钢板桩设计计算.doc

I40钢板桩设计计算及施工方案

本标段施工范围内共有75个承台，分8种类型：
A类承台:下部采用8根φ1.0 m钻孔灌注桩，承台尺寸为8.4×7m（横×顺）, 厚2m。主要适用于32+32m跨径组合；
B类承台: 下部采用10根φ1.25m 钻孔灌注桩，承台尺寸为8.4×8.2m（横×顺）, 厚2.6m。主要适用于24+32m跨径组合；
C类承台: 下部采用15根φ1.5 m钻孔灌注桩，承台尺寸为8.4×7m（横×顺）, 厚2.4m。主要适用于80m跨径组合；
D类承台: 下部采用8根φ1.2 m钻孔灌注桩，承台尺寸为8.4×8.2m（横×顺）, 厚2.6m。主要适用于30+40m跨径组合；
E类承台: 下部采用6根φ1.2 m钻孔灌注桩，承台尺寸为8.4×5.34m（横×顺）, 厚2.5m。主要适用于25+30m跨径组合（斜交20°）；
F类承台: 下部采用9根φ1.2 m钻孔灌注桩，承台尺寸为8.4×8.34m（横×顺）, 厚2.6m。主要适用于33.5+33.5m跨径组合（斜交20°）；
G类承台: 下部采用9根φ1.2 m钻孔灌注桩，承台尺寸为8.4×8.872m（横×顺）, 厚3.0m。主要适用于40+40m跨径组合（斜交40°）；
H类承台: 下部采用10根φ1.0m钻孔灌注桩，承台尺寸为27.0×4.5m（横×顺）, 厚1.5m。主要适用于桥台基础；拟采用I型钢板桩实施围护，以确保基坑安全开挖、承台结构和墩身结构的顺利施工。
二、地质情况
根据地质勘察报告显示：勘察深度范围内（河床底至钻孔桩底）可分为7个地质单元层，钢板桩深度主要在：⑴层为近代人工堆填土，⑵黄～灰黄色粘土和灰黄～灰色砂质粉土,(3)灰色粉质粘土
三、钢板桩施工方案
1、钢板桩的选用
根据工程所在地场地特点，结合钢板桩的特性、施工方法等方面进行考虑，选用I型钢板桩。I型WUR13型冷弯钢板桩桩宽度适中，抗弯性能好，依地质资料及作业条件决定选用钢板桩长度。
2、打桩设备
拟采用Z550型液压振动沉桩机，作为沉设钢板桩的主要动力。投入钢板桩打拔桩机1台用于施工。打拔桩机为挖掘机加液压高频振动锤改装而成，激振力220kN。
四、钢板桩设计方案
现对承台钢板桩围堰设计进行计算如下：
1、上海A8三标桩基658根，承台75个。承台宽8.4m，长5.34～8.872m（0#台除外，0# 台长×宽为4.5×27m。根据地质勘察报告显示：勘察深度范围内（河床底至钻孔桩底）可分为7个地质单元层。
为保证设计安全，取土的重度选为：18.8KN/m3，内摩擦角选为Φ=20.1°。
2、现场实际情况
   施工现场已经打设12米长I型钢板桩，并提供以下数据：打设钢板桩尺寸为沿道路方向承台尺寸两侧各加0.5m；钢板桩露出地面高度为0.5米(现场实际情况可能要糟糕一些，非人为因素影响)。
3单支撑钢板桩计算
    支撑层数和间距的布置是钢板桩施工中的重要问题，根据现场的支撑材料和开挖深度，我们采取在钢板桩内侧加一层围囹并设置支撑，按单支撑进行钢板桩计算。围堰采用I型钢板桩，W=1346cm3，[f]=350Mpa。
4、土的重度为：18.8KN/ m3，内摩擦角Ф=20.1°
5、距板桩外1.5m均布荷载按20KN/ m2计。基坑开挖深度不大于4m.
钢板桩平面布置、板桩类型选择，支撑布置形式，板桩入土深度、基底稳定性设计计算如下：
(1)作用于板桩上的土压力强度及压力分布图
ka=tgа（45°-φ/2）= tgа（45°-20.1/2）=0.49
Kp= tgа（45°+Ф/2）= tgа（45°+20.1/2）=2.05
板桩外侧均布荷载换算填土高度h1，
h1=q/r=20KN/ m2÷18.8KN/ m3
=1.06m
基坑底以上土压力强度Pa1：
Pa1=r*(h1+4)Ka=18.8×(1.06+4) ×0.49
=46.6KN/m2
合力Ea距承台底的距离y为2.53m.
