10.66

Nc=(NQ-l)tan^=(10.66-l)/tan25°=22.86

V?2DNQ+CNC/(Y(h+D)+q0)=(22X1X10.66+10X22.86)/(ll.19X(5+1)

+98.1)=2.8>1.8

經(jīng)計算鋼板樁滿足坑底隆起穩(wěn)定性規(guī)定。

施工水位標(biāo)高855m-X---------j-

第一道陽麻官版.7

常水位標(biāo)高853nlj------------------1---------------L：-；；---------------T----------------?

0

7

第一.卿島飄I\?2

^^m?1

河床標(biāo)高850m0

0

02

01

曦第三腳麻蝌乙___________3

4---一?….—...........4......匕

卵石土底標(biāo)高845.08秘翎工

V845.014mCM

.?-----------『.，―「?--------------X.?=|-----.3..[-------

鋼板樁底標(biāo)高844mO

三齦化泥巖二、三k三\丁

三與互層媚二p-h-z：Pz-i

?????一?.?

I,-~1

_??]一??一[?一.?卜■■一

OoC>o

圖1鋼板獨圍堰布置圖

3、計算工況

鋼板樁圍堰采用無封底施工，鋼板樁樁底按自由支撐設(shè)計。

工況一：第一層內(nèi)支撐下放完畢，抽水至河床標(biāo)高。

施工水位標(biāo)高855n

O

第謨際高強.7a

常水位標(biāo)高853m水L

o

CM

V7

河床標(biāo)商85加-

〕

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卵石土底標(biāo)高845.08值-(rqdq

煙板樁底標(biāo)高844m78：

-

-

-

-

7

-

-

-

-

-

-

-

-

圖2工況一示意圖

工況二：安裝第二層內(nèi)撐后，開挖至第三層內(nèi)撐如下0.5m。

施工水位標(biāo)高855m

潞罐標(biāo)高853nl水

河床標(biāo)高85恤

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卵石土底標(biāo)高845.08maobecoadd1

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鋼板樁底標(biāo)高844n?

1一

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二7

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二-

?-

二-

圖3工況二示意圖

工況三：第臨時內(nèi)支撐安裝后，開挖至第三層內(nèi)撐如下3.5m處。

4、鋼板樁計算

圍堰構(gòu)造計算分為迎河面、順?biāo)婕昂恿鞣较蛐苯幻鎸淖饔昧Α?/p>

迎水面：

4.1工況一計算

4.1.1流水壓力計算

根據(jù)計算公式5.2流水壓力計算公式得：

P二kAyv72g=1.3X5X1X9.81X372/9.81=29.25KN

4.1.2靜水壓力

河床處鋼板樁外側(cè)靜水壓力：P外二Yh=9.81歐/招X5【產(chǎn)49.05kpa

4.1.3土壓力計算

鋼板樁位于卵石層中，卵石層內(nèi)摩擦角為°=35°,根據(jù)積極和被動土壓力

系數(shù)計算公式得:

卵石層中積極和被動土壓力系數(shù)為:

22

=tan(45°--^)=tan(45°-y)=0.27,Kp=tai?(45。+孕=3.69

強風(fēng)化砂巖與泥若互層中積極和被動土壓力系數(shù)為:

內(nèi)摩擦角、黏聚力取強風(fēng)化砂巖與強風(fēng)化泥巖平均值:

=tan2(45°--^)=tan2(45°-25°/2)=0.406

2

^,=tan2(45°+^)=tan2(450+25°/2)=2.464

卵石層底部鋼板樁積極土壓力：

P-KaYh-2c(Ka)%vh=0.27X11.19X5+10X9.81=113.21kpa

強風(fēng)化砂巖泥巖互層積極與被動土壓力按水土合算。

鋼板樁積極土壓力：

強風(fēng)化層頂面：Pa=KaYh-2c(Ka)1/2=(5mX21+5mX9.81)X0.406-2X10X

VO.406=49.8kpa

鋼板樁底面：Pa=KaYh-2c(Ka)1/2=(5mX21KN/m3+lmX22KN/m3+5mX9.81)

