浅谈钢板桩在基坑支护工程中验算方法

浅谈钢板桩在基坑支护工程中验算方法摘要：对单层支点板桩墙等值的原理及计算钢板桩在深基坑支护工程中的验算方法进行浅谈。关键词：深基坑支护设计验算0前言在工程的建设上，需改造深埋污水管，而在这些工程中，很少有供应地质资料作为深基坑支护计算。在该部分深基坑中，如何进行合理、有效的深基坑支护，并且供应计算的理论依据，显得非常重要。本文结合工程的挡墙基坑支护，探讨钢板桩在基坑支护工程中的应用。1工程概况1.1本工程管线改造工程挡墙是在原有上改造扩宽后建成，要求基坑挖深5米，宽11.4米，结构如下图1.2依据该工程的设计和实际状况，先将基坑两侧的土方降低1米，使得基坑开挖深度H为4米，以满意挖掘机能挖掘到河中间的土方。选用P200挖掘机，上部挖掘机荷载200KN。支撑位于墙顶处，间距4米。地质为可朔的淤泥质粘土，土体各层重力密度加权平均值r=18KN/m3,内摩擦角φ=8º,粘聚力c=14Kpa,土体相对密度ρ为2.5,自然孔隙比e2设计验算2.1基本假定当板桩墙的入土深度较大时，土体对入土部分的墙体起到了嵌固作用，此时支护墙体上端受到支撑的支承作用，下端受到土体的嵌固支承作用。并且假定反弯点位于土压力强度为零的那一点，计算采纳单层支点板桩墙的等值梁法。主动土压力和被动土压力采纳朗金理论计算。板桩墙在土压力的作用下产生变形，因而使土与墙体之间产生相对位移，产生摩擦力。由于板桩变形时墙前的土体破坏棱体向上移动，而使墙体对土产生向下的摩擦力，从而使墙前的被动土压力有所增大；板桩墙变形时墙后的土体破坏棱体向下移动，使墙体对土体产生向上的摩擦力，从而使墙后的被动土压力和主动土压力有所削减。为此，在计算中考虑板桩墙与土体的摩擦作用。将墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数K和K＇。为了平安起见，一般对主动土压力不予以折减。所以，作用在板桩墙上的被动土压力系数按下式计算：板桩墙前：板桩墙后：被动土压力修正系数见下表1等值梁法被动土压力修正系数表1土体内摩擦角φ40°35°30°25°20°15°10°K2.32.01.81.71.61.41.2K＇0.350.40.470.550.640.751.02.2设计2.2.1计算作用于墙体上的土压力强度，并绘出土压力强度分布图2。查表1得K=1.1挖掘机的换算等代荷载为:主动土压力系数：Ka=tg2(45-φ/2)=0.756被动土压力系数：Kp=tg2(45+φ/2)=1.323板桩墙前修改后的被动土压力系数：2.2.2依据D点板桩前的被动土压力等于板桩后的主动土压力,得y=0.52m2.2.3按简支梁计算上部墙体，其受力简图如图3所示：由∑MD=0,有：TA*(3.5+0.52)=1/2*4.4*(0.756*18*4.4-2*14*0.756^1/2)*(4.4/3+0.52)+1/2*35.53*0.52*2/3*0.52∴TA=39.43KN/mPd=1/2*35.53*(4.4+0.52)-TA=47.97KN/m最大弯矩发生于剪力为零处，设距墙顶x0处剪力为零，则：1/2*x0*(rx0Ka-2cKa^1/2)=TA1/2*x0*(18*x0*0.756-2*14*0.756^1/2)=39.43x0=3.46m∴Mmax=TA*(x0-0.9)-(rx0Ka-2cKa^1/2)*1/2*x0*1/3x0=31.78*(3.46-0.9)-(18*3.46*0.756-28*0.756^0.5)*1/6*3.462=36.0KN﹒m/m故:支护墙体每延米的最大弯距为36.0KNm,支撑反力为39.43KN/m,假定支撑间距为4米,则每根支撑反力为2.2.4依据Pd和墙前被动土压力对板桩底端C的力矩相等的原理得:Pd*x=(Kp’*r*x+2c*Kp’^1/2)*x/2*x/3-(Ka*r*x-2c*Ka