钢板桩支护设计浅析
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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0 前⾔
随着近年铁路建设的不断深⼈，⼤跨度连续梁相继增多，为满⾜结构需要，承台尺⼨逐步加⼤，基坑开挖尺⼨也不断增加，因此基坑开挖是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)钢板桩⽀撑布置和计算。
(2)⽀撑系统内⼒计算。
(3)⼊⼟深度计算。
(4)稳定性检算
(5)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 钢板桩⽀撑布置和计算
⽀撑层数和间距的布置，是钢板桩施⼯中的重要问题，它影响着板桩、横梁和横撑的截⾯尺⼨与⽀撑数量。⽀撑的布置⽅式有两种：(1)等弯矩布置计算；(2)等反⼒布置计算。本⽂仅对等弯矩法进⾏介绍，计算步骤如下：(l）根据施⼯条件选择钢板桩。
(2)根据其允许抵抗弯矩，计算钢板桩顶部悬臂部分最⼤允许跨度h。
[]
3
r
W
6
h
a
K
δ
=
式中，[]δ——钢板桩抗弯强度设计值；W——截⾯抗弯模量；r——钢板桩后⼟的重度；
K a——主动⼟压⼒系数
(3)根据表1
确定各⽀撑跨度。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：211
()2
k a k k q K H h h γ+=+ （5）
式中，q k ——第k 层围凛承受的荷载；H—―围檩⾄墙顶的距离；
1k k h h ++——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：121
()2
k R q l l =
+ （6） 式中，12l l 、——相临两⽀撑间距。 2.3 ⼊⼟深度
钢板桩⼊⼟深度主要受两个因素的影响，⼀是竖向不产⽣管涌，⼆是基底⼟体横向不产⽣侧移。(1)不产⽣管涌为控制条件
基坑抽⽔后⽔头差为1h ，⼊⼟深度2h =x，最短的渗流途径为221×+h h ，不产
⽣管涌的安全条件为：b w r r i K ≤××
式中K 为安全系数取1.8 ⽔容重：3/10m KN r w = ⼟的浮容重：w b r r r ?= ⽔⼒梯度：)2(11x h h i +÷=
图3⼊⼟简化图(2)⼟体侧向稳定性
⼟压⼒，⽔压⼒及被动⼟压⼒分部对基底A 点取⼒矩平衡既有2
421361616)(rh K h r x K K r a w a p b +=×?×
综合以上两种情况，取最⼤值作为控制条件。2.4稳定性检算 (1)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：21()q
q TN cNc Ks H t γγ+=++ （9）
式中，1γ，2γ——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；
q N 、c N ——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2(452
(1tg q q c N e tg N N tg π??
=+?=
） （10）(2）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：c
g i K i
=
（11） 式中i c ——临界⽔⼒坡度，i c =（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=h w /L； h w ——坑内外⽔头差； L——最短渗流流线长度；K g ——抗渗流安全系数，⼀般取 1.5～
2.0，砂⼟、粉⼟时取⼤值。
2.5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：1v k h δα= （12）式中，k 1——修正系数，
对于钢板桩k 1＝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M max 后，可根据下式对钢板桩进⾏选型：max
max []M f W
σβ=
≤ (13) 式中，max σ——桩⾝最⼤应⼒（KN/m 2
）；M max ——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M max ，⼀般采⽤⼯字钢或⽅钢材料，可根据下式进⾏选型：max
max []M f W
σ=
≤ (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：max
max []M N f A W
σ?=
+≤ (15) 式中，N——轴⼼压⼒（KN）；
A——构件⽑截⾯⾯积（m 2
）——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
南淝河特⼤桥连续梁166#墩基坑开挖，具体⼯程情况和详细计算过程如下。 5.1设计资料(1)桩顶⾼程H1：8.0m，施⼯⽔位：7.0m。 (2)地⾯标⾼H 0：
10m；开挖地⾯标⾼H3：-1.04m；开挖深度H：11.04m。
(3)坑内、外⼟的天然容重加权平均值
1r 、2r 均为：18.5KN/m；内摩擦⾓加权平均
值ο14=?；粘聚⼒C：20KPa。
(4)地⾯超载q ：按70吨考虑，换算后为10KN/m 2
。(5)拟设置多层⽀撑，每隔5m 设置⼀道。
(6)拉森Ⅳ型钢板桩 W=2043cm 3
，[]δ=200Mpa，桩长15m。
5.2内⼒计算
(1)作⽤在钢板桩上的⼟压⼒强度及压⼒分部见图2.1
49.02
2045tg K o
o
2
a =?=（
04.22
2045tg K o
o
2
pi =+=）（
钢板桩均布荷载换算⼟⾼度0h ：m r q h 54.05.18/10/0===
(2)⽀撑层数及间距
施⼯前将坝顶⼟下降2⽶后，在进⾏施⼯，计算时不考虑2⽶⾼⼟层对钢板桩的影响。
按等弯矩布置确定各层⽀撑的间距,则拉森Ⅳ型钢板桩顶部悬臂端的最⼤允许跨度为：[]353
49
.05.182043
102006r W 6h ××××==a K δ=3001mm=3m
q=10KN/m
2
图1多层⽀撑受⼒简图h1=1.11h=1.11*3=3.3m h2=0.88h=0.88*3=2.6m h3=0.77h=0.77*3=2.3m
确定采⽤的布置为h0=3m,h1=3.3m。层数为2层。5.3⽀撑系统计算
(1)围檩
第⼀层围檩受⼒： 近似法计算m KN q /375.10523.3201.6209.3223209.329.41=×++×+=
第⼆层围檩受⼒： 近似法计算m KN q /991.1712
7
.2201.6278.7723.3201.6209.322=×++
×+= (2)撑杆
)(2
1
21l l q R k +=
式中1l 、2l —相邻两⽀撑间距。 第⼀层⽀撑：KN R 9.526)55(375.1052
1
1=+××=
第⼆层⽀撑：KN R 955.859)55(991.1712
1
2=+××=
5.4⼊⼟深度计算
钢板桩⼊⼟深度受两个因素的影响，⼀是竖向不产⽣管涌，⼆是基底⼟体横向不产⽣侧移。
①先以不产⽣管涌为控制条件 钢板桩⼊⼟深度见图 3.1，顶标⾼为+8m，基坑抽⽔后⽔头差为h1=8.04m，⼊⼟深度h2=x，最短的渗流途径如图2-2所⽰为h1+h2×2，不差⽣管涌的安全条件为b w r r i K ≤××
式中K 为安全系数取1.8 ⽔容重取3/10m KN r w =； ⼟的浮容重为
3/5.8105.18m KN r b =?=；
⽔⼒梯度)2(x H H i +÷=； 计算得m x 5.4≥满⾜要求，不会发⽣管涌。
②计算基底⼟体侧向的稳定性
