钢板桩支护设计浅析 - 图文

第1期 施工技术论文集-市政桥梁 总师办

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：

?1kpiy??2Ka(H?y)

整理得：

y??2kaH? （1）

1Kpi??2ka式中， ?1，?2——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

?MG?0，则

Q1bx?6[Kp?1(y?x)?Ka?2(H?y?x)]x2 由上式求得

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x?6QB(?1Kpi??2Ka桩的最小人土深度：

(2) 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 。

h?6fw3多层支撑点布置见图2

?2Ka （4）

式中，f——钢板桩抗弯强度设计值；

W——截面抗弯模量； ?2、Ka——同前

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：

qk?12b.根据表1确定各支撑跨度。

?2KaH(hk?hk?1) （5）

式中，qk——第k层围凛承受的荷载；

2.2 支撑系统内力计算

H—―围檩至墙顶的距离；

hk?hk?1——相临两跨度值。

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撑杆按偏心受压构件计算其内力即可，作用力为：

R?12qk(l1?l2) （6）

式中，l1、l2——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：

nn?cili??(qibi?ribihi)cos?itg?iK?i?1i?1（7）

n?(qibi?ribihi)sin?ii?1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；

ri——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；

?i——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： KMRCQ?M (8)

OC式中，KQ——抗倾覆安全系数，根据基坑

重要性取值；

MRC——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；

MRC——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：

Ks??2TNq?cNc? （9）

1(H?t)?q式中，?1，?2——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；

Nq、Nc——地基承载力系数；

Φ——桩底处地基土内摩擦角

Ks——抗隆起安全系数，根据基坑重

要性取值

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N?tg?q?etg2(45??2)N(N10）

q?1） （c?tg?(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：

Kcg?ii （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：

?v?k1?h （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：

?axmax?Mm?W?[f] (13)

式中，?——桩身最大应力（KN/m2

max）；

Mmax——桩身最大弯矩值（KN.m） W——钢板桩截面抵抗矩；

β——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，β取1. 0；不设冠梁或围檩分段设置时，β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Mmax，一般采用工字钢或方钢材料，可根据下式进行选型：

?Mmaxmax?W?[f] (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：

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?max?N?A?MmaxW?[f] (15)

式中，N——轴心压力（KN）；

A——构件毛截面面积（m2

） ?——稳定系数，根据《钢结构设计规

范》相关规定取值

4 构造要求

(l）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lm。

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H1：4.100m，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?1，?3

2均为：20KN/m；内摩擦角加全平均值Φ：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/m2

。 （5）基坑开挖宽b=6.0m。

（6）拟设置单层支撑，撑杆每隔5m一道。

5.2 内力计算

（1）作用于板桩上的土压力强度及压 力分布见图5。

K2。2a?tg(45??/2)?tg(45。?20.0/2)?0.49K2。2。

pi?tg(45??/2)?1.3tg(45?20.0/2)?3.26板桩外侧均布荷载换算填土高度h0, h0=q/r=20.0/20=1.0m。 （2）根据式（1）：

y??2KaH20?0.49?(1.0?4.35?0.9)?1Kpi??2K?a20.0?3.26?20.0?0.49?1.106m （3）按简支梁计算上部钢板桩，其受力简图如图6所示。

由?MB?0得：

Ra?(4.0?1.106)?0.5?(61.25?12.25)?5.0?(5/3?1.106)?12.25?5?(5/2?1.106)?0.5 ?61.25?1.106?2/3?1.106解得：Ra=114.7KN/m

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