有关钢板桩在基坑支护工程中的应用__墨水学术,论文发表,发表论文
所属栏目：推荐论文发布时间：2011-02-25浏览量:133
副标题#e# 摘要：本文根据深基坑支护的工程实例，叙述了应用单层支点板桩墙的等值梁法的原理，计算钢板桩在深基坑支护工程中的设计验算方法。
关键词： 钢板桩 深基坑支护
１ 前言
区内的地质特点为表面的淤泥层较厚，部分深度达到15米。在工程的建设上，需改造深埋污水管，而在这些工程中，很少有提供地质资料作为深基坑支护计算。在该部分深基坑中，如何进行合理、有效的深基坑支护，并提供计算的理论依据，显得十分重要。本文结合工程的挡墙基坑支护，探讨钢板桩在基坑支护工程中的应用。
２ 工程概况
２.1 该工程管线改造工程挡墙是在原有上改造扩宽后建成，要求基坑挖深5米，宽11.4米，结构如下图1所示。
2.2 根据该工程的设计和实际情况，先将基坑两侧的土方降低1米，使得基坑开挖深度H为4米，以满足挖掘机能挖掘到河中间的土方。选用P200挖掘机，上部挖掘机荷载200KN。支撑位于墙顶处，间距4米。地质为可朔的淤泥质粘土，土体各层重力密度加权平均值r=18KN/m3,内摩擦角φ=8º,粘聚力c=14Kpa,土体相对密度ρ为2.5,天然孔隙比e为0.8。
3 设计验算
3.1 基本假定
当板桩墙的入土深度较大时，土体对入土部分的墙体起到了嵌固作用，此时支护墙体上端受到支撑的支承作用，下端受到土体的嵌固支承作用。并且假定反弯点位于土压力强度为零的那一点，计算采用单层支点板桩墙的等值梁法。主动土压力和被动土压力采用朗金理论计算。
板桩墙在土压力的作用下产生变形，因而使土与墙体之间产生相对位移，产生摩擦力。由于板桩变形时墙前的土体破坏棱体向上移动，而使墙体对土产生向下的摩擦力，从而使墙前的被动土压力有所增大；板桩墙变形时墙后的土体破坏棱体向下移动，使墙体对土体产生向上的摩擦力，从而使墙后的被动土压力和主动土压力有所减少。为此，在计算中考虑板桩墙与土体的摩擦作用。将墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数K和K＇。为了安全起见，一般对主动土压力不予以折减。
所以，作用在板桩墙上的被动土压力系数按下式计算：
板桩墙前：
板桩墙后：
被动土压力修正系数见下表1
等值梁法被动土压力修正系数 表1
土体内摩擦角φ 40° 35° 30° 25° 20° 15° 10°
K 2.3 2.0 1.8 1.7 1.6 1.4 1.2
K＇ 0.35 0.4 0.47 0.55 0.64 0.75 1.0
3.2 设计
3.2.1 计算作用于墙体上的土压力强度，并绘出土压力强度分布图2。
查表1得K=1.1
挖掘机的换算等代荷载为:
主动土压力系数：Ka=tg2(45-φ/2)=0.756 #p#副标题#e#
被动土压力系数：Kp=tg2(45+φ/2)=1.323
板桩墙前修改后的被动土压力系数：
3.2.2 根据D点板桩前的被动土压力等于板桩后的主动土压力,得
y=0.52 m
3.2.3按简支梁计算上部墙体，其受力简图如图3所示：
由∑MD=0,有：
TA*(3.5+0.52)=1/2*4.4*(0.756*18*4.4-2*14*0.756^1/2)*(4.4/3+0.52)+1/2*35.53*0.52*2/3*0.52
∴ TA=39.43 KN/m
Pd=1/2*35.53*(4.4+0.52)-TA =47.97 KN/m
最大弯矩发生于剪力为零处，设距墙顶x0处剪力为零，则：1/2*x0*(rx0Ka-2cKa^1/2)=TA
1/2*x0*(18*x0*0.756-2*14*0.756^1/2)=39.43
x0=3.46 m
∴Mmax=TA*(x0-0.9)-(rx0Ka-2cKa^1/2)*1/2*x0*1/3x0
=31.78*(3.46-0.9)-(18*3.46*0.756-28*0.756^0.5)*1/6*3.462=36.0 KN﹒m/m
故:支护墙体每延米的最大弯距为36.0KNm,支撑反力为39.43KN/m,假定支撑间距为4米,则每根支撑反力为157.72KN
3.2.4 根据Pd和墙前被动土压力对板桩底端C的力矩相等的原理得:
Pd*x=(Kp’*r*x+2c*Kp’^1/2)*x/2*x/3-(Ka*r*x-2c*Ka^1/2)*x/2*x/3
47 .97*6=(1.456*18*x+2*14*1.456^1/2)*x-(0.756*18*x-2*14*0.756^1/2)*x
x=2.20 m
∴t0=y+x=2.20+0.52=2.72 m
取安全系数K=1.2,得墙体入土深度为
t=K*t0=1.5*2.72=4.0 m
3.2.5 钢板桩选型
采用拉森Ⅲ钢板桩,钢板桩中心间距为80cm, W=1600*103mm3/m,〔f〕=170Mpa,取折减系数β=0.7,则
σmax=1.25*r0*2Mmax/βW=1.25*1.1*2*36.0*106/(0.7*1600*103)=88.40 Mpa<〔f〕=170Mpa
3.3 稳定性验算
取钢板桩长度为8米.
