深基坑钢板桩支护计算培训讲学.doc

1、工程简介越南沿海火力发电厂3期连接井位于电厂厂区内，距东边的煤灰堆场约100m，连接井最南侧距海边约30m40m。现根据施工需要，将连接井及部分陆域段钢管段设置成干施工区域，即将全部连接井及部分陆域钢管段区域逐层开挖成深基坑，然后在基坑进行施工工作。基层四周采用CDM桩或者钢板桩进行支护。干施工区域平面图如下所示图1.1干施工区域平面图图1.2 基坑支护典型断面图（供参考）2、设计资料1、钢板桩桩顶高程为+3.3m；2、地面标高为+2.5m，开挖面标高-5.9m，开挖深度8.4m，钢板桩底标高-14.7m。3、坑内外土体的天然容重为16.5KN/m2，内摩擦角为=8.5度，粘聚力c=10KPa；4、地面超载q：按20 KN/m2考虑；5、钢板桩暂设拉森400170 U型钢板桩，W=2270cm3，=200MPa，桩长18m。3内力计算3.1支撑层数及间距按等弯矩布置确定各层支撑的间距，则钢板桩顶部悬臂端的最大允许跨度为：h1=1.11h=1.112.603m=2.89mh2=0.88h=0.882.603m=2.29m根据现场施工需要和工程经济性，确定采用两层支撑，第一层h=1.2m，支撑标高+1.3m；第二层支撑h1=2m，支撑标高-0.7m。3.2作用在钢板桩上的土压力强度及压力分布主动土压力系数 Ka=tan(45-/2)= tan(45-8.5/2)= 0.742被动土压力系数 Kp=tan(45+/2)=tan2(45+8.5/2)=1.347工况一：安装第一层支撑后，基坑内土体开挖至-0.7m（第二层支撑标高）。1、主动土压力：z=0m Pa=200.742+16.500.742=14.84KN/m2z=3.2m（地面到基坑底距离)） Pa=200.742+16.53.20.742=54.02KN/m22、被动土压力：z=3.2m(地面到基坑底距离) Pp=16.5（3.2-3.2）1.347=0KN/m2z=17.2m(地面到钢板桩底距离) Pp=16.5（17.2-3.2）1.347=311.157KN/m23、计算反弯点位置：假定钢板桩上土压力为零的点为反弯点，则有：Pa=PpPa=200.742+16.5z0.742=Pp=16.5(z-3.2)1.347z=8. 61m4、等值梁法计算内力：钢板桩AD段简化为连续简支梁，用力矩分配法计算各支点和跨中的弯矩，从中求出最大弯矩Mmax，以验算钢板桩截面；并求出各支点反力Rb、Rd，Rb即为作用在第一层支撑上的荷载。图1.3等值梁计算图式求得：Rb=173.81KN/m；(即第一层围檁每米受力173.81KN/m)Rd=82.48KN/m；工况二：安装第二层支撑后，基坑开挖至-5.9m。1、主动土压力：z=0m Pa=200.742+16.500.742=14.84KN/m2z=8.4m Pa=200.742+16.58.40.742=117.7KN/m2z=17.2m Pa=200.742+16.517.20.742=225.4KN/m22、被动土压力：z=8.4m Pp=zKp=16.5(8.4-8.4)1.347=0KN/m2z=17.2m Pp=zKp=16.5(17.2-8.4)1.347=195.6KN/m2 3、计算反弯点：Pa=Pp假定钢板桩上土压力为零的点为反弯点，则有：Pa=PpPa=200.742+16.5z0.742=Pp=16.5(z-8.4)1.347求得：z=20.19 m 4、等值梁法计算内力钢板桩AE段简化为连续简支梁，用力矩分配法计算各支点和跨中的弯矩，从中求出最大弯矩Mmax，以验算钢板桩截面；并求出各支点反力Rb、Rc、Re，Rb、Rc即为作用在第一层、第二层支撑上的荷载。