18m鋼板樁圍堰設(shè)計計算書1工程概況與設(shè)計條件1.1工程概況1.1.1項目背景與圍堰用途應(yīng)用場景：橋梁承臺基坑支護(hù)，針對F24#承臺（埋置深度相近）采用18m長拉森-400×125型鋼板樁圍堰，設(shè)置多層圍檁及支撐體系，適用于水中及軟土地層基坑開挖承臺參數(shù)：承臺平面含矩形與啞鈴型，統(tǒng)一按矩形承臺最不利工況計算；承臺頂標(biāo)高+0.5m，底標(biāo)高-2.3m，厚度2.8m，底部澆筑0.5m厚C25混凝土墊層1.1.2關(guān)鍵標(biāo)高與結(jié)構(gòu)尺寸部位標(biāo)高（m）規(guī)格參數(shù)備注鋼板樁頂+4.5拉森-400×125×13mm（Q295）總長度18m，入土深度17.41m鋼板樁底-13.5單根截面積191.0cm2單位重量150kg/m泥面標(biāo)高-2.91-原始地層表面標(biāo)高最高水位+4.11十年一遇洪水水位高于承臺頂標(biāo)高3.61m基坑底（墊層底）-2.8m墊層尺寸同承臺底面積比承臺底標(biāo)高低0.5m圍檁分層布置HW400×400（Q345）沿鋼板樁內(nèi)側(cè)滿布，焊接固定內(nèi)支撐對應(yīng)圍檁Φ426×6鋼管（Q235）橫向貫通布置，間距按受力優(yōu)化斜撐基坑四角雙拼HW400×400（Q345）螺栓連接，增強(qiáng)角部穩(wěn)定性1.2設(shè)計概況1.2.1結(jié)構(gòu)體系組成結(jié)構(gòu)層次構(gòu)件規(guī)格材料類型功能支護(hù)主體拉森-400×125×13mmQ295鋼阻擋土體與地下水，承受水平側(cè)壓力圍檁HW400×400Q345鋼傳遞鋼板樁側(cè)壓力至支撐，分散荷載內(nèi)支撐Φ426×6鋼管Q235鋼主要抗側(cè)力構(gòu)件，平衡水平荷載斜撐雙拼HW400×400Q345鋼抵抗對角荷載，提升整體穩(wěn)定性墊層C25混凝土素混凝土基坑底承載層，兼作支撐反力基礎(chǔ)1.2.2施工工藝流程測量放線→插打鋼板樁并閉合→分層開挖至第一層圍檁標(biāo)高安裝第一層圍檁及內(nèi)支撐→降水至第二層圍檁標(biāo)高安裝第二層圍檁及內(nèi)支撐→開挖至基坑底（-2.8m）澆筑C25混凝土墊層→承臺施工→分層拆除支撐與鋼板樁2計算依據(jù)與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)2.1主要設(shè)計規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2012《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTGD60-2015《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010（2015年版）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-20112.2計算方法與工具計算方法：極限狀態(tài)法，土壓力按朗金理論（水土分算），結(jié)構(gòu)受力采用MidasCivil有限元軟件建模分析土彈簧模擬：采用多折線性彈性支承邊界，按不同標(biāo)高設(shè)定變形反力參數(shù)（表2-1）荷載分項系數(shù)：承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，荷載分項系數(shù)取1.25（依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》）表2-1土彈簧參數(shù)表標(biāo)高（m）10mm變形反力（kN）20mm變形反力（kN）50mm變形反力（kN）-3000-3.58.7510.510.5-417.52121-4.526.2531.531.5