公路大桥主塔承台单侧钢板桩施工方案计算书.docx

1、 石首长江大桥SS-2标103#主塔承台单侧钢板桩施工方案计算书石首长江大桥SS-2标103#主塔承台单侧钢板桩施工方案计算书一、 编制依据： 石首长江公路大桥施工图设计； 石首长江公路大桥SS-2标施工组织设计； 石首长江公路大桥SS-2标103#承台主墩施工方案； 石首长江公路大桥工程地质勘察报告； 建筑深基坑工程施工安全技术规范(JGJ311-2013)； 建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）； 本地区气候特征、水文地质条件及相关资料； 现场及对周围环境调查所获得的资料； PLAXIS岩土工程软件使用指南； Midas GTS操作指南； 理正深基坑计算软件操作说明。二、 概况：

2、1、总体情况：石首长江公路大桥主桥为双塔单侧混合梁斜拉桥，主桥桥跨布置为 (75+75+75)m+820m+(300+100)m;混凝土主梁和钢主梁均采用分离式双边箱的 PK梁断面；索塔采用收腿的倒Y型造型，主桥立面及平面布置图如2.1和2.2 所示：103#主墩采用58根直径2.5 m钻孔灌注桩基础，圆端矩形承台，承台分两级布置，承台底、顶高程分别为23.025m和32.525m，一级承台平面尺寸67.5m35.75m，厚度为7m，二级承台厚2.5m，底面平面尺寸为51m23m，顶面为46m18m，103#墩基础布置见图2.3所示：2、地形地质：21地形主桥位于长江河床，勘察期间水面宽约11

3、00m，靠北岸约有320m宽的深水区，为长江主航道，呈“V”形，最低标高约6m，两侧标高约22m，最大坡度达30%，北岸护坡上为混凝土块的软体排，并抛填有大量块石；中南部河床为浅水区，地形较平缓，江底标高一般22.526.7m，总体向北岸倾斜，坡度约0.58%。2.2地层岩性据区域地质资料、工程地质调绘及勘探成果，桥址区地层结构较为简单，主要为第四系全新统冲积层（Q4al)黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂及第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl)粉细砂、黏土、粉质黏土、卵砾石。表2.1工程地质层特征一览表时代 成因层号岩土层埋藏条件(m)岩性描述与分布顶板埋深顶板标高地层厚度Q/最小值最大值（平均

4、值）Q3al+pl2030.0735.20（33.14）0.509.00 （2.70）粉质黏土：灰黄色，软塑，土质不均，稍有光泽，韧性、干强度中等。表层含植物根系。该层主要分布于长江南岸漫滩。0.704.25 （3.01）30.7932.82 （31.73）1.804.50 （2.83）粉土：灰黄、灰色，湿，稍密，夹粉质黏土薄层，无光泽，摇振反应中等，干强度及韧性低。该层主要分布于长江北岸。0.009.20 （2.81）22.4433.89 （28.06）0.707.20 （4.33）粉细砂：灰黄色，饱和，松散，级配良好，成分以石英、长石为主，见云母，局部夹薄层（淤泥质）粉质黏土。 该层桥位区

5、均有分布。11.408.00 （4.28）25.2628.74 （27.33）1.003.60 （1.86）淤泥质黏土：灰黄色，流塑，含腐殖质，局部夹粉砂薄层，有光泽，韧性、干强度高。该层主要分布于长江南岸漫 滩桩号 K65+635K65+755、K65+861.9K66+066.9段。1.9014.00 （7.25）18.3028.89 （23.63）3.5012.80 （7.19）粉细砂：灰灰黄色，饱和，稍密，级配良好，含云母片，成分为石英、长石。该层桥位区均有分布。10.2019.60 （14.43）5.9523.02 （16.44）8.7022.30 （15.73）粉细砂：灰黄色，饱和

6、，中密，级配良好，含云母片，成分为石英、长石。局部夹薄层粉质黏土。该层桥位区均有分布。123.1025.00 （24.20）-2.560.53 （-1.01）0.603.10 （1.47）黏土：灰色，硬塑，局部夹含细砂薄层，切面有光泽，干强度及韧性高。该层呈透镜体状分布于层中。2.3岩土层特征与评价103#主墩位于长江北岸岸坡边，坡边地面较平坦，地面标高为35.3m，该位 置上部7.5m左右地层为黏土、粉土，其下以灰黄、青灰色粉细砂为主，粉细砂 中间夹有黏土层，厚度均小于4.0m。地层情况见图2.4:图2.4 103#墩工程地质横断面图层号地层名称密度或状态承载力基本容许值钻孔桩桩端土承载力容