图1.3等值梁计算图式求得：Rb=-3286KN/m；Rc=4474.94KN/m；图1.4 钢板桩受力图3.3计算钢板桩最小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。按工况二考虑，以土体侧向稳定性来分析：最小入土深度t=1.1（y+x）=1.1（0+51.86）=57.046m实际入土深度8.8m57.046m，不满足规范要求。基坑底部土体会发生横向侧移。4、稳定性验算4.1抗倾覆稳定性验算1、从第二层支撑以下外侧主动土压力对支撑点的力矩：MQC=(54.02+225.4)142142/3=18255.442、内侧被动土压力对第二层支撑点的力矩：MRC=195.68.82(5.2+8.82/3)=9524.4163、抗倾覆稳定性安全系数KQ=MRC/MQC=19048.33218255.440.521.05不符合规范要求。4.2基底抗隆起稳定性分析：地基承载力系数：Nq=etgtg2(45+/2)= etg8.5tg2(45+8.5/2)=2.153Nc=(Nq-1)(tg)=(2.153-1)(tg8.5)=7.715抗隆起安全系数不满足要求，基坑底部土体会发生隆起。附录上述的计算都是遵循下述的公式1、土压力支护结构承受的土压力，与土层地质条件、地下水状况、支护结构构件的刚度亦即施工工况、方法、质量等因素密切相关。由于这些因素千变万化，十分复杂，因此难于计算土压力的准确值。目前国内、外常用的计算土压力方法仍以库仑公式或郎肯公式为基本计算公式。库仑公式和郎肯公式均为假设土体为极限平衡状态下的计算公式。1、主动土压力强度无粘性土粘性土式中：土的容重 c、分别为土的粘聚力、内摩擦角z计算点处土体深度Ka郎肯主动土压力系数2、被动土压力强度无粘性土粘性土式中：土的容重 c、分别为土的粘聚力、内摩擦角z计算点处土体深度Kp郎肯被动土压力系数2、多撑（多锚）式钢板桩计算2.1支撑（锚杆）的布置和计算支撑（锚杆）层数和间距的布置，影响着钢板桩、支撑、围檩的截面尺寸和支护结构的材料量，其布置方式有以下两种：1、等弯矩布置这种布置是将支撑布置成使钢板桩各跨度的最大弯矩相等，充分发挥钢板桩的抗弯强度，可使钢板桩材料用量最省，计算步骤为：根据工程的实际情况，估算一种型号的钢板桩，并查得或计算其截面模量W。根据其允许抵抗弯矩，计算板桩悬臂部分的最大允许跨度h。式中， 钢板桩抗弯强度设计值；W截面抗弯模量；钢板桩后土的重度Ka主动土压力系数；计算板桩下部各层支撑的跨度，把板桩视作一个承受三角形荷载的连续梁，各支点近似的假定为不转动，即把每跨看作两端固定，可按一般力学计算各支点最大弯矩都等于Mmax、Mmin时各跨的跨度，其值如图3.1.3-1所示。如果算出的支撑层数过多或过少，可重新选择钢板桩的型号，按以上步骤进行计算。图3.2.3-1 支撑的等间距布置2、等反力布置这种布置是使各层围檩和支撑所受的力都相等，使支撑系统简化。计算支撑的间距时，把板桩视作承受三角形荷载的连续梁，解之即得到各跨的跨度如图3.1.3-2所示：图3.2.3-2 支撑的等反力布置这样除顶部支撑压力为0.15P外，其他支撑承受的压力均为P，其值按下式计算：通常按第一跨的最大弯矩进行板桩截面的选择。2.2多撑（多锚）式钢板桩入土深度计算多撑（多锚）式钢板桩入土深度，可用盾恩近似法或等值梁法进行计算。1、盾恩近似法计算其计算步骤如下：绘出板桩上土压力的分布图，经简化后的土压力分布如图3.2.3-3所示。图3.2.3-3 多层支撑板桩计算简图假定作用在板桩FB段上的荷载FGNB。一半传至F点上，另一半由坑底土压力MBR承受。由图3.2.3-3几何关系可得：即: 式中：Ka、Kp、H、L5均为已知，解得x值即为入土深度。