-5354242-5.5至-13.5按43.75kN至183.75kN線性遞增按52.5kN至220.5kN線性遞增按52.5kN至220.5kN線性遞增3核心計算參數(shù)3.1材料力學(xué)性能3.1.1鋼板樁（Q295）規(guī)格型號截面參數(shù)力學(xué)性能許用應(yīng)力拉森-400×125×13寬度400mm，高度125mm，腹板厚13mm屈服強(qiáng)度295MPa，抗拉強(qiáng)度410~530MPa[σ]=295/1.25=236MPa截面積191.0cm2，單位重量150kg/m彈性模量206×103MPa，泊松比0.3-慣性矩16800cm?，截面模量1340cm3--3.1.2支撐與圍檁鋼材構(gòu)件類型規(guī)格型號截面參數(shù)力學(xué)性能許用應(yīng)力圍檁/斜撐HW400×400截面積218.7cm2，慣性矩66600cm?Q345鋼，屈服強(qiáng)度305MPa[σ]=305/1.25=244MPa，[f_v]=140MPa截面模量3330cm3，回轉(zhuǎn)半徑10.2cm抗剪強(qiáng)度175MPa-內(nèi)支撐Φ426×6鋼管截面積79.2cm2，慣性矩17460cm?Q235鋼，屈服強(qiáng)度215MPa[σ]=215/1.25=172MPa，[f_v]=100MPa截面模量819.8cm3，回轉(zhuǎn)半徑14.8cm抗剪強(qiáng)度125MPa-3.2土體參數(shù)（依據(jù)地勘報告ZKHF06）表3-1土體性能參數(shù)表層號土類名稱層厚（m）飽和重度γ_sat（kN/m3）黏聚力c（kPa）內(nèi)摩擦角φ（°）主動土壓力系數(shù)K_a被動土壓力系數(shù)K_p承載力允許值（kPa）1淤泥②13.315.85150.59（tan2(45°-15°/2)）1.70（tan2(45°+15°/2)）40------√K_a=0.77√K_p=1.30-4荷載分析與組合4.1荷載類型與計算4.1.1土壓力計算（朗金理論，水土分算）主動土壓力強(qiáng)度：p_{ak}=\sum_{i=1}^nγ_ih_iK_{a,i}-2c_i\sqrt{K_{a,i}}-γ_wh_{wa}式中：γ_i為第i層土重度（地下水位以下取浮重度γ'=15.8-10=5.8kN/m3）；h_i為土層厚度；h_wa為計算點(diǎn)至地下水位距離示例（基坑底-2.8m處）：p_{ak}=15.8×(4.5-(-2.91))×0.59-2×5×0.77-10×(4.11-(-2.8))=15.8×7.41×0.59-7.7-69.1=70.3-7.7-69.1=-6.5kPa（負(fù)壓力取0）被動土壓力強(qiáng)度：p_{pk}=\sum_{i=1}^nγ_ih_iK_{p,i}+2c_i\sqrt{K_{p,i}}-γ_wh_{wp}示例（鋼板樁底-13.5m處）：p_{pk}=15.8×3.3×1.7+5.8×(13.5-(-2.91)-3.3)×1.7+2×5×1.3-10×(13.5-4.11)=87.7+5.8×12.71×1.7+13-93.1=87.7+122.9+13-93.1=129.5kPa4.1.2水壓力計算靜水壓力強(qiáng)度：p_w=γ_wh_w（γ_w=10kN/m3，h_w為計算點(diǎn)至最高水位+4.11m距離）基坑底-2.8m處水壓力：p_w=10×(4.11-(-2.8))=69.1kPa鋼板樁底-13.5m處水壓力：p_w=10×(4.11-(-13.5))=176.1kPa4.1.3其他荷載施工荷載：2.5kN/m2（人員+設(shè)備），折算為線荷載q_{施工}=2.5×1.0=2.5kN/m（取1m寬鋼板樁計算）墊層反力：C25混凝土墊層承載力按200kPa考慮，作為工況二支撐反力來源4.2荷載組合驗算工況組合原則適用構(gòu)件荷載分項系數(shù)工況一（墊層澆筑前）1.25×（主動土