钢板桩支护设计

钢板桩支护设计计算1主要计算内容钢板桩支护设计中主要进行以下计算：钢板桩内力计算。支撑系统内力计算。稳定性验算。变形估算。各项计算内容又包含多个子项，下面逐个阐述其计算方法及步骤。2计算方法及步骤2.1钢板桩内力计算对钢板桩进行内力分析的方法很多，设计时应根据支护的构造形式选择合适的分析方法，本文仅对等值梁法进行介绍，计算步骤如下。计算反弯点位置。假定钢板桩上土压力为零的点为反弯点，设其位于开挖面以E处，则有：整理得:(1)式中，，一一坑内外土层的容重加权平均值；H——基坑开挖深度；Ka——主动土压力系数；、一一放大后的被动土压力系数。按简支梁计算等值梁的最大弯矩和支点反力。等值梁法计算简图如图1所示。计算钢板桩的最小人土深度。由等值梁BG求算板桩的人土深度，取，则由上式求得(2)桩的最小人土深度：t0=y+x (3)如桩端为一般的土质条件，应乘以系数1.1〜1.2，艮口t=(1.1〜1.2)t0对于多层支点的支护体系，常采用等弯矩布置的形式以充分利用钢板桩的抗弯强度，减少支护体系的投人量。其计算步骤为：根据所选钢板桩型号由以下公式确定最大悬臂长厨。(4)式中，f——钢板桩抗弯强度设计值；W——截面抗弯模量；、Ka——同前根据表1确定各支撑跨度。2.2支撑系统内力计算多层支撑点布置见图2支撑内计算主要是分析围檩和撑杆(或拉锚)的内力，围檩为受均布荷载作用的连续梁，均布荷载的大小可按下式计算：(5)式中，qk——第k层围凛承受的荷载；H——围檩至墙顶的距离；——相临两跨度值。撑杆按偏心受压构件计算其内力即可，作用力为：(6)式中，一一相临两支撑间距。2.3稳定性验算支护体系的稳定性验算是基坑工程设计计算的重要环节，主要包括整体稳定性分析、抗倾覆或踢脚稳定性分析、基底抗隆起稳定分析和抗管涌验算等。整体稳定性分析。整体稳定性验算一般采用土层的圆弧滑动面计算，不同于边坡验算的是，由于受支撑或锚杆的影响，圆心位于坑壁面上方，靠坑内侧附近。考虑支撑作用时，可不进行整体稳定性验算，当无支撑或者不考虑支撑作用时，可通过下式计算：(7)式中，匕一一第i条土的粘聚力；L——第i条土的圆弧长度；qi 第i条土的地面荷载；——第i条土的重力密度，水面以下取浮容重；bi 第i条土的宽度；hi——第i条土的高度；——第i条土弧线中心点切线与水平线的夹角；li——第i条土的内摩擦角；K——抗滑稳定安全系数，依规范及地区经验取值，一般1.1〜1.5。抗倾覆稳定性分析。抗倾覆稳定性又称踢脚稳定性，是验算最下道支撑以下的主动、被动土压力绕支撑点的转动力矩是否平衡，按下式计算：(8)式中，一一抗倾覆安全系数，根据基坑重要性取值；——抗倾覆力矩，取开挖面以下钢板桩内侧人土深度范围内的土压力，对最下一道支撑点的力矩;——倾覆力矩，取最下一道支撑点以下钢板桩外侧人土压力支撑点的力矩。基底抗隆起稳定性分析。基底抗隆起稳定性验算的方法较多，本文仅介绍“同时考虑C、①的抗隆起验算法”。结构底平面作为求极限承载力的基准面，可由以下公式求抗隆起安全系数：(9)式中，，一一坑内、外土层的容重加权平均值；c——桩底处地基土粘聚力；q坑外地面荷载；H——基坑开挖深度；t钢板桩入土深度；、——地基承载力系数；桩底处地基土内摩擦角——抗隆起安全系数，根据基坑重要性取值(10)抗管涌验算。地下水位较高的地区，开挖后会形成水头差，产生渗流，当渗流力较大时，有可能造成底部管涌稳定性破坏，因此，验算管涌稳定性也是十分必要的，可通过下式对其进行验算：(11)式中ic——临界水力坡度，ic=(p-1)/(e+1)p——坑底土体相对密度；e 坑底土体天然孔隙比；i——渗流水力坡度，i二h/L；whw——坑内外水头差；L——最短渗流流线长度；Kg——抗渗流安全系数，一般取1.5〜2.0，砂土、粉土时取大值。2.4变形估算当基坑附近有建筑物和地下管线线时，必须对支护进行变形估算，以确保建筑物及管线的安全，变形包括支护周围土体变形和地基回弹变形两部分，对于中小基坑地基回弹变形可不进行估算。