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深基坑防护设计
【内容摘要】：本文初步介绍了深基坑钢板桩支护设计，根据钢板桩的受力分析进行理论计算，确定钢板桩支护的安全性及稳定性，从而满足施工需要。
【关键词】：钢板桩 支护 设计
1、概述
随着铁路的不断发展，基础的承载力要求越来越高，为了满足要求承台尺寸相应的增大，基坑开挖的尺寸也不断增大，深基坑相应产生。深基坑的支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性，不合理的支护结构会对工程质量与生命财产造成严重威胁。
深基坑的防护方法很多，本文主要就钢板桩支护进行分析探讨。
2、计算内容及步骤
2.1、钢板桩的支撑布置与相关计算
2.1.1、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，其布置方式有等间距布置、等反力布置。本文仅介绍等间距布置，步骤如下：
2.1.1．1、 根据工程的实际情况，估选一种型号的钢板桩，并查得或计算其截面模量W 。
2.1.1．2、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 —板桩的抗弯强度的设计值；
—板桩墙后的土的重度；
—主动土压力系数。
2.1.1．3、根据表1确定各支撑跨度。
表1 各支撑跨度
支撑跨度
与h的比值

1.11

0.88

0.77

0.70

0.65

0.61

0.58

0.55
2.1.1．4 、如果算出的支撑层数过多或过少，可重新选择板桩的型号，按以上步骤进行计算。
2.2、入土深度计算
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。
2.2.1 、不产生管涌的条件为
式中 K—抗管涌安全系数，取2.0
—土的浮重度，
i—水力坡度，
x—钢板桩的入土深度
=水面到坑底的距离
2.2.2、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

图1 入土简图

式中 —水底至基坑底部的距离
求得x即为钢板桩入土深度。
综合两种情况，取x值
2.3、稳定性验算
2.3.1、基坑底部隆起验算
矩形沉井封底，按周边剪支支撑板的双向板计算，承受均布荷载时，跨中的弯矩M1，M2值，可按下式计算：

—跨中的最大弯矩；
P—静水压力形成的荷载（KN/m2）；
、—弯矩系数，按《简明施工计算手册》表3—33取用；
l1—矩形板的计算跨度（取小跨）（m）；
查表3—33得 、
，
封底砼的厚度计算，根据求得的弯矩按照下式计算：

式中 h—封底混凝土厚度（m）；
—安全系数，按抗拉强度计算的受压受弯构件为2.65；
M—板的最大弯矩（N·mm）；
b—板宽，一般取1000mm；
—混凝土抗拉强度设计值（MPa），C20混凝土取1.1N/mm2；
D—考虑水下砼可能与井底泥土掺混的增加厚度，一般取300～500mm；
由封底混凝土抗浮力验算可知，会不会发生隆起。
2.3.2、管涌验算
由入土深度计算中可知管涌是否发生。
2.4、构件设计
由结构计算求得钢板桩结构的最大弯矩后，可根据强度要求确定钢板桩的截面模量和钢板桩的材质，最终选择确定钢板桩型号。钢板桩的强度验算一般按下式进行：

式中 —钢板桩的计算应力
—最大弯矩值设计值或标准值
—截面模量
—轴向力
—截面面积
—钢板桩强度设计值或允许应力
3、工程实例
3.1、设计资料
钢板桩顶标高+20.256m，施工水位标高+18.213m，河床标高+15.313，承台底标高+10.795m，，，
主动土压力系数
被动土压力系数
Kp=tg2（45+）=4.928
3.2、内支撑层数及间距计算
按等弯距布置确定各层支撑的间距，根据拉森Ⅳ型钢板桩（W=2043cm3、[σ]=200MPa）能承受的最大弯距确定板桩顶悬臂端的最大允许跨度：
h1=1.11h=4.47m
h2=0.88h=3.57m
h3=0.77h=3.12m
根据具体情况，确定采用布置为h0=4m,h1=4m,层数为2层
3.3、支撑系统计算
第一层围檩受力：

第二层围檩受力：

式中：q：围檩承受的荷载；
H：围檩到钢板桩顶的距离；
：相邻两跨度值；
3.4、钢板桩入土深度计算
3.4.1、不产生管涌的条件为
K—抗管涌安全系数，取2.0
—土的浮重度，
i—水力梯度，
x—钢板桩的入土深度
=水面到坑底的距离，20.256-10.795=9.5m。
通过计算得出：x≥7.15m时不会发生管涌。
所以钢板桩的总长度至少为：9.5+7.15＝16.65m。选用20m长的钢板桩。
3.4.2、土体侧向稳定
—水底至基坑底部的距离，15.313-10.795=4.518m。
得出通过计算x=2.1m
综合两种情况，取x≥7.15m，采用20m长钢板桩
3.5、稳定性验算
3.5.1、基坑底部隆起验算
封底砼采用C20，设封底厚度为h，（根据《简明施工计算手册》P256），534#承台底标高为12.395m，承台外形尺寸为10.2×5×2m，抗浮的最小厚度取1m，（Ln=L-1）得知计算跨度L1、L2分别为8m、13.2m，施工水位为18.213m。
矩形沉井封底，按周边剪支支撑板的双向板计算，承受均布荷载时，跨中的弯矩M1，M2值，可按下式计算：
=58.18-14h

—跨中的最大弯矩；
P—静水压力形成的荷载（KN/m2）；
、—弯矩系数，按《简明施工计算手册》表3—33取用；
l1—矩形板的计算跨度（取小跨l1=8m）（m）；
由于l1/l2=0.606，查表3—33得 =0.086、=0.0379
=5.504·(58.18-14h)＞=2.4256·(58.18-14h)
封底砼的厚度计算，根据求得的弯矩按照下式计算：

式中
h—封底混凝土厚度（m）；
—安全系数，按抗拉强度计算的受压、受弯构件为2.65；
M—板的最大弯矩（N·mm）；
b—板宽，一般取1000mm；
—混凝土抗拉强度设计值（MPa），C20混凝土取1.1N/mm2；
D—考虑水下砼可能与井底泥土掺混的增加厚度，一般取300～500mm，这里取300mm；
得h=1.59m
取封底厚度为1.6m时不会发生隆起
3.5.2、管涌验算
由钢板桩入土深度计算可知不会产生管涌现象
3.6、围檩、支撑验算
第一、二层围檩选用I40a工字钢双排

，满足要求
两道支撑均采用φ426×10mm钢管，该钢管的截面惯性矩I=28287.3cm4，截面面积A=130.7cm2，其中A3钢的弹性模量E=206GPa，[σ]=140MPa,最大自由跨度为L=7.2m，杆件为双端铰接 μ=1.0。
， 长细比
[λ]—《路桥施工计算手册》P789中受压弦杆的容许最大长细比
第一道支撑杆件的稳定满足要求
按照压杆进行计算，

查“《路桥施工计算手册》P789”得纵向弯曲系数φ1=0.828

支撑杆件的抗压应力满足要求。
4.、结论
4.1、通过计算，钢板桩支护结构采用20m钢板桩、2层围檩、支撑，入土深度与稳定性验算满足要求。
4.2、板桩围护体系和多道内支撑组成的多撑式钢板桩支护结构强度高、施工速率快、可重复利用、能在深水中施工，必然是深基坑支护中广泛采用的结构。

【参考文献】
1、简明施工计算手册
2、路桥施工计算手册
3、建筑基坑支护技术规程JGJ120—9
4、简明深基坑工程设计施工手册
5、基坑工程手册