^1/2)*x/2*x/347.97*6=(1.456*18*x+2*14*1.456^1/2)*x-(0.756*18*x-2*14*0.756^1/2)*xx=2.20m∴t0=y+x=2.20+0.52=2.72m取平安系数K=1.2,得墙体入土深度为t=K*t0=1.5*2.72=4.0m2.2.5钢板桩选型采纳拉森Ⅲ钢板桩,钢板桩中心间距为80cm,W=1600*103mm3/m,〔f〕=170Mpa,取折减系数β=0.7,σmax=1.25*r0*2Mmax/βW=1.25*1.1*2*36.0*106/(0.7*1600*103)=88.40Mpa<〔f〕=170Mpa2.3稳定性验算取钢板桩长度为8米2.3.1验算基底抗隆起稳定性考虑到支护墙度D/H=1.0,因此采纳计及墙体反抗弯矩的圆弧滑动面抗隆起法(一)进行验算.滑动力矩为Ms=1/2(rH+q)D2=1/2*(18*4.4)*42=633.6KNm/m抗滑动力矩为Mr=Ka*tgφ*((1/2*rH2+qH)*D+1/2*qfD2+2/3*r*D3))+tgφ*(3.14/4*qf*D2+4/3*r*D3)+c*(HD+3.14*D2)+Mh=0.756*tg8*((1/2*18*4.42*4+1/2*18*4.4*42+2/3*18*43))+tg8*(3.14/4*18*4.4*42+4/3*18*43)+14*(4.4*4+3.14*42)+0.7*170*1.6=1718.80KNm/m∴抗隆起平安系数为:Ks=Mr/Ms=2.71满意要求.2.3.2抗渗流或管涌验算假定地下水位位于地面处,则坑底土体渗流水力坡度过I=hw/L其中hw=4m,L=hw+2D=4+2*4=12m则I=4/12=0.333而坑底土体临界水力坡度ic=(ρ-1)/(1+e)其中ρ=2.5,e=0.8则ic=(2.5-1)/(1+0.8)=0.833所以,抗渗流或管涌稳定性平安系数:Ks=ic/i=0.833/0.333=2.5满意抗渗流或管涌稳定性要求2.3.3抗倾覆稳定性验算验算最下道支撑以下的主动、被动土压力绕最下道支撑点的转动力矩是否平衡,如图4.被动土压力系数采纳改进库仑公式的简化公式Kp=cos2φ/(1-(sin(φ+δ)*sinφ/cosδ)0.5)2=cos28/(1-(sin14*sin8/cos6)0.5)2=1.473Kph=cos2φ*cos2δ/(1-(sin(φ+δ))2=cos28*cos26/(1-sin14)2=1.688ep=∑rihi*Kp+2c*Kph0.5=18*4*1.473+2*14*1.688^1/2=142.434KN/m抗倾覆力矩为Mrc=ep*D/2*(3.5+D-D/3)=142.434*4/2*(3.5+4-4/3)=1756.69KNm/m倾覆力矩为Moc=(18*0.9*0.756-2*14*0.756^1/2)*7.5*7.5/2+(18*7.5*0.756-2*14*0.756^1/2)*7.5/2*2/3*7.5=1116.88KNm/m所以,抗倾覆稳定性平安系数:KQ=Mrc/Moc=1.57满意抗倾覆稳定性要求2.4支撑的强度验算采纳φ273*6的圆形钢管作为支撑,每4米设一根,每根长12米,支撑与围檩的接点按铰点计算；μl/r=12/0.094=128查得φ=0.418压杆稳定性验算：假定支撑偏心弯矩取最大计算,得:M=2*39.43*0.137=10.80KNm∴σ=N/ψA+M/W=157.72*10^3/0.418*5.03*10-3+10.8*103/(329*10-6)=107.83Mpa<〔f〕=170Mpa故满意强度要求.2.5围檩挠度验算ymax=5q*l4/(384EJ)=5*31.78*103*44/(384*2.1*1011*2700*10-8)=0.019m<L/1000=0.04m故围檩