(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I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:
h= =
=313cm
=3.13m
h1=1.11h=1.11×3.13=3.47m
h2=0.88 h =0.88×3.13=2.75m
根据具体情况，确定采用【桥涵（施工手册）】图5-44的形式布置。
支撑间距:S1=0.475×4+0.16×（0.34×4+0.12）=2.13m
S2=0.525×4-0.16×（0.34×4+0.12）=1.87m
（3）WUR13型冷弯钢板桩厚度以0.36m计，围囹以10m长计，
围囹受力计算如下:
围囹采用2 I40a工字钢，翼板间每隔1m采用钢板满焊连接，形成半封闭箱型结构。钢材屈服强度值fy=235N/mm2，钢材抗压强度设计值f=215N/mm2。2I40a工字钢惯性矩/静力矩（Ix /Sx）=68.2cm，截面模数=2180cm3。
a. 支承力：
18.8×0.49×2.13×（2.13+1.87）/2=78.49kN/m
P2=78.49×10/7=112.13kN
b.弯距
Mmax=112.13×2.252/8=49.67kN·m
σmax=49.67×106/（2180×103）
=17.68N/mm2＜fy=235N/mm2，满足要求。
c.剪力
τ=RSx/(Ix×t)
=R/( t×Ix/Sx)
=94.18×103/(5×10-3×68.2×10-2)
=32.88MPa＜[τ]=120MPa，满足要求。
（4）横桥向支撑杆，采用φ300×10的钢管，支撑在顺桥向支撑上，型钢与钢管之间满焊连接。
钢管外径D=300mm，管壁厚度d=10.0mm，钢材屈服强度值fy=235N/mm2，钢材抗压强度设计值f=215N/mm2。
①钢管截面积
A=1/4π(D2-d2)=π/4×(302-282)=91.06cm2
②钢管的回转半径
截面惯性矩I=π×(D4-d4)/64=π×( 304-284)/64=9584.1cm4
截面回转半径i=(I/A)1/2=(9584.1/91.06)1/2=105.25cm
③钢管的长细比
λ=l/i=2150/105.25=20.4<[λ]=150,满足要求。
④钢管的稳定性
σ=P/A=262600/9106=28.8N/mm2＜fy=215N/mm2,满足要求。
（6）钢板桩入土深度X：
采用盾恩近似法计算钢板桩入土深度。
如右图所示，Kn=r(Kp-Ka)=18.8×(2.05-0.49)=29.328 KN/m3
e1=MQ=rKaH=18.8×0.49×5.06=46.613 KN/m2
DB＇板桩上的荷载GDB＇N＇一半传至D点，另一半传至土压力MR＇B＇，故有rKaH（L+x）/2=r(Kp-Ka)x2/2
即r(Kp-Ka)x2- rKaHx- rKaHL=0
由上面计算知，支撑距基坑底的1.87m，即L=1.87m，代入上式，得，x=2.69m
钢板桩入土深度9-4.5m=4.4m>2.69m，满足要求。
(7) 基坑底部的隆起验算
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=18.8 KN/m3，c=21.1Kpa，q=20 KN/m2
由抗隆起安全系数K=2πC/（q+rh）≥1.2
则：
h ≤(2πC -1.2q)/1.2r
≤(2*3.14*21.1-1.2*20)/1.2*18.8
≤ 4.8m
即钢板桩周围土体不超过4.8m时，地基土稳定，不会发生隆起。实际施工中，尽量减小坑沿活载，同时适当降低板桩侧土体高度(坑外堆土最大允许高度3m)，以避免基坑底部的隆起。
（8）基坑底管涌验算(按水中墩验算)
根据不发生管涌条件：
K=（h＇+2t）r＇/ h＇rw≥1.5
r＇=rs-rw=18.8-10.0=8.8 KN/m3, t=4.5m h＇=4.0m rw=10.0 KN/m3
则K=(4+2×4.5) ×8.8/4×10
=2.86＞1.5