3.3.1 验算基底抗隆起稳定性
考虑到支护墙度D/H=1.0,因此采用计及墙体抵抗弯矩的圆弧滑动面抗隆起法(一)进行验算.
滑动力矩为
Ms=1/2(rH+q)D2=1/2*(18*4.4)*42=633.6 KNm/m
抗滑动力矩为
Mr=Ka*tgφ*((1/2*rH2+qH)*D+1/2*qfD2+2/3*r*D3))+tgφ*(3.14/4*qf*D2+4/3*r*D3)+c*(HD+3.14*D2)+Mh=0.756*tg8*((1/2*18*4.42*4+1/2*18*4.4*42+2/3*18*43))+tg8*(3.14/4*18*4.4*42+4/3*18*43)+14*(4.4*4+3.14*42)+0.7*170*1.6=1718.80 KNm/m
∴抗隆起安全系数为:
Ks=Mr/Ms=2.71 满足要求.
3.3.2 抗渗流或管涌验算
假定地下水位位于地面处,则坑底土体渗流水力坡度过 I=hw/L
其中 hw=4 m, L=hw+2D=4+2*4=12 m
则 I=4/12=0.333
而坑底土体临界水力坡度 ic=(ρ-1)/(1+e)
其中 ρ=2.5, e=0.8
则 ic=(2.5-1)/(1+0.8)=0.833
所以,抗渗流或管涌稳定性安全系数:
Ks=ic/i=0.833/0.333=2.5 满足抗渗流或管涌稳定性要求
3.3.3 抗倾覆稳定性验算
验算最下道支撑以下的主动、被动土压力绕最下道支撑点的转动力矩是否平衡,如图4.
被动土压力系数采用改进库仑公式的简化公式
Kp=cos2φ/(1-(sin(φ+δ)*sinφ/cosδ)0.5)2
=cos28/(1-(sin14*sin8/cos6#p#副标题#e#)0.5)2=1.473
Kph=cos2φ*cos2δ/(1-(sin(φ+δ))2
=cos28*cos26/(1-sin14)2=1.688
ep=∑rihi*Kp+2c*Kph0.5
=18*4*1.473+2*14*1.688^1/2=142.434 KN/m
抗倾覆力矩为
Mrc=ep*D/2*(3.5+D-D/3)
=142.434*4/2*(3.5+4-4/3)=1756.69 KNm/m
倾覆力矩为
Moc=(18*0.9*0.756-2*14*0.756^1/2)*7.5*7.5/2+(18*7.5*0.756-2*14*0.756^1/2)*7.5/2*2/3*7.5=1116.88 KNm/m
所以,抗倾覆稳定性安全系数:
KQ=Mrc/Moc=1.57 满足抗倾覆稳定性要求
3.4 支撑的强度验算
采用φ273*6的圆形钢管作为支撑,每4米设一根,每根长12米,支撑与围檩的接点按铰点计算,故
；
μl/r=12/0.094=128 查得 φ=0.418
压杆稳定性验算：
假定支撑偏心弯矩取最大计算,得: M=2*39.43*0.137=10.80 KNm
∴ σ=N/ψA+M/W=157.72*10^3/0.418*5.03*10-3+10.8*103/(329*10-6)
=107.83 Mpa<〔f〕=170Mpa
故满足强度要求.
3.5围檩挠度验算
ymax=5q*l4/(384EJ)=5*31.78*103*44/(384*2.1*1011*2700*10-8)=0.019 m
故围檩满足挠度要求.
4 结论
4.1 通过以上设计和验算，可知设计符合要求,挡墙基坑的支护结构如图5所示.
4.2 该工程应用上述的钢板桩支护方法，施工期间经历了二次台风暴雨，基坑没有出现塌方等现象，实践证明钢板桩应用于基坑支护工程是一种有效、可行的施工方法，值得推广应用。
参考文献：
[1] JGJ120-90，建筑基坑支护技术规程[S]．
[2] 赵志缙，应惠清．简明深基坑工程设计施工手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000．
[3] JTJ023-85，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]．
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