X0.406-2X10kpaX70.406=58.7kpa

鋼板樁被動土壓力：

,/2

卵石土底面:Pp=Kavh+2c(Ka)+v,hw=5X11.19X3.69+2X0X73.69+5

X9.81=255.51kpa

強風(fēng)化層頂面：Pp=KaYh+2c(Ka)1/2=5X21X2.464+2X10XJ

2.464=290.Ikpa

1/2

鋼板樁底:Pp=Pa=Kpvh+2c(Kp)=(5X21+1X22)X2.464+2X10XV

2.464=344.32kpa

該工況中，由于銀板樁入土深度大，對鋼板樁約束大，可以認為樁端固定支

撐，當(dāng)被動土壓力與積極土壓力相等時，設(shè)距離河床下距離為y,

49.05+(113.2-49.05)/5Xy=255.51/5Xy

解得：y=l.28m

4.2工況二

工況二時，安裝第二層內(nèi)撐后，承臺吸泥至第三層內(nèi)撐如下0.5m處。鋼板

樁外側(cè)積極土壓力與工況一相似，本工況僅計算鋼板樁內(nèi)側(cè)被動土壓力。

4.2.1被動土壓力計算

鋼板樁內(nèi)側(cè)被動土壓力采用水土分算法：

卵石層底面：

P=KaYh-2c(Ka),/2+v,h.=3.69X11.19X2.2-2X0X0.27,/2+9.81X

2.2=112.42kpa

強風(fēng)化層頂面：Pp=KaYh+2c(Ka)"2=2.464X21X2.2+2X10XV

2.464=145.23kpa

,/2

鋼板樁底:Pp=Pa=KpYh+2c(Kp)=(2.2X21+1X22)X2.464+2X10XV

圖6鋼板樁圍堰工況二受力圖

4.3工況三

工況三安裝第三層內(nèi)撐后，開挖至承臺底處。工況三鋼板樁外側(cè)積極土壓力

與工況一相似。只計算鋼板狀內(nèi)側(cè)被動土壓力，作出鋼板樁土壓力受力圖。

4.3.1鋼板樁內(nèi)側(cè)被動土壓力

強風(fēng)化層頂面：

Pp=KaYh+2c(Ka),/2+Y=2.464X22X0+2X10XV2.464=31.39kpa

鋼板樁底端：

Pp=Kayh+2c(Ka),/2+Yh=2.464X22X1+2X10XV2.464=85.6kpa

5、迎水面計算各支撐點的反力、鋼板樁彎矩

5.1各工況荷載

⑴工況一

圖8工況一受力圖

(2)工況二

圖9工況二受力圖

(3)工況三

5.2各工況支點反力圖

(2)工況二

圖12工況二反力圖

(3)工況三

CO

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zcdgOCMQO

CQd206d-4.5N

「)工———X__________________________________n.(

in6

coE

6

Oj

b

圖13工況三反力圖

5.3各工況彎矩圖

⑴工況一

圖14工況一彎矩圖

⑵工況二

-3.6

圖15工況二彎矩圖

(3)工況三

5.9

圖16工況三彎矩圖

5.4各工況剪力

(1)工況一

圖17工況一剪力圖

(2)工況二

-118.1

-118.1

圖18工況二剪力圖

(3)工況三

圖19工況三剪力圖

迎水面圍堰側(cè)各工況圍槎下及鋼板樁受力記錄表

鋼板樁最

圍模受力(KN/m)鋼板樁最大

工況大剪力

第一層第二層第三層彎矩(KN.ni)

第四層臨時(KN)

工況一111.9103.6128.8

工況二38277.80195.8256.1

工況三77.9~4.5479.90254.6353.2

5.5鋼板樁應(yīng)力計算

通過以上五種工況計算，鋼板樁最大剪力254.6KN,最大彎矩353.2KN.m,

則鋼板樁的應(yīng)力為：

。=M/W=353.2KN.m/2270Cm3=353.2X1072270X10：1155.6Mpa<［。］:210

Mpa

22

T=254.6KN/(96.99/0.4)Cm=254.6X107242.5X10=10.51Mpa<［。］=120

Mpa

5.6鋼板樁錨固深度驗算

根據(jù)工礦況一反彎點反力為80.9KN,設(shè)工況一彎矩為零點位于反彎點如下

距離為x,根據(jù)反彎點反力與被動土壓力建立彎距平衡方程:

80.9x=(3.69-0.27)Xll.19XxXx/2Xx/3

解得：x=3.56m

錨固長度位于鋼板樁入土深度范圍內(nèi)，工況一假定鋼板樁為固端支撐設(shè)

計合理。

6、順?biāo)嬗嬎?/p>

鋼板樁圍堰所受積極土壓力與被動土壓力未變化，只是順?biāo)鏌o流水

壓力作用，根據(jù)迎水面積極土壓力與被動土壓力作受力計算。

6.1各工況荷載

(1)工況一

Q

6

T

4n

V

L

圖20工況一受力圖

(2)工況二

圖21工況二受力圖

(3)工況三

圖22工況三受力圖

6.2各工況反力圖

⑴工況一

圖23工況一反力圖

(2)工況二

圖24工況二反力圖

(3)工況三

9

Z。

-6一

068T

,SZ

9X

3

8

圖25工況三反力圖

6.3各工況彎矩

(1)工況一

圖25工況一彎矩圖

(2)工況二

圖26工況二彎矩圖

(3)工況三

圖27工況三彎矩圖

6.3各工況剪力圖

(1)工況一

圖28工況一剪力圖

⑵工況二

圖29工況二翦力圖

(3)工況三

>54.6

?7.8,G448；-8.3

-226.1

圖30工況三剪力圖

順?biāo)鎮(zhèn)葒吒鞴r圍榛下及鋼板樁受力記錄表

鋼板班最

圍橡受力(KN/ni)鋼板樁最大

工況大剪力

彎矩(KN.m)

第一層第二層第三層第四層臨時(KN)