即当钢板桩入土深度4.5m时， 满足条件，不会发生管涌。
（9）坑底渗水量计算：
Q=K×A×ι= K×A× h＇/( h＇+2t)
根据设计地质资料，土的综合渗透系数取0.08m/d
则Q=(0.08×9.4×10×4)/(4+2×4.5)
=2.31m3
根据其渗水量的大小，为到达较好的降水效果利于承台施工，在承台外侧与钢板桩之间可设置2个降水井。
（10）围囹和支撑杆布置方式
钢板桩打入土体后，进行围堰内基坑开挖。当开挖至距钢板桩顶端2.63m处，进行围囹和支撑施工。围囹采用2I40a工字钢，支撑杆采用三道等间距横桥向直撑，支撑杆采用φ300mm×10mm的钢管。工字钢之间采用□500 mm×500mm×10mm钢板每隔1米进行两面满焊连接，工字钢间隙按照0.08米设置。各道支撑与围囹之间进行满焊连接，并保证焊接质量。若支撑杆未贴靠在与围囹上，需作加垫钢板处理，使围囹上的力传到支撑上，以起到支撑的作用。支撑与围囹的材料、制作、焊接必须严格按要求施工。立模板时需要将模板割开以便穿过支撑杆，随后将支撑杆一起浇筑在混凝土中。
五、钢板桩施工工艺
1、钢板桩施工的一般要求
⑴钢板桩的设置位置要符合设计要求，便于施工，即在基础最突出的边缘外留有支模、拆模的余地。
⑵基坑护壁钢板桩的平面布置形状应尽量平直整齐，避免不规则的转角，以便标准钢板桩的利用和支撑设置。各周边尺寸尽量符合板桩模数。
⑶整个基础施工期间，在挖土、吊运、扎钢筋、浇筑混凝土等施工作业中，严禁碰撞支撑，禁止任意拆除支撑，禁止在支撑上任意切割、电焊，也不应在支撑上搁置重物。
2、钢板桩施工的顺序 
施工流程: 根据施工图及高程，放设沉桩定位线→实施表层回填矿渣土剥离→根据定位线控设沉桩导向槽→整修加固施工机械行走道路及施工平台→沉设钢板桩→将钢板桩送至指定标高→焊接围囹支撑→挖土→施工承台、墩身及顶帽→填土→拔除钢板桩。
3、钢板桩的检验、吊装、堆放
⑴钢板桩的检验
钢板桩运到工地后，需进行整理。清除锁口内杂物(如电焊瘤渣、废填充物等)，对缺陷部位加以整修。
①锁口检查的方法：用一块长约2m的同类型、同规格的钢板桩作标准，将所有同型号的钢板桩做锁口通过检查。检查采用卷扬机拉动标准钢板桩平车，从桩头至桩尾作锁口通过检查。对于检查出的锁口扭曲及“死弯”进行校正。
②为确保每片钢板桩的两侧锁口平行。同时，尽可能使钢板桩的宽度都在同一宽度规格内。需要进行宽度检查，方法是：对于每片钢板桩分为上中下三部分用钢尺测量其宽度，使每片桩的宽度在同一尺寸内，每片相邻数差值以小于1 为宜。对于肉眼看到的局部变形可进行加密测量。对于超出偏差的钢板桩应尽量不用。
③钢板桩的其它检查，对于桩身残缺、残迹、不整洁、锈皮、卷曲等都要做全面检查，并采取相应措施，以确保正常使用。
④锁口润滑及防渗措施，对于检查合格的钢板桩，为保证钢板桩在施工过程中能顺利插拔，并增加钢板桩在使用时防渗性能。每片钢板桩锁口都须均匀涂以混合油，其体积配合比为黄油：干膨润土：干锯沫＝5：5：3。
⑵钢板桩吊运
装卸钢板桩宜采用两点吊。吊运时，每次起吊的钢板桩根数不宜过多，并应注意保护锁口免受损伤。吊运方式有成捆起吊和单根起吊。成捆起吊通常采用钢索捆扎，而单根吊运常用专用的吊具。
⑶钢板桩堆放
钢板桩堆放的地点，要选择在不会因压重而发生较大沉陷变形的平坦而坚固的场地上，并便于运往打桩施工现场。
堆放时应注意：
a. 堆放的顺序、位置、方向和平面布置等应考虑到以后的施工方便；
b. 钢板桩要按型号、规格、长度分别堆放，并在堆放处设置标牌说明；
c. 钢板桩应分层堆放，每层堆放数量一般不超过5根，各层间要垫枕木，垫木间距一般为3-4m，且上、下层垫木应在同一垂直线上，堆放的总高度不宜超过2m。
4、定位
在钢板桩施工中，为保证沉桩轴线位置的正确和桩的竖直，控制桩的打入精度，防止板桩的屈曲变形和提高桩的贯入能力，一般都需要设置一定刚度的、坚固的导向架，亦称“施工围檩”。导向架采用单层双面形式，通常由导梁和围檩桩等组成，围檩桩的间距一般为2．5～3．5m，双面围檩之间的间距不宜过大，一般略比板桩墙厚度大8～15mm。
安装导向架时应注意以下几点：