7、许值钻孔桩桩 侧土摩阻力标准值沉桩桩端土承载力标准值沉桩桩侧土摩阻力标准值土石工程等级fa0qrqikqrkqik(kPa)(kPa)(kPa)(kPa)(kPa)1黏土可塑1404045I2粉质黏土软塑1003540I粉土稍密1253540I粉细砂松散1003035I1淤泥质粉质黏土流塑802025I粉细砂稍密1354550I粉细砂中密1755055I粉细砂密实2306065I1粉质黏土可塑1805560I粉细砂密实240105065600070I1粉质黏土可塑20060160065II2圆砾密实45021001307000140II3卵石密实60027501808000200II1黏土可硬

8、塑250150070250075II2卵石密实80027502008000220II粉细砂密实250105065650070I黏土硬塑26015007075II粉细砂密实26011007075I1黏土硬塑3007580II黏土硬塑33075粉细砂密实30075勘察报告提交的承台围堰地质参数取值：层号含水量天然重度直剪快剪固结快剪渗透系数休止角内聚力内摩 擦角内聚 力内摩 擦角垂直水平水上水下WCqqCcqcqK20VK20hmc%kN/m3kPakPacm/s()128.219.0299.83413.53.45 10-7232.918.7195.52213.02.57 10-728.718.9

9、1227.31128.97.47 10-62.06 10-521.517.5731.41132.02.2610-3(1.510-2)3729142.518.1122.11511.223.819.4730.6531.62.2610-3(1.510-2)3729注：表中抗剪强度批标采用标准值，其它指标采用平均值。括号内为地方经验推荐值。3、水文资料：3.1地表水桥位区地表水主要为长江水体，水流流向自西向东，历年汛期最大水砂流量 46300m3/s，非汛期最小水砂流量2650m3/s。近年来最大洪水位标高达36m以上， 枯水期水位25m以下，水位变化幅度达11m以上。历年汛期江面最宽达2.2km，

10、最窄约lkm。汛期两岸漫滩被淹，对施工有较大影响。桥位处设计洪水频率和设计水位关系表频率0.33%1%5%10%设计洪峰流量（m3/s)49800453004530045300设计洪水位（m)38.0537.7837.7837.78桥位处2004年至2013年逐月高低水位表年份水位1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月2004最高25.0124.82 26.36 27.73 30.3932.64 33.86 32.98 36.16 31.42 28.61 28.15 最低23.97 23.92 24.50 25.31 27.10 30.04 31.60 31.21 30.88

11、28.61 27.39 25.40 2005最高25.9925.91 26.09 28.02 31.80 32.98 34.65 35.29 35.35 32.54 29.63 26.85 最低25.15 24.70 25.34 25.83 27.07 30.93 31.41 32.25 30. 7729.50 26.85 24.73 2006最高25.50 26.08 27.74 28.06 30.78 30.87 32.75 30.39 30.06 28.35 28.24 26.51 最低24.6724.26 25.70 25.61 26.32 28.14 30.39 27.05 27.0

12、9 26.35 25.37 24.25 2007最高24.4724.79 25.28 27.76 28.65 34.03 36.03 35.99 33.82 30.66 28.34 25.46 最低24.16 24.25 24.77 24.83 26.23 28.19 31.33 31.49 30. 6628.02 25.46 24.57 2008最高24.99 24.83 26.33 29.64 29.59 31.66 33.35 34.41 34.12 31.63 32.34 27.89 最低24.50 24.52 24.55 26.30 27.89 29.05 30.44 31.80 3

13、1.55 26.09 27.49 24.95 2009最高25.30 26.52 26.51 29.80 30.70 31.13 33.40 34.40 32. 8028.84 27.30 25.26 最低25.02 24.98 25.41 25.34 29.03 29.34 31.12 32.43 28. 8226.44 25.10 24.70 2010最高24.8625.04 25.11 27.15 30.55 33.31 36.08 35.15 33. 5230.09 28.47 25.58 最低24.68 24.62 24.61 24.73 26.49 29.97 32.93 31.9

14、6 30. 0927.11 25.58 24.72 2011最高26.26 25.91 26.45 26.57 28.03 32.74 32.32 32.02 30.38 28.47 29.65 26.06 最低25.24 24.96 25.02 25.36 25.44 27.93 30.35 28.64 27.65 26.19 25.93 24.63 2012最高25.28 25.24 25.65 26.85 32.35 32.63 36.42 36.33 32. 4830.84 28.48 26.10 最低24.73 24.84 24.89 24.90 26.8529.97 31.47 3

