钢板桩支护设计

钢板桩支护设计浅析摘要：该文介绍了钢板桩的支护设计，根据钢板桩的实际受力状况建立力学模型，通过理论计算，确定钢板桩的实际受力及支护结构的稳定性，以确保支护结构的精确性和安全性，从而满足工程需要。关键词：钢板桩；支护；设计摘自：城市道桥与防洪.2007.第11期0前言随着近年城镇建设的不断深人，各种基础建设项目相继增多，基坑开挖是各种构造物施工过程中的重要一环，由于大多数项目特别是中小型项目，工期紧，专业技术人员配备不齐，设计及施工过程中常常忽视基坑安全问题，需支护的地段常常凭感觉或草率参照其他项目的支护方案，对基坑进行粗略支护。这种做法往往会因工作人员经验不足、现场地质情况复杂而出现意外，对工程质量及生命财产造成威胁。因此，对基坑进行科学、合理地支护，是保证工程质量，维护人身安全，减少财产损失的必要措施。基坑的支护形式和所选材料种类很多，应根据项目的具体情况采用合理的支护方案，本文着重通过对钢板桩支护的受力分析，整理了一套比较完整的基坑支护计算方法及步骤，以供参考。1主要计算内容钢板桩支护设计中主要进行以下计算：(l）钢板桩内力计算。(2）支撑系统内力计算。(3）稳定性验算。(4）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。(l）计算反弯点位置。假定钢板桩上土压力为零的点为反弯点，设其位于开挖面以下y处，则有：整理得：（1）式中，，——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；Kpi——放大后的被动土压力系数。(2）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。(3）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，即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：a.根据所选钢板桩型号由以下公式确定最大悬臂长度h。（4）式中，f——钢板桩抗弯强度设计值；W——截面抗弯模量；、Ka——同前b.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，——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。(1）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，ci——第i条土的粘聚力；li——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。(2）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，——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。(3）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、Φ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，，——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；Φ——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）(4）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=（ρ-1）/(e+1)ρ——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=hw/L；hw——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，k1——修正系数，对于钢板桩k1＝1.0；h——基坑开挖深度；α——地表沉降降量与基坑坑开挖深度度之比（%），可参参照图3查得3构件设计3.1钢板桩设设计计算出最大弯矩矩Mmax后，可可根据下式式对钢板桩桩进行选型型：(133)式中，——桩身身最大应力力（KN/mm2）；Mmax——桩身身最大弯矩矩值（KN.mm）W——钢板桩截面抵抗抗矩；β——抵抗矩折折减系数，对对于小企口口钢板桩，当当设有整体体围擦和冠冠梁时，ββ取1.00；不设冠冠梁或围檩檩分段设置置时，β取0.7。3.2围檩设设计围檩示实际情况按连连续梁或简简支梁计算算其最大弯弯矩Mmax，一一般采用工工字钢或方方钢材料，可可根据下式式进行选型型：(144)式中各参数意义义同前。3.3支撑设设计支撑按偏心受压压构件计算算。偏心弯弯矩除竖向向荷载产生生的弯矩外外，还应考考虑轴向力力对构件初初始偏心距距的附加弯弯矩。初始始偏心距可可根据《钢钢结构设计计规范》相相关规定计计算。同时时，考虑到到支撑预压压力和温度度的影响，验验算时轴力力宜乘以11.1～1.2的增增大系数。构构件型号可可根据下式式确定：((15)式中，N——轴轴心压力（KN）；A——构件毛截面面积积（m2）——稳定系数，根据据《钢结构构设计规范范》相关规规定取值4构造要求(l）为防止接缝处处漏水，在在沉桩前应应在锁口处处嵌填黄油油、沥青或或其他密封封止水材料料，必要时时可在沉桩桩后坑外注注浆防渗或或另施工挡挡水帷幕。(2）在基坑转角出出的支护钢钢板桩，应应根据转角角的平面形形状做成相相应的异形形转角板桩桩，且转角角桩和定位位桩宜加长长lm。5工程实例某市政道路排水水管基坑开开挖，以桩桩号k0+3990处为例，具具体工程情情况和详细细计算过程程如下。基基坑开挖示示意图如图图4所示。5.1设计资料料（1）桩顶高程H1：：4.1000m，施施工水位H2：3.0000m。（2）地面标高H00：4.3550m；开开挖地面标标高H3：-0.9900m；；开挖深度度H：5.2550m。（3）坑内、外土的天天然容重加加全平均值值，均为：20KNN/m3；内摩擦擦角加全平平均值Φ：20°；粘聚力力加全平均均值c：22；孔隙比e：0.89。（4）地面超载q:220.0KKN/m22。（5）基坑开挖宽bb=6.00m。（6）拟设置单层支支撑，撑杆杆每隔5mm一道。5.2内力计计算（1）作用于板桩上上的土压力力强度及压压力分布见图5。板桩外侧均布荷荷载换算填填土高度hh0,h0=q/r=200.0/220=1..0m。（2）根据式（1）：：（3）按按简支梁计计算上部钢钢板桩，其其受力简图图如图6所示。由得：解得：Ra=1114.77KN/mmQb=(12.25+661.255)×5//2+611.25××1.1006/2--114..7=1002.9kkN/m设最大弯矩处距距桩顶距离离为x，则有：：Ra=12.25xx+(611.25--12.225)x22/5/22解得x=3.7477m所以，Mmaxx=Ra(x-1))-12..25x2/2-00.5(661.255-12..25)x3/5/33=1433.2kNN·m（4）计算钢板桩的的最小入土土深度。根据式（2）得得：由式（3）得：：最小入土土深度t=1..2×（1.1006+3..338）=5.3333m5.3支撑系系统计算（1）围檩。因本工程为单层层支撑，围围檩所受荷荷载qk=Ra=1144.7kNN/m。（2）撑杆。由式（6）得：：R=0..5×1114.7××（5+5）=5733.5kNN。5.4稳定性性验算（1）整体稳定性分分析。因本工程设置了了支撑，故故未进行整整体性验算算。（2）抗倾覆稳定性性分析。内侧土压力对支支撑点的力力矩：外侧土压力对支支撑点的力力矩：由式（8）得：：>1.2，满足足规范要求求。（3）基底抗隆起稳稳定性分析析。由式（10）得得：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）得得：5.5变形估估算本工程按一般地地层，根据据式（12）和系数表表得最大变变形：5.6构件设设计（1）钢板桩设计。采用拉森Ⅲ钢板板桩，W=13350×1103mm，折减减系数取，由由式（13）得：（2）围围檩设计。选用空心方钢（400××400××14），W=25521×1103㎜3。按简支梁计算，最最大弯矩Mmax=qql2/8=1114.77×52//8=3558.4kkN·m。根据式（14）得得：（3）支撑设计。选用空心方钢（250××250××8），W=5778×1003mm，A=75520㎜2,根据长细细比，查《钢钢结构设计计规范》附附表得稳定定系数。自重弯矩Mmaax=qll2/8=l2/8=22.05KKn·m根据式（15）得得：6结语（1）当开挖面以下下土质较好好，钢板桩桩入土深度度不大时，单单层支撑可可简化成简简支梁模型型，多层支支撑可简化化成连续梁梁模型，以以方便计算算。（2）当地下水位较较高，需考考虑水压力