钢板桩支护设计浅析

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1、钢板桩支护设计浅析钢板桩支护设计浅析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

2、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

3、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：EMBED Equation.DSMT4 整理得：EMBED Equation.DSMT4 （1）式中， EMBED Equation.DSMT4 ， EMBED Equation.DSMT4 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 E

4、MBED Equation.DSMT4 ，则EMBED Equation.DSMT4 由上式求得EMBED Equation.DSMT4 (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1.11.2 ，即t= （1.11.2）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 。EMBED Equation.DSMT4 （4）式中，f钢板桩抗弯强度设计值；W截面抗弯模量；EMBED Equation.DSMT4 、Ka同前b.根据表 1 确定各支撑

5、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：EMBED Equation.DSMT4 （5）式中，qk第 k 层围凛承受的荷载；H围檩至墙顶的距离；EMBED Equation.DSMT4 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：EMBED Equation.DSMT4 （6） 式中， EMBED Equation.DSMT4 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

6、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：EMBED Equation.DSMT4 （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；EMBED Equation.DSMT4 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；EMBED Equation.DSMT4 第 i 条土弧线中心点切线与水平

7、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1.11.5。(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：EMBED Equation.DSMT4 (8)式中， EMBED Equation.DSMT4 抗倾覆安全系数，根据基坑重要性取值；EMBED Equation.DSMT4 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；EMBED Equation.DSMT4 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

8、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、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：EMBED Equation.DSMT4 （9）式中， EMBED Equation.DSMT4 ， EMBED Equation.DSMT4 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；EMBED Equation.DSMT4 、 EMBED Equation.DSMT4 地基承载力系数；桩底处地基土内摩擦角EMBED Equation.DSMT4 抗隆起安全系数，根据基坑

9、重要性取值EMBED Equation.DSMT4 （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：EMBED Equation.DSMT4 （11）式中 ic临界水力坡度，ic=（-1）/(e+1)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 1.52.0，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

10、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：EMBED Equation.DSMT4 （12）式中，k1修正系数，对于钢板桩 k11.0；h基坑开挖深度；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：EMBED Equation.DSMT4 (13) 式中， EMBED Equation.DSMT4 桩身最大应力（KN/m2） ；Mmax桩身最大弯矩值（KN.m）W

11、钢板桩截面抵抗矩；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， 取 1. 0；不设冠梁或围檩分段设置时， 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：EMBED Equation.DSMT4 (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 1.11.2 的增大系数。构件型号可根据下式确定： EMBED Eq

12、uation.DSMT4 (15)式中，N轴心压力（KN） ；A构件毛截面面积（m2） EMBED Equation.DSMT4 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

13、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 EMBED Equation.DSMT4 ， EMBED Equation.DSMT4 均为：20KN/m3；内摩擦角加全平均值 ：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。EMBED Equation.DSMT4 板桩外侧均布荷载换算填土高度

14、 h0,h0=q/r=20.0/20=1.0m。（2）根据式（1）：EMBED Equation.DSMT4 （3）按简支梁计算上部钢板桩，其受力简图如图 6 所示。由 EMBED Equation.DSMT4 得：EMBED Equation.DSMT4 解得：Ra=114.7KN/mQb=(12.25+61.25)5/2+61.251.106/2-114.7=102.9kN/m设最大弯矩处距桩顶距离为 x，则有：Ra=12.25x+(61.25-12.25)x2/5/2解得 x=3.747m所以，Mmax=Ra(x-1)-12.25 x2/2-0.5(61.25-12.25) x3/5/3=143.2kNm（4）计算钢板桩的最小入土深度。根据式（2）得：EMBED Equation.DSMT4 由式（3）得：最小入土深度t=1.2（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 qk=Ra=114.7kN/m。（2）撑杆。由式（6）得：R=0.5114.7（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：EMBED Equation.DSMT4 外侧土压力对支撑点的力矩：EMBED Equation.DSMT4