工況一84.678.8123.6

工況二12.3274.10195.8256.1

工況三53-9.9480.70254.6353.2

6.4鋼板樁應(yīng)力計算

通過以上五種工況計算，鋼板樁順?biāo)孀畲髲澗?、剪力均不不小于迎水面?/p>

最大彎矩、剪力值，此處不再計算。

7、圍堰與河流斜交計算

圍堰與河流斜交按45度考慮，根據(jù)力日勺分派求出作用在圍堰上日勺流水壓力。

F=P流?sin45°=29.25?sin45°=20.7KN

鋼板樁圍堰受日勺積極土壓力與被動土壓力各工況不變?nèi)丈?，根?jù)前面計算為數(shù)

據(jù)作圍堰日勺受力計算。

7.1各工況荷載

(1)工況一

.Z

O.

CJ

—

0

.

?

nn，AO

-.

圖31工況一受力圖

(2)工況二

困32工況二受力圖

(3)工況二

圖33工況三受力圖

7.2各工況反力圖

⑴工況一

(3)工況三

I.

z

物

I

9，

in

co

CJ

8

b

圖36工況三反力圖

7.3各工況彎矩

(1)工況一

圖37工況一彎矩圖

(2)工況二

圖38工況二彎矩圖

(3)工況三

圖39工況三彎矩圖

7.4各工況剪力圖

(1)工況一

77.6

88.8

-8.3

圖37工況一剪力圖

(2)工況二

195.8

163.9

圖41工況二剪力圖

(3)工況三

圖42工況三剪力圖

流水面斜交各工況圍梯下及鋼板樁受力記錄表

鋼板樁最

圍模受力(KN/m)鋼板樁最大

工況大剪力

彎矩(KN.m)

第一層第二層第三層第四層臨時(KN)

工況一97.188.8106.9

工況二30.5276.70195.8254.3

工況三70.6-6.1480.20254.6353.2

7.5鋼板樁應(yīng)力計算

通過以上五種工況計算，鋼板樁順?biāo)孀畲髲澗?、剪力均不不小于迎水面日?/p>

最大彎矩、剪力值，此處不再計算。

8、圍楝計算

8.1第一層圍楝受力計算

(1)順橋向一側(cè)受為迎水面作用。

圖43最大荷載布置圖

-7

圖44軸力圖

228.7

o

o

-228.7

圖45剪力圖

-193.6

o

o

-193.6

圖46彎矩理

圖47位移圖

(2)流水方向與圍堰斜交，圍堰順橋側(cè)與橫疥側(cè)各有一面受流水壓力作用。

圖48最大荷載布置圖

圖49軸力圖

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x

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2

d二

k

y2

圖50剪力圖

圖51彎矩圖

圖52位移圖

第一層圍楝材料及受力最大值如下表:

截面抗

截面面積長度軸力最大彎矩最大剪位移

桿件名稱規(guī)格彎矩

(cm2)(m)(KN)(KN.m)力(KN)(mm)

(cm3)

短斜桿(1)630X10194.7784.37566

長斜桿由630X10194.77811.32752.5

橫橋橫撐4)630X10194.7784.220

順橋橫撐*630X10194.77820.48484.13.9

圍模2156b293.1648931208.5391.4285.110.4

1

6630X10鋼管截面慣性矩：1=93615.534cm,慣性矩i=V(I/A)=21.923cm0

短斜桿柔度：X=ul/i=lX437/21.923=19.93

長斜桿柔度：X=ul/i=lX1132/21.923=51.64

橫橋橫撐柔度：x=Ul/i=lX2048/21.923=93.42

查材料日勺折減系數(shù)，計算短桿、長桿、橫橋橫撐折減系數(shù)夕分別為：0.981、

0.911、0.687,分別驗算各桿件穩(wěn)定性:

短斜桿容許軸力：

P=9A［。］=0.981X194.778X102X140=2675.1KN>566KN滿足穩(wěn)定性規(guī)定。

長斜桿容許軸力：

P=3A［。］=0.911X194.778X1()2x140=2484.2KN>752.5KN滿足穩(wěn)定性規(guī)

定。

順橋橫撐容許軸力：

P二°A［。］=0.687X194.778X1()2義140=1873.4KN>484.1KN滿足穩(wěn)定性規(guī)

定。

圍楝2163b工資鋼驗算:

彎曲應(yīng)力：。=M/I+P/A=391.4X107(4893X103)+1208.5X107(293.16

X102)=121.2Mpa<1.25［。］=145X1.25=181.25Mpa(臨時性構(gòu)造時鋼材容許應(yīng)

力提高系數(shù)可取1.25咯)滿足規(guī)范規(guī)定。

滿足規(guī)范規(guī)定。

工字鋼剪應(yīng)力：T=Q/hd=285.4X107(2X560X14.5)=17.6Mpa<［T卜85Mpa

滿足規(guī)定。

8.2第二層圍楝

(1)順橋向一側(cè)受為迎水面作用。

圖53最大荷載布置圖

MRAS/QS

；EAMDIAGRAM

6

6

M