壓力+水壓力）+1.25×施工荷載鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐永久荷載1.25，可變荷載1.25（承載能力極限狀態(tài)）工況二（拆除第二層支撐）1.25×（主動土壓力+水壓力）+1.25×承臺自重鋼板樁、圍檁、墊層永久荷載1.25，可變荷載1.25穩(wěn)定性驗算1.0×（主動土壓力+水壓力）+1.0×施工荷載鋼板樁入土深度、抗隆起、地基承載力標(biāo)準(zhǔn)組合，不計分項系數(shù)5支護(hù)結(jié)構(gòu)受力驗算5.1鋼板樁驗算（Midas建模，取1m寬計算）5.1.1工況一：墊層澆筑前（最不利）計算模型：多層支撐約束，土彈簧按表2-1參數(shù)模擬，荷載含主動土壓力+水壓力+施工荷載內(nèi)力與變形結(jié)果：最大彎矩M_{max}=139.2kN·m（第二層圍檁下方1.2m處）最大變形w_{max}=18.7mm（兩層圍檁之間）圍檁反力：第一層圍檁F_1=9.1kN，第二層圍檁F_2=249.5kN強(qiáng)度驗算：\sigma=M_{max}/W=139.2×10^6/1340×10^3=103.9MPa≤236MPa（滿足要求）5.1.2工況二：拆除第二層支撐后計算模型：僅保留第一層圍檁，墊層提供底部反力，荷載含主動土壓力+水壓力+承臺自重內(nèi)力與變形結(jié)果：最大彎矩M_{max}=113.5kN·m（墊層上方0.8m處）最大變形w_{max}=8.5mm（鋼板樁中部）圍檁反力F_1=59.6kN，墊層反力F_墊=265.6kN強(qiáng)度驗算：\sigma=113.5×10^6/1340×10^3=84.7MPa≤236MPa（滿足要求）5.2圍檁與支撐驗算5.2.1圍檁驗算（HW400×400，Q345）荷載條件：工況一最大水平荷載q=249.5kN/m（鋼板樁傳遞）內(nèi)力計算：最大彎矩M_{max}=qL2/8（L為內(nèi)支撐間距，取4.0m），M_{max}=249.5×42/8=499kN·m最大剪力V_{max}=qL/2=249.5×4/2=499kN強(qiáng)度驗算：彎曲應(yīng)力\sigma_M=M_{max}/W=499×10^6/3330×10^3=150.0MPa≤244MPa剪應(yīng)力\tau=V_{max}/A=499×10^3/218.7×10^2=22.8MPa≤140MPa組合應(yīng)力\sigma_{com}=150.0+22.8=172.8MPa≤244MPa（滿足要求）5.2.2內(nèi)支撐驗算（Φ426×6鋼管，Q235）荷載條件：工況一最大軸力N=249.5×4=998kN（支撐間距4.0m）穩(wěn)定性驗算：計算長度l_0=1.0×L（兩端鉸接，L為支撐跨度，取10.52m）長細(xì)比\lambda=l_0/i=10520/14.8=71.1≤[λ]=120（b類截面，查規(guī)范得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.744）穩(wěn)定應(yīng)力\sigma=N/(\phiA)=998×10^3/(0.744×79.2×10^2)=998000/58924.8≈16.9MPa≤172MPa（滿足要求）強(qiáng)度驗算：軸壓應(yīng)力\sigma=N/A=998×10^3/(79.2×10^2)≈126.0MPa≤172MPa（滿足要求）剛度驗算：最大撓度f=5NL^3/(384EI)，其中E=206×10^3MPa，I=17460×10^4mm^4f=5×998×10^3×(10520)^3/(384×206×10^3×17460×10^4)≈2.5mm≤L/400=26.3mm（滿足要求）5.2.3斜撐驗算（雙拼HW400×400，Q345）荷載條件：工況一最大軸力N=249.5×\sqrt{2}=352.8kN（角部水平荷載分解，斜撐與水