a.采用经纬仪和水平仪控制和调整导梁的位置。
b.导梁的高度要适宜，要有利于控制钢板桩的施工高度和提高施工工效。
c.导梁不能随着钢板桩的打设而产生下沉和变形。
d.导梁的位置应尽量垂直，并不能与钢板桩碰撞。
5、钢板桩施工
（1）制作角桩和支撑组件，首先在岸上按设计要求加工、焊接角桩和支撑组件。
（2）钢板桩的插打采用内导向框架法，即内支撑作内导向柜架逐片插打钢板桩直到合拢。施打钢板桩时，以内支撑作导向框，顺着导向框用45KW振动锤施打钢板桩（钢板桩在岸上予以整形符合要求）。
（3）开挖及支护
a.首先用水泵排净围堰内的水，然后用挖掘机对基坑进行开挖，挖掘机施工够不到部位可以考虑用挖掘机进行基坑的开挖。施工到钢板桩顶以下2.63m位置处，进行围囹和支撑施工，然后继续开挖。围堰开挖时应分层分区连续施工，并对称开挖。
b.围囹及支撑制做安装：根据设计位置在钢板桩内壁上焊围囹托架，然后吊装工字钢围囹并焊接加固。钢管支撑与围囹之间的连接要进行满焊，并保证焊接质量。
c.开挖基坑内设置排水措施，基坑开挖时要做好排水，以便于开挖。机械支撑部位要铺垫钢板以扩散压力，保证施工平台受力均匀。
d. 基坑周边（约一倍桩长）范围内严禁堆载。
e. 开挖过程中注意支护体系的变形观察。
f. 基坑内作业时，要有专职安全员负责。
在基坑开挖过程中需要注意的问题：
首先是钢板桩未贴靠在围囹上的部分，需作加垫处理，使钢板桩的压力传到围囹及支撑上，支撑的材料、制作、焊接必须严格按要求施工。
其次是开挖和支撑的架设施工过程必须紧密配合，开挖过程要保证安全的前提下，迅速为支撑施工创造工作面，支撑结构必须能较快地产生整体刚度或预紧力，两者配合就能较好地利用软土施工中的时空效应，有效地控制围护体系在受力后的变形。施工中切不可超挖，及时做到施加支撑。开挖施工要求分层均匀高效，以使支护结构处于正常的受力状态。
开挖至设计标高，进行封底混凝土施工，封底混凝土采用C20混凝土。封底混凝土要在围堰范围内满铺以兼作围堰的支撑，为钢板桩的支撑提供安全保障；为便于拨除钢板桩和钢管支撑，可以在封底混凝土与钢板桩、钢管支撑之间铺设一层油毛毡，以减少混凝土与钢板桩间、钢管支撑的摩阻力。
（5）凿除桩头至设计位置，进行根据要求进行桩基检测，检测合格后方可进行下道工序。
（6）拔桩。
承台及墩身施工完毕后进行钢板桩的拔除。
钢板桩拔桩前，先将围堰内的支撑拆除。先略锤击振动各拔高1～2m，然后挨次将所有钢板桩均拔高1～2m，使其松动后，再从两侧依次拔除，对桩尖打卷及锁口变形的桩，可加大拔桩设备的能力。
拔桩时应注意事项：
a.振打与振拔：拔桩时，可先用振动锤将板桩锁口振活以减小土的粘附，然后边振边拔。对较难拔除的板桩可先用振动锤将桩振下100－300mm，再与振动锤交替振打、振拔。
b.对引拔阻力较大的钢板桩，采用间歇振动的方法，每次振动15min，振动锤连续不超过1.5h。
六、安全措施
1、为提高基坑围护的安全可靠性，对钢板桩的入土深度已经进行了理论数据的计算，也对钢板桩的围护强度及稳定性进行验证，确保了基坑施工的可靠性。
2、沉设钢板桩的施工中，严格按照沉桩规范施工，基坑四角必需采用角桩，最大程度的提高小齿口钢板桩的防漏性能，保证下道工序顺利进行。
3、围囹与支撑之间的连接要进行满焊，保证焊接质量。
4、吊装过程中要严格遵守操作规范，严禁违章作业。
5、施工过程中,钢板桩渗漏处要及时进行止漏处理保证施工时的安全。
6、严格按照基坑施工规范实施每道工艺的施工，开挖坑土堆放至10m～15m（1倍桩长）以外，坑土堆放要平整最大程度的减小堆土对钢板桩的侧压力，增强围护的安全系数，即时对坑内积水进行抽排。在对基层实施挖土时，挖土机械严格按照规范操作，最大程度的减小挖土机械单位受力面积，杜绝冲击荷载，对钢板桩的破坏，确保基坑安全。
7、作好基坑围护工作，设置护栏及醒目标志，设置防坠落警示牌。
8、雷雨、风力六级以上(含六级)天气不得进行作业。
9、建立严格的工序交接程序，制定科学、严谨、可行的施工计划，最大程度的调动施工群体的主观能动性，拟定合理的奖罚条律，坚持以人为本，安全第一的原则，加强协作意识，高度重视施工质量，如期完成施工任务。