第２９卷第４期 企业技术开发 ２０１０年２月 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．４ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＩＣＡＬ ＤＥＶＥＬ０ＰＭＥＮＴ ＯＦ ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ Ｆｅｂ．２０１０ 深基坑钢板桩支护设计受力分析 王健 （中铁十八局津秦二分部，天津３００３００） 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 中图分类号：ＴＵ４７３．１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—８９３７（２０１０）０４—０１３２—０３ 基坑开挖是各种构造物施工过程中的重要一环，对 对于多层支点的支护体系，常采用等弯矩布置的形 于深基坑施工过程中常常忽视基坑安全问题，需支护的 式以充分利用钢板桩的抗弯强度，减少支护体系的投入 地段常常参照其他项目的支护方案，对基坑进行粗略支 量。其计算步骤为： 护。这种做法很易出现意外，对工程质量及生命财产造成 ①根据所选钢板型号由以下公式确定最大悬臂长度 威胁。因此，对基坑进行科学、合理地支护，是保证工程质 ｈ。 量，维护人身安全，减少财产损失的必要措施。 Ｈ： ／ Ｖ ｒ２ｋａ １工程概况 式中，ｆ为钢板桩抗弯强度设计值；ｆ＝２１５ ＭＰａ；Ｗ为 新建铁路天津至秦皇岛客运专线塘沽西跨京津塘特 截面抗弯模量，ｗ＝２２７０ ｃｍ３；ｒ２为土压力容重，ｒ２＝２０．７ 大桥１８２＃～１８４＃、２０３＃～２０５＃墩南侧临近既有铁路路基 ｋＮ／ｍ，；Ｋａ为土压力系数，ｋａ＝０．４７（见土压力计算），则： 边坡，附近地表水丰富，硫酸盐侵蚀性Ｈ２／Ｌ１，承台底标 Ｈ：ｉ／６ｘＶ ２１＿５＿ｘ１０６ｘ ２２７０ ｘ １０－６ ６．７．＿高一７．８５７—一１３。１５７ ｍ，原地面标高０．７２～０．９１ ｉｎ，基坑 ２０ ７ ×１０３ ０ ４７ ＿＿：＝＿＿×￣一： ｍ ．．开挖深度８．６７７～１３．１５７ ｉｎ。 ②根据表１计算各支撑的跨度。 ①岩土工程条件。线路经过区为滨海冲积平原，地形 表１支撑跨度表 平坦开阔，地势由西北向东南缓倾，河渠纵横，地面高程 支撑跨度 与ｈ的比值 一般一１．８～２．０ ｉｎ，相对高差一般小于２ ｉｎ，地层的成因类 ｈ１ 型主要为冲积、海积，局部为湖沼相堆积地层，岩性为各 ｈｌ＝１．１ １＇６．７＝７．４４ ｍ 类黏性土、粉土、粉砂、细砂等，夹淤泥、淤泥质黏土、淤泥 ｈ２ 质粉质黏土。 ｈ２－－０．８８＊６．７＝５．９ ｍ ②水文地质条件。沿线地形平坦，地表遍布河流、水 １ Ｏ Ｏ ０ ｈ３ 塘等。沿途经过河流属海河水系，主要河流有西河、中河、 ｎ 髂 东河。上述河流均由北向南穿越铁路。河流流经线路地段 ｈ３＝０．７７＊６．７＝５．１６ ｍ 多处于河流的中下游，河床开阔，河谷宽缓，河道较弯曲， ｈ４ 河水流速缓慢，两岸地势平坦，以沉积作用为主。河水流 ｈ４＝０．７０＊６．７＝４．６７ ｉｎ 量受降雨及人为调控的影响，一般随季节变化不明显。一 ｈ５ 般平时水量较小，雨季水量较丰沛。 ｈ５＝０．６５＊６．７－－－４．３６ ｍ 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～ 根据现场具体情况和施工经验，采用１５ ＩＴＩ钢板桩围 １４．５０ｍ，基坑安全等级按二级考虑。 堰支撑。 以下介绍钢板桩支护设计的受力、稳定性计算 ４土压力计算 ２已知条件（以１８４＃墩为例） 根据地质情况，主动土压力的容重ｒ１＝２０．７ ｋＮ／ｍ ，被 基础土质均为淤泥质粉质黏土，容重１＂－＝２０．７ ｋＮ／ｍ ， 动土压力的容重ｒ２＝２０．７ ｋＮ／ｍ。，摩擦角 ＝２１０，土的凝 内摩擦角＝２１，凝聚力ｅ＝３３ ｋＰａ；１８４＃地面标高：０．