平方向夾角45°）穩(wěn)定性驗算：計算長度l_0=1.0×L（L為斜撐跨度，取7.45m）回轉(zhuǎn)半徑i=\sqrt{I/(2A)}=\sqrt{66600×10^4/(2×218.7×10^2)}≈123.8mm（雙拼截面，I為單根慣性矩）長細(xì)比\lambda=l_0/i=7450/123.8≈60.2≤[λ]=120（b類截面，φ=0.802）穩(wěn)定應(yīng)力\sigma=352.8×10^3/(0.802×2×218.7×10^2)=352800/350954.8≈1.0MPa≤244MPa（滿足要求）強(qiáng)度驗算：軸壓應(yīng)力\sigma=352.8×10^3/(2×218.7×10^2)≈7.9MPa≤244MPa（滿足要求）5.3墊層驗算（C25混凝土，厚度0.5m）5.3.1荷載計算工況二墊層承擔(dān)總反力F=265.6kN（鋼板樁傳遞），承臺自重G=25×18×10×2.8=12600kN（假設(shè)承臺尺寸18×10m）總荷載F_{總}=1.25×(265.6+12600)=1.25×12865.6=16082kN5.3.2承載力驗算墊層底面積A=18×10=180m2墊層頂面壓應(yīng)力\sigma=F_{總}/A=16082×10^3/(180×10^6)=89.3kPa≤200kPa（墊層設(shè)計承載力，滿足要求）墊層混凝土強(qiáng)度驗算：\sigma=89.3kPa≤0.85f_c=0.85×14.3=12.16MPa（滿足要求）6基坑穩(wěn)定性驗算6.1鋼板樁入土深度驗算（等值梁法，工況一）6.1.1計算原理等值梁反彎點(diǎn)處彎矩為0，主動土壓力合力與被動土壓力合力平衡，反彎點(diǎn)深度y按朗金理論求解主動土壓力合力E_a=\int_0^Hp_{ak}dh，被動土壓力合力E_p=\int_0^yp_{pk}dh6.1.2計算過程基坑開挖深度H=4.5-(-2.8)=7.3m主動土壓力合力E_a=0.5×(0+69.1)×7.3+2.5×7.3=255.3+18.3=273.6kN/m（含施工荷載）被動土壓力合力E_p=0.5×129.5×y，由E_a=E_p得y=2×273.6/129.5≈4.2m最小入土深度L_{min}=y×1.2=5.04m（安全系數(shù)1.2）實(shí)際入土深度17.41m≥5.04m（滿足要求）6.2基坑抗隆起穩(wěn)定性驗算（Prandtl公式，工況一）6.2.1計算模型滑動面為基坑底以下對數(shù)螺旋面，考慮鋼板樁嵌入深度對滑動面的約束抗隆起安全系數(shù)K_s=\frac{γDN_q+cN_c}{γ(H+D)}，其中N_q、N_c為承載力系數(shù)（φ=15°時，N_q=4.45，N_c=12.7）6.2.2計算過程基坑開挖深度H=7.3m，鋼板樁嵌入深度D=17.41m，土體浮重度γ=5.8kN/m3，黏聚力c=5kPa抗隆起力γDN_q+cN_c=5.8×17.41×4.45+5×12.7=447.6+63.5=511.1kPa隆起力γ(H+D)=5.8×(7.3+17.41)=5.8×24.71=143.3kPa安全系數(shù)K_s=511.1/143.3≈3.6≥[K_s]=1.7（滿足要求）6.3基坑抗?jié)B穩(wěn)定性驗算（流網(wǎng)法，工況一）6.3.1計算參數(shù)鋼板樁嵌入透水層深度D=17.41m，水頭差Δh=4.11-(-2.8)=6.91m土體滲透系數(shù)k=1×10^{-6}m/s（淤泥質(zhì)土經(jīng)驗值）6.3.2滲流量計算單寬滲流量q=kΔh×\frac{n_f}{n_d}，其中流網(wǎng)流槽數(shù)n_f=4，等勢線數(shù)n_d=10q=1×10^{-6}×6.91×\frac{4}{10}≈2.76×10^{-6}m2/s（滲流量極小，滿足要求）管涌驗算：臨界水力梯度i_c=γ'/γ_w=(15.8-10)/10=0.58