15、1.12 30. 0027.37 25.47 24.91 2013最高26.10 25.17 25.67 26.95 31.40 32.59 33.56 32.85 30. 7630.30 26.37 25.12 最低24.90 24.89 24.83 25.48 25.94 29.30 30.60 29.66 28. 7325.70 24.66 24.43 桥位处逐月平均水位和最高水位汇总表月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均水位（m)25.5325.1725.6026.9729.2531.0033.5032.7932.3730.6128.4526.54最高水位（m

16、)26.1026.0827.7429.8032.3533.3136.4236.3336.1632.5432.3428.15石首大桥逐月最高水位和平均水位图3.2地下水：桥位区第四系松散层厚度大，岩性以粉细砂为主，间夹有黏性土及卵砾石层， 其中粉细砂及卵砾石层结构松散，孔隙较发育，成为孔隙水运动和储存的场所， 未见有明显的隔水层。根据场地地下水赋存条件、水力特征，地下水主要为松散 岩类孔隙潜水，赋水性和透水性良好，潜水位埋深变化较大。受季节及气候影响， 主要接受大气降水和长江水体的侧向入渗补给，以蒸发和侧向径流为主要排泄方 式。北岸地下水位埋深一般为5.205.90m，标高27.4528.74m

17、，地下水水位随江水位而变化。桥位区附近未见有污染地下、地表水体的污染源。4、施工计划安排：103#主墩承台施工计划2016年2月1日开工，2016年5月29日结束，施工时间为119天，各工序安排时间如下横道图所示：施工内容2J3J4,5J51015202529510152025315101520253051015202531平台坼眸2场地开挖3柄板桩施工4围堰开挖5围堰支护6墓底窘理及封底7封底混凝土养生油8割护筒、凿桩头9一级承 台一层柄筋施工10模板施工11一级承台二层柄筋施工12模板施工13二级承台柄筋施工14模扳施工图5.10工期安排5、总体思路：石首长江大桥103#主塔承台采用钢板桩

18、围堰进行支护开挖；钢板桩材料有两个主要功能，一是提供开挖的支撑；二是作为开挖的一道止水帷幕；一般情况下，钢板桩的两个功能都需要利用；特殊情况下利用钢板桩的一项功能；鉴于本项目桩基完工时间在枯水期，承台施工时具备明挖条件，故钢板桩围堰设计可以考虑只作为止水帷幕，钢板桩本身不设支撑，由土体自然放坡来保障。考虑到103#承台开挖后主要地层为粉细砂，江侧水位处于一个上升阶段，为确保基坑明挖，需要进行渗流计算，岸坡自然稳定计算，钢板桩内力计算，封底厚度计算。三、 施工方案：由施工单位自行编制。四、 计算书：4.1渗流计算按照长江历年水位情况以及实际施工进度计划，预计基坑开始施工时（1月）的长江水位为24

19、m，施工结束时（5月）的长江水位为30m。渗流计算采用有限元法，先通过稳态分析得到初始渗流场，再通过瞬态分析计算在水位上升过程中的瞬时渗流场。边坡计算边坡计算采用施工阶段模拟方式，先计算开挖前地基初始重力应力场，再计算开挖后的土体应力场，同时采用强度折减法计算整个基坑及其周边范围内的边坡稳定性系数。计算模型模型尺寸及网格划分Figure 1 模型尺寸及网格划分依照实际地形建立二维模型，土层单位采用二维平面应变单元， 钢板桩按照等效刚度法将其转换为矩形梁单元，梁宽0.4m，梁高0.11m。模型如图所示，水平方向宽264m，垂直方向模型底标高-54m。模型上部网格尺寸0.3m，下部网格尺寸1m。参

20、数取值按照地勘报告中给定的各物理力学参数建议值，模型的参数取值如下：指标粉土粉细砂Q295（钢板桩）模型类型各向同性修正摩尔-库伦各向同性修正摩尔-库伦各项同性弹性加载弹性模量Mpa7.2214.21206000卸载弹性模量Mpa21.6642.63泊松比0.30.30.3参考压强98.198.1静止土压力系数0.5410.488容重KN/m318.5419.6276.98饱和容重KN/m318.8519.93初始孔隙比0.8430.627渗透系数10-9m/s74.710000粘聚力127内摩擦角27.330.8说明：1. 为了更好的模拟基坑开挖过程，土体本构模型选择修正摩尔库伦准则。2.

