深基坑钢板桩支护设计受力分析

深基坑钢板桩支护设计受力分析

摘要:文章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

基坑开挖是各种构造物施工过程中的重要一环,对于深基坑施工过程中常常忽视基坑安全问题,需支护的地段常常参照其他项目的支护方案,对基坑进行粗略支护。这种做法很易出现意外,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。

1工程概况

新建铁路天津至秦皇岛客运专线塘沽西跨京津塘特大桥182#～184#、203#～205#墩南侧临近既有铁路路基边坡,附近地表水丰富,硫酸盐侵蚀性H2/L1,承台底标高-7.857 ～-13.157 m,原地面标高0.72 ～0.91 m,基坑开挖深度8.677 ～13.157 m。

①岩土工程条件。线路经过区为滨海冲积平原,地形平坦开阔,地势由西北向东南缓倾,河渠纵横,地面高程一般-1.8～2.0 m,相对高差一般小于2 m,地层的成因类型主要为冲积、海积,局部为湖沼相堆积地层,岩性为各类黏性土、粉土、粉砂、细砂等,夹淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土。

②水文地质条件。沿线地形平坦,地表遍布河流、水塘等。沿途经过河流属海河水系,

主要河流有西河、中河、东河。上述河流均由北向南穿越铁路。河流流经线路地段多处于河流的中下游,河床开阔,河谷宽缓,河道较弯曲,河水流速缓慢,两岸地势平坦,以沉积作用为主。河水流量受降雨及人为调控的影响,一般随季节变化不明显。一般平时水量较小,雨季水量较丰沛。

③周边环境条件。根据业主提供的平面图及现场资料,基坑周边场地相对开阔,距离既有铁路线约为9.8～14.50m,基坑安全等级按二级考虑。

以下介绍钢板桩支护设计的受力、稳定性计算

2已知条件(以184#墩为例)

基础土质均为淤泥质粉质黏土,容重r=20.7 kN/m3, 内摩擦角=21,凝聚力c=33 kPa;184#地面标高:0.72;施工前地面卸载下挖1 m,标高为-0.28 m;184#承台底标高:-7.957;开挖深度为:-0.28+7.957+0.3=8.0 m;拉森型钢板桩 W=2270 cm3[f]=215 N/mm2;距板桩外1.5 m均布荷载按10 KN/ m2计。

3内部支撑的设置

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,减少支护体系的投入量。其计算步骤为:

①根据所选钢板型号由以下公式确定最大悬臂长度h。

H=

式中,f为钢板桩抗弯强度设计值;f=215 MPa;W为截面抗弯模量,w=2270 cm3;r2为土压力容重,r2=20.7 kN/m3;Ka为土压力系数,ka=0.47(见土压力计算),则:

H==6.7 m

②根据表1计算各支撑的跨度。

根据现场具体情况和施工经验,采用15 m钢板桩围堰支撑。

4土压力计算

根据地质情况,主动土压力的容重r1=20.7 kN/m3,被动土压力的容重r2=20.7 kN/m3,摩擦角φ=210,土的凝聚力c=33 kPa。

板桩外侧均布荷载换算填土高度h1,h1=q/r=10/20.7=0.48 m。

根据朗肯土压力公式(按砂土计算):

主动土压力:Ea=r1H2 Ka;应力公式σa= r1 H Ka;Ka=tan2(45-)=0.47。

被动土压力:Ep=r2H2 Kp;应力公式σp= r2 H Kp;Kp=tan2(45+)=2.12。

15m钢板桩围堰(见图1)。

σa= r1 H Ka=20.7×(15+0.48)×0.47=150.6 kN/m2;σp= r1 H

Kp=20.7×7×2.12=307.188 kN/m2。

第三道支撑的应力:

σa= r1 H Ka=20.7×(2+2.5+0.5+0.48)×0.47=53.31kN/m2

Ea=r1H2 Ka =0.5×20.7×15.482 ×0.47=1165.68kN

Ep=r2H2 Kp =0.5×20.7×72 ×2.12=1075.16kN

5钢板桩入土深度计算

根据盾恩法求桩的入土深度t,由公式γHKa(hi+t)=γ(Kp-Ka)t2,整理得:

(Kp-Ka)t2-Hkat-Hkahi=0,

则t==6.19 m.入土深度t=6.8 m;选用钢板桩长度15.0 m, 实际入土深t=7 m,安全系数为:7/6.19=1.13,符合要求。

6斜撑支撑力计算

支撑内计算主要是分析围檩和撑杆的内力,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=r2 Ka H(hk+ hk+1)

式中,qk为第k层围檩承受的荷载;H为围檩至围堰顶的距离;hk+ hk+1为相邻两跨度值。撑杆按偏心受压构件计算其内力即可,作用为:

R=qk (l1+ l2 )

式中,l1、l2为相临两支撑间距。

15 m钢板桩围堰,由于第三道支撑在最下方,采用630 mm×12 mm钢管,其受力为最大值,那么只计算第三道支撑的纵向支撑杆的受力即可,计算如下:

qk=0.5×20.7×0.47×5.48×3=79.97 kN/m

R=0.5×79.97×2.8=111.96 kN

根据临界应力公式:Fc=∏2×E×I/μL2,μ=1,630×12 mm钢管E=2.0×105 Mpa,I=∏×(0.634-0.514)/64=44.12×10-4 m4,L=8 m,Fc=∏2×2.0×1011×44.12×10-4 /82=136077 kN,由于Fc>R,故满足应力要求。

7稳定性计算

①整体稳定性分析。因本工程的钢板桩围堰设置了支撑,故不再进行整体稳定性验算。

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:

KQ=

式中,KQ为抗倾覆安全系数,根据基坑重要性取值;MRC为抗倾覆力矩,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;MOC为倾覆力矩,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。

MRC=307.19×7×0.5×(3+7×2/3)=8248.93kN/m

MOC=53.31×10×4+(150.6-53.31)×10/2×(3+7×2/3)=5861.85kN/m

KQ=8248.93/5861.85=1.41,满足规范要求。

③基底抗隆起稳定性分析。基地抗隆起稳定性验算采用同时考虑c、φ的抗隆其验算法”。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=

式中,r1,r2为坑内、外层的容重加权平均值;C为桩底处地基土粘聚力;Q为坑外地面荷载;H为基坑开挖深度;T为钢板桩入土深度;Nq、Nc为地基承载力系数;φ为桩底处地基土内摩擦角;Ks为抗隆起安全系数,根据基坑重要性取值。

Nq=eπtgφ tg2(45+)

Nc=

根据以上公式计算如下:

Nq=eπtg21 tg2(45+10.5)=7.07 Nc==15.81

Ks==4.59,满足规范要求。

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,当渗流里较大时,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:

Kg=

式中,ic为临界水力梯度,ic=(ρ-1) /(e+1);ρ为坑土体相对密度,ρ=2.07;E为坑底土体天然孔隙比;e=0.55;I为渗流水力梯度,i=hW/L;hW为坑内外水头差;L为最短渗流流线长度;Kg为抗渗流安全系数,一般取1.5~2.0,砂土、粉土时取最大值。

根据以上公式计算如下:

临界水力梯度ic==0.69,hW=8m,L=7+8=15m

渗流水力梯度i==0.36,Kg==1.92>1.5,满足规范要求。

参考文献:

[1] 于国友.用弹性抗力法进行深基坑支护体系受力分析[J].中国港湾建设,1995,(2).