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1、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。配备不齐，设计及施工过
2、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：(1) 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
3、。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(1) 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：Y k y 二丫 K (H + y)1 pi 2 a整理得：YkHy =(1)Y K -y k1 pi 2 a式中， Y ， Y 坑内外土层的容重加权 12平均值；H基坑开挖深度；K主动土压力系数；aK 放大后的被动土压力系数。pi(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，取工MG = 0，贝I1Qx 二K Y (y +
4、 x) K Y (H + y + x) x2b 6 p 1 a 2由上式求得b. 根据表 1 确定各支撑跨度。表1支撑跨度表支撑跨度与h的比值1.11h20.88hg0.770.70h50.650.61h70.58hg0.552.2 支撑系统内力计算6QB(2)桩的最小人土深度：(3)(K 丫 K1 pi 2 at0=y+x(YK*7：Ka) x C(b)如桩端为一般的土质条件，应乘以系数多层支撑点布置见图21.1 1.2，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
5、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;7 2、Ka同前图2 多层支撑支点布置图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：1q 二-7 K H(h + h )(5)k 22 akk+1式中，qk第k层围凛承受的荷载；kH围檩至墙顶的距离；h + h 相临两跨度值。k k +1撑杆按偏心受压构件计算其内力即可，作用力为：1R = q (l +K 7TTT为(q b + rb h )sin aT T T T TTT1式中，c第i条土的粘聚力；il第i条土的圆弧长度；iq第i条土的地面荷载；ir 第 i
6、 条土的重力密度，水面以下T取浮容重；b第i条土的宽度；ih第i条土的高度； )(6)2 k 1 2式中，1、l 相临两支撑间距。122.3 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：l +(qb + rb h ) cos a tg q 上. 区经验取
7、值，一般1.11.5。 1 / r-7 iii i i i ii i (7)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：MRCM(8)OC式中， K 抗倾覆安全系数，根据基坑Q重要性取值；M 抗倾覆力矩，取开挖面以下 RC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；M 倾覆力矩，取最下一道支撑 RC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、e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：Y TN +
8、 cNcKs a 第 i 条土弧线中心点切线与水 T平线的夹角； l第i条土的内摩擦角； i K抗滑稳定安全系数，依规范及地 q(9)Y (H +t)+q1式中， Y ， Y 坑内、外土层的容重加12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；N 、 N 地基承载力系数；qc0桩底处地基土内摩擦角Ks 抗隆起安全系数，根据基坑重(2) 抗倾覆稳定性分析。要性取值N = e 冗 tg tg 2(45 + )q2(N -1)N =一ctg10)(4)抗管涌验算。地下水位较高的地区，开挖后会形成水丿处弱地层Z良好地一般地层离钢板桩的距离/开挖深度1.02.0
9、3.04.0图3 a系数图头差，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3 构件设计11)= max f max W(14)稳定性也是十分必要的，可通过下式对其进 行验算：K 二 icgi式中i临界水力坡度,=(p T)/(e+l)ccp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=h/L；wh坑内外水头差；wL最短渗流流线长度；K抗渗流安全系数，一般取1.5 g2.0，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
10、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：6 = k ah(12)v1式中,匕修正系数，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3.1钢板桩设计计算出最大弯矩 Mmax 后，可根据下式对 max 钢板桩进行选型：M=- = f (13)max I)W式中，桩身最大应力(KN/m2)；maxM桩身最大弯矩值(KN.m) maxW钢板桩截面抵抗矩；B 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，B取1. 0；不设冠梁或围檩 分段设置时，B取
11、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M，般采用工字钢或方钢 max材料，可根据下式进行选型：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：CT=+ max W f max 申 A W(15)式中，N轴心压力（KN）；A构件毛截面面积（m2）9 稳定系数，根据钢结构设计规范相关规定取值4 构造要求孔隙比 e： 0.8
12、9。（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 道。5.2 内力计算（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 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K 二tg2(45/2)=tg2(452002)=0.49aK = tg2(45 +
13、/2)=1.3弊(45 +2002)=3.26pi板桩外侧均布荷载换算填土高度h0,h=q/r=20.0/20=1.0m(2) 根据式(1)：Y KH20x0.49x(1.0+ 4.35+ 0.9)y =2a= Y K Y K20.0x3.2620.0x0.491 pi 2 a=1.106m(3) 按简支梁计算上部钢板桩，其受（1）桩顶高程Hj 4.100m,施工水位 H ： 3.000m。2（2）地面标高H : 4.350m；开挖地面 标高 H : -0.900m；开挖深度 H： 5.250m。（ 3）坑内、外土的天然容重加全平均值Y , Y均为：20KN/m3；内摩擦角加全平 12均值：20 ；粘聚力加全平均值c： 22；由 丫 M = 0得:BR x(4.0+1.106)= 0.5x(61.2512.25)x5.0ax(5/3+1.106)+12.25x5x(5/2+1.106)+0.5 x61.25x1.106x2 / 3x1.106解得： R =1 14. 7KN/ma（1）作用于板桩上的土压力强度及压Q=(12.25+61.25) X5/2+61.25Xb1.106/2-114.7=102.9kN/m设最大弯矩处距桩顶距离为x,则有：R=12.25x+(61.25-12.2