21、地勘报告中仅给出压缩模量取值，依据分析手册内的参数建议取值，修正摩尔库伦准则中加载弹性模量取值与压缩模量相同，卸载弹性木梁取压缩弹性模量的三倍。3. 饱和容重按照地勘报告中给出的参数按照以下公式计算：sat=s+ew1+e4. 粉土层渗透系数取地勘报告中的建议取值，粉细砂渗透系数地勘报告中未给定，此处参考经验取值（基坑工程手册P239）。边界条件渗流边界初始稳态渗流分析采用定水头边界条件：在河床面设置总水头边界条件，总水头高24m；水位上涨过程中的瞬态渗流分析边界条件依照实际情况分别设置定水头边界条件及定流量边界条件：在河床面设置定水头边界条件，总水头按照水位上涨情况设置水位函数Figure

22、2 水位上涨函数在基坑底部封底范围设置定流量边界条件，流量为0。Figure 3 封底范围设置定流量边界条件在基坑内两侧边坡上设置渗流面边界条件（通过反复试算来确定土体内水流的渗出面）。Figure 4 基坑两侧设置渗流面边界条件应力边界应力计算边界条件通过软件自动设定：在模型边界的垂直面固定水平方向位移，底面固定水平方向及垂直方向位移。计算荷载计算荷载仅考虑自重作用及水压力作用。渗流计算初始稳态渗流分析Figure 5 初始状态总水头Figure 6 初始状态压力水头（孔隙水压力）水位上升过程中瞬态渗流分析Figure 7 水位标高30m（150day）时总水头Figure 8 水位标高30

23、m（150day）时压力水头（孔隙水压力）Figure 9 水位标高30m（150day）时流径图渗流量计算Figure 10 水位标高30m（150day）时外渗量Figure 11 远河道侧坡面渗流量细部Figure 12 远河岸侧坡面渗流量（每延米）Figure 13 近河岸侧坡面渗流量细部Figure 14 近河岸侧坡面渗流量（每延米）如图所示，远河岸侧坡面每延米渗流量1.416m3/day，近河岸侧每延米渗流量为1.828m3/day，基坑长95m，即远河岸侧基坑内坡面渗水量为134.52m3/day，近河岸侧基坑内坡面渗水量为173.66m3/day。基坑四周设置排水沟，断面拟设置

24、为宽*高=400*500mm，设计过水面高度300mm，沟底纵坡0.5%，排水沟表面采用混凝土抹面。计算排水沟流量：过水断面面积=0.4*0.3=0.12m2排水沟水力半径查表R=0.12m粗糙系数查表n=0.013流速系数查表C=55.8则明沟流速v=CRi=2.20m/s明沟流量Q=v=0.264m3/s=22809m3/d可以满足排出坡面渗水的需要。4.2封底底水压力计算Figure 15封底底面水压力变化曲线如图所示，封底混凝土底面承受最大水压力为21.1kpa。设计封底混凝土厚度1m，则即封底底面自重荷载24kpa，不考虑封底混凝土与桩的粘结力，将其作为安全储备，抗渗安全系数：Kf=

25、24/21.1=1.131.14.3边坡稳定性计算第一阶段：原地面重力场分析为了消除基坑开挖计算过程中重力场对位移沉降的影响，先进行原地面重力场分项，并将计算结果中位移及应变清零。第二阶段：基坑开挖应力计算Figure 16 土体内部最大剪应力位移计算Figure 17 开挖后水平位移Figure 18 开挖后垂直位移边坡稳定性计算Figure 19 最大塑性应变区（最不利滑动面）如图所示，整个基坑及其周边范围内，存在三个临空斜坡，最不利滑动面位于基坑外的河道坡，最小安全系数FOS=1.725。4.4钢板桩内力计算Figure 20 钢板桩应力Figure 21 钢板桩弯矩如图所示，由于钢板桩

26、两侧均有土压力作用，且两侧土体高度基本一致，故钢板桩内力较小。钢板桩最大应力4.00Mpa，最大弯矩0.698KN*m。4.5结论：渗水量基坑内部在水位上升至30m时，最大总渗水量208.18m3/day，基坑内四周设置排水沟，排水沟截面0.4m*0.5m，排水沟采用混凝土抹面，沟底设0.5%纵坡。边坡稳定性基坑及其周边范围内不利滑动面位置位于河岸坡面上，最小安全系数1.7251.25，满足规范要求。钢板桩内力钢板桩采用sp-u-400*170型号，钢板桩截面最大应力4.00Mpa，最大弯矩0.698KN/m。五、 注意事项：1. 本计算中粉细砂层渗透系数采用的是经验取值，由于坡面渗水量计算与渗透系数之间相关性较大，建议应对粉细砂层进行取样，并做详细的颗粒分析，然后按照k=6.3Cu-3/8d202（水利水电工程地质勘察规范）计算其渗透系数，如实际渗透系数与本计算取值相差较大，则应重新按照实际的渗透系数进行渗流计算并确定渗流量。2. 基坑内排水沟内应每边设置不少于1台离心式抽水泵，抽水泵的型号应能够满足排水要求。3. 本基坑面积较大，基坑开挖应按照规范要求分区域分层开挖，且应控制开挖速率。25