基坑周围土体的变形应根据土质、支护情况及当地经验采用合适的估算方法，本文采用以下公式计算：(12)式中，ki 修正系数，对于钢板桩匕=1.0；h——基坑开挖深度；a——地表沉降量与基坑开挖深度之比(%)，可参照图3查得3构件设计3.1钢板桩设计计算出最大弯矩Mmax后，可根据下式对钢板桩进行选型：(13)式中， 桩身最大应力(KN/m2)；桩身最大弯矩值(KN.m)桩身最大弯矩值(KN.m)maxW——钢板桩截面抵抗矩；P——抵抗矩折减系数，对于小企口钢板桩，当设有整体围擦和冠梁时，p取1.0；不设冠梁或围檩分段设置时，6取0.7。3.2围檩设计围檩示实际情况按连续梁或简支梁计算其最大弯矩I.，一般采用工字钢或方钢材料，可根据下式进行选型：(14)式中各参数意义同前。3.3支撑设计支撑按偏心受压构件计算。偏心弯矩除竖向荷载产生的弯矩外，还应考虑轴向力对构件初始偏心距的附加弯矩。初始偏心距可根据《钢结构设计规范》相关规定计算。同时，考虑到支撑预压力和温度的影响，验算时轴力宜乘以1.1〜1.2的增大系数。构件型号可根据下式确定：（15）式中，N 轴心压力（KN）；A——构件毛截面面积（皿）——稳定系数，根据《钢结构设计规范》相关规定取值4构造要求（1） 为防止接缝处漏水，在沉桩前应在锁口处嵌填黄油、沥青或其他密封止水材料，必要时可在沉桩后坑外注浆防渗或另施工挡水帷幕。（2） 在基坑转角出的支护钢板桩，应根据转角的平面形状做成相应的异形转角板桩，且转角桩和定位桩宜加长1m。5工程实例某市政道路排水管基坑开挖，以桩号k0+390处为例，具体工程情况和详细计算过程如下。基坑开挖示意图如图4所示。5.1设计资料（1） 桩顶高程H「4.100m，施工水位H2：3.000m。（2） 地面标高H0：4.350m；开挖地面标高H3:-0.900m；开挖深度H：5.250m。（3） 坑内、外土的天然容重加全平均值，均为：20KN/ms；内摩擦角加全平均值中：20°；粘聚力加全平均值c：22；孔隙比e：0.89。（4）地面超载q:20.0KN/m。(5)基坑开挖宽b=6.0m。(6)拟设置单层支撑，撑杆每隔5m—道。5.2内力计算作用于板桩上的土压力强度及压力分布见图5。板桩外侧均布荷载换算填土高度h,0h=q/r=20.0/20=1.0m。0根据式(1)：按简支梁计算上部钢板桩，其受力简图如图6所示。由得：解得：R=114.7KN/maQb=(12.25+61.25)X5/2+61.25X1.1O6/2414.7=102.9kN/m设最大弯矩处距桩顶距离为x,则有：R=12.25x+(61.25-12.25)x2/5/2a解得x=3.747m所以，M=R（xT）T2.25x2/2-0.5（61.25T2.25）X3/5/3=143.2kN・m（4）计算钢板桩的最小入土深度。根据式（2）得：由式（3）得：最小入土深度t=1.2X（1.106+3.338）=5.333m5.3支撑系统计算（1）围檩。因本工程为单层支撑，围檩所受荷载q=R=114.7kN/m。ka（2）撑杆。由式（6）得:R=0.5X114.7X（5+5）=573.5kN。5.4稳定性验算（1）整体稳定性分析。因本工程设置了支撑，故未进行整体性验算。（2）抗倾覆稳定性分析。内侧土压力对支撑点的力矩：外侧土压力对支撑点的力矩:由式（8）得：>1.2，满足规范要求。（3） 基底抗隆起稳定性分析。由式（10）得：由式（9）得：（4） 抗管涌验算。临界水力梯度渗流水力梯度根据式（11）得：5.5变形估算本工程按一般地层，根据式（12）和系数表得最大变形：5.6构件设计（1）钢板桩设计。采用拉森III钢板桩，W=1350X10anm，折减系数取，由式13）得:（2）围檩设计。选用空心方钢(400X400X14),W=2521X10哑3按简支梁计算，最大弯矩M=ql2/8=114.7X52/8=358.4kN・m。根据式（14）得：（3）支撑设计。选用空心方钢（250X250X8）,W=578X103mm,A=7520哑2,根据长细比，查《钢结构设计规范》附表得稳定系数。自重弯矩M=ql2/8=L/8=2.05Kn・mmax根据式（15）得：6结语（1） 当开挖面以下土质较好，钢板桩入土深度不大时，单层支撑可简化成简支梁模型，多层支撑可简化成连续梁模型，以方便计算。（2） 当地下水位较高，需考虑水压力影响，土