７２；施 聚力ｅ＝３３ ｋＰａ。 工前地面卸载下挖１ ｒｆｌ，标高为一０．２８ ｍ；１８４＃承台底标 板桩外侧均布荷载换算填土高度ｈｌ，ｈ１＝ｑ／ｒ＝－１０／２０． 高：一７．９５７；开挖深度为：一０．２８＋７．９５７＋０．３＝８．０ ｎｌ；拉森型 ７＝０．４８ ｎｌ。 钢板桩Ｗ＝２２７０ ｃｍ 『￣＝２１５ Ｎ／ｍｍ ；距板桩外１．５ ｍ均 根据朗肯土压力公式（按砂土计算）： 布荷载按１０ＫＮ／ｎｌ 计。 主动土压力：Ｅａ＝１ｒｌＨ Ｋａ；应力公式盯ａ＝ｒｌ Ｈ ２ ３内部支撑的设置 Ｋａ；Ｋａ＝ｔａｎ２（４５一 ，＿）＝０．４７。 作者简介：王健（１９８３一），男，天津宝坻人，助理工程师，主要研究方 向：土木工程。 ０ 第２９卷第４期 王健：深基坑钢板桩支护设计受力分析 １３３ 被动土压力：Ｅｐ＝ １ ｒ２Ｈ２ Ｋｐ；应力公式盯ｐ＝ｒ２ Ｈ 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： Ｋｐ；Ｋｐ＝ｔａｎ２（４５＋ ）＝２．１２。 ｑｋ＝０．５×２０．７×０．４７×５．４８×３＝７９．９７ ｋＮ／ｍ Ｒ＝０．５×７９．９７×２．８＝１１１．９６ ｋＮ １５ｍ钢板桩围堰（见图１）。 盯ａ＝ ｒｌ Ｈ Ｋａ＝２０．７×（１５＋０．４８）×０．４７＝１５０．６ 根据临界应力公式：Ｆｃ＝ｎ ２×Ｅ×ｌ／Ｉｘ Ｌ２， ＝１， ｋＮ／ｍ ； ｐ＝ｒｌ Ｈ Ｋｐ＝２０．７×７×２．１２＝３０７．１８８ ｋＮ／ｍ 。 ａ＝１ ０ ｋＮ，ｎｌ ２ ３ ０ ７ １ ８ ８ ｋ Ｎ／ｍ ２ １ ５ ０ ６ ｋ Ｎ／ｍ ２ 图１钢板桩围堰受力图 第三道支撑的应力： 盯ａ＝ ｒｌ Ｈ Ｋａ＝２０．７ ×（２＋２．５＋０．５＋０．４８） × ０．４７＝５３．３ｌｋＮ／ｍ Ｅａ＝— ｒ１Ｈ２ Ｋａ ＝０．５ ×２０．７ ×１５．４８２ × ２ ０．４７＝１ １６５．６８ｋＮ Ｅｐ＝ ｒ２Ｈ２ Ｋｐ－０＿５×２０－７×７２×２・１２－ｌ０７５・１６ｋＮ ５钢板桩入土深度计算 根据盾恩法求桩的人土深度ｔ，由公式 ＨＫａ（ｈｉ＋ｔ） ＝ （Ｋｐ—Ｋａ）ｔ２，整理得： （Ｋｐ－Ｋａ）ｔ２－Ｈｋａｔ－Ｈｋａｈｉ＝０， ，＿————————————————一 则ｔ： ±‘ ！ １ ± ！ 卫二 垒 垒 ：６．１９ ｍ．入土 ２（Ｋｐ—ｋａ） 深度ｔ＝６．８ Ｉｎ；选用钢板桩长度１５．０ ｍ，实际人土深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＋ｌ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＿ｌ２ ｑｋ ０１＋１２） 式中，１１、１２为相临两支撑间距。 １５ Ｉｎ钢板桩围堰，由于第三道支撑在最下方，采用 ６３０×１２ ｍｍ钢管Ｅ＝２．０×１０５ Ｍｐａ，Ｉ＝Ｈ×（０．６３４—０．５１４） ／６４＝４４．１２×１０—４ ｍ ，Ｌ＝８ ｍ，Ｆｃ＝兀２×２．０×１０１１× ４Ｊ４．１２×１０—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： 坠 Ｍｏｃ 式中，ＫＱ为抗倾覆安全系数，根据基坑重要性取值； Ｍ髓为抗倾覆力矩，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；Ｍ∞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×ｆ３＋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、 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：一ｒ２ｔＮｑ＋ｃＮｃｒ（Ｈ＋ｔ）＋ｑ 式中，ｒｌ，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为钢板桩人土深度；Ｎｑ、Ｎｃ为地基承载力系数； 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＝ｅ ｔｇ２（４５＋ ） Ｚ Ｎｃ：！ ｇ二 ２ ｔｇ 根据以上公式计算如下： Ｎｑ＝ｅ～ｔｓ２ ｔｇ２（４５＋１０．５）＝７．０７ Ｎｃ＝ ＝ｌ５．８ｌ ： ２０．７×（８＋７＋０．：璺 ２：Ｑ２± ４８）＋ｌＯ ：墨 ＝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： １３４ 企业技术开发 渗流水力梯度ｉ＝— 一２ ７＋８ ＝０・３６，Ｋｇ＝ ０ × ２０１０年２月 １・９２＞ｌ－５， Ｋｇ＝＿ｌｅ ｌ 一 ．３６ 式中，ｉ 为临界水力梯度，ｉｃ＝（ｐ一１）／（ｅ＋１）；Ｐ为坑土 满足规范要求。 体相对密度，ｐ＝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 参考文献： 短渗流流线长度；Ｋｇ为抗渗流安全系数，一般取 【１］于国友．用弹性抗力法进行深基坑支护体系受力分析【Ｊ】 １．５～２．０，砂土、粉土时取最大值。 中国港湾建设，１９９５，（２）． 根据以上公式计算如下： 临界水力梯度ｉｃ： ：Ｑ 二！＝０．６９，ｈＷ＝８ｍ，Ｌ＝７＋８＝１５ｍ （上接第１３１页）以按照加固效果就近原则换用其他的 可以挖掘防振沟进行隔振，防振沟的设计必须具有一定 夯锤。夯击遍数应根据地基土的性质来确定，可采用点夯 强度来避免坍塌，隔振沟的宽度实际上是任意的，深度一 ２～３遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必要时夯击遍数可 般与现有基础的埋置深度一致。根据国内大量实践经验，以适当的增加。满夯是指在夯击加固深层结束后，可采用 强夯产生的振动对１５ ｍ内的建筑物不会产生有害的影 必须避免与周围建 轻锤或者低落距锤多次夯击，期间满夯夯锤印之间搭接 响。试夯时应注意实测有关振动参数，不小于１／４夯锤底面积，以确保表层的松土的均匀性和 筑物产生共振现象。 密实性，通常满夯的夯击遍数为２遍。 ４强夯法效果检验 强夯施工结束后应间隔一定时间方能对地基加固质 量进行检验。检测点的位置可布置在夯坑内、夯坑外和夯 坑区边缘，对一般的建筑物地基的检验点不应该小于３ 处，而对于重要的建筑物或者在场地条件多变的情况下 应适当的增加检验点的数目，检验是深度不小于设计处 理的深度。有如下经验：地基属于一般粘性土时，可选取 重力触探作为主要检验手段；对砂土地基用标贯作为主 要检验手段；饱和砂土地基用标贯和做砂的相对密度试 验；湿陷性黄土可以挖探坑取原状土做湿陷性系统的分 析实验。夯后检验的时间必须根据土性做选择，如土层较 厚的饱和软土至少要在夯后两个月进行检测，非饱和土 ３强夯施工要点 ①点夯施工。试夯结束后根据所得的参数进行强夯 施工，具体步骤：用推土机对施工场地进行平整，若场地 表层为细粒土需要铺设松散材料形成硬层，方便机械通 行和施工，若地下水位过高，应铺设垫层降低地下水位， 同时可根据场地条件开挖明沟集水，提高施工效率，此外 垫层还可以更好的使夯击能得到扩散。在点夯过程中，若 发生坑底歪斜应及时将坑底填平，若在有坡度的土方上 进行施工，可采用“修盘山”道的方式进行施工 ，循环多 次直至达到控制标准。 ②满夯施工。点夯施工完毕后，用推土机平整场地， 进行满夯施工，其目的是将场地表层松土压实。用设定的 则在夯后一个星期即可进行检验工作。 满夯击能采用搭夯施工。施工时，调度强夯机到达指定的 初始位置，按照设计参数进行夯击，一点夯击完毕后移动 参考文献： 夯锤至将下一个要施工的夯点，确定与已经施工的夯点 软土地基加固理论．设计与施３２［Ｍ］．北京：中国电力 搭接１／４底面积后，吊起夯锤继续夯击。满夯施工结束 …１李彰明．版社，２００６． 后，用压路机对场地进行碾压密实。 ２】吴亚丽．强夯法在软土地基中的应用［Ｊ】．工业建筑，２００９， ③隔振。强夯法施工会给地面带来振动，当对邻近的 【（３９）． 建筑物或者是设备产生影响时，应采取必要的隔振措施。