坑底被动土压力的合力P的作用点，在离基坑底2x/3处的W点，假定此W点即为板桩入土部分的固定点，所以板桩最下面一跨的跨度为：假定F、W两点皆为固定端，则可近似地按两端固定计算F点的弯矩。2、等值梁法计算其计算步骤同单撑（单锚）板桩：绘出土压力分布图，如图3.2.3-4；图3.2.3-4 等值梁法计算多层支撑板桩计算简图（a）土压力分布图；（b）等值梁；（c）入土深度计算简图计算板桩上土压力强度等于零点离开挖面的距离y值；按多跨连续梁AF，用力矩分配法计算各支点和跨中的弯矩，从中求出最大弯矩Mmax,以验算板桩截面，并可求出各支点反力RB、RC、RD、RF，即作用在支撑上的荷载。根据RF和墙前被动土压力对板桩底端O的力矩相等的原理可求得x值，而 t0=y+x所以板桩入土深度为：t=(1.11.2) t03稳定性验算3.1基坑底部土体的抗隆起稳定性验算包括以下内容：3.2.1.1板桩底地基承载力，按照下式计算：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式中：1坑外地表至板桩底，各土层天然重度的加权平均值；2坑内开挖面以下至板桩底，各土层天然重度的加权平均值；c桩底处地基土粘聚力；q基坑外地面荷载；h0基坑开挖深度；D板桩在基坑开挖面以下的桩入土深度；Nq、Nc地基承载力系数；桩底处地基土内摩擦角；Kwz围护墙底地基承载力安全系数，根据基坑重要性取值。一级基坑工程取2.5；二级基坑工程取2.0；三级基坑工程取1.7。备注：基坑工程根据其重要性分为以下三级：1、符合下列情况之一时，属一级基坑工程：支护结构作为主体结构的一部分时；基坑开挖深度大于、等于10米时；距基坑边两倍开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护时。2、除一级、三级以外的均属二级基坑工程；3、开挖深度小于7米，且周围环境无特别要求时，属三级基坑工程。图3.3.1-1 围护墙底地基承载力验算图式3.1基坑底部土体的抗隆起稳定性按照下式计算：式中：MRL抗隆起力矩； 围护墙底以上地基土各土层天然重度的加权平均值；D围护墙在基坑开挖面以下的入土深度；Ka主动土压力系数，取；c、滑裂面上地基土的粘聚力和内摩擦角的加权平均值；h0基坑开挖深度；1最下一道支撑面与基坑开挖面间的水平夹角；2以最下一道支撑点为圆心的滑裂面圆心角；q坑外地面荷载；MSL隆起弯矩，;KL抗隆起稳定性安全系数；一级基坑工程取2.5；二级基坑工程取2.0；三级基坑工程取1.7。图3.2.1-2 基坑底抗隆起计算简图3.2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：式中：ic临界水力坡度，坑底土体相对密度e坑底土体天然空隙比i渗流水力坡度，hw坑内外水头差；L最短渗流流线长度；Kg抗渗流安全系数，取1.52.0。基坑底土为砂性土、砂质粉土或粘性土与粉性土中有明显薄层粉砂夹层时取最大值。图3.3.2 基坑底土体渗流计算简图3.3抗倾覆稳定性验算钢板桩结构的抗倾覆稳定性，可按下式验算：式中：MRC抗倾覆力矩。取基坑开挖面以下钢板桩入土部分坑内侧压力，对最下一道支撑或锚定点的力矩。MQC倾覆力矩。取最下一道支撑或锚定点以下钢板桩坑外侧压力，对最下一道支撑或锚定点的力矩。KQ抗倾覆稳定性安全系数，一级基坑工程取1.20；二级基坑工程取1.10；三级基坑工程取1.05。图3.3.3 抗倾覆稳定计算图式3.4变形估算当基坑附近有建筑物和地下管线时，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：式中：k1修正系数，对于钢板桩k1=1.0；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3.4查得；图3.4 系数表