污水管道深基坑钢板桩的计算

污水管道深基坑钢板桩选用中交四公局山水工程有限公司 王永强摘要：京津中关村科技城市政基础及其一期配套工程EPC总承包项目包含16条市政道路，其中主干路多有配套排水设施，而深基坑施工为危险性较大工程，经过对污水管道基坑施工的技术总结，为以后的同类基坑施工提供经验，提高工程质量质量和工作效率。 关键词：基坑 钢板桩 污水管道 排水一、工程概况西环北路规划为城市主干路，长1.939km，污水管铺设里程为K0+100K1+870，污水管道直径为DN400DN500mm，沟槽开挖深度最大4.9m。西环北路污水管道沟槽开挖深度不足5m，但地下水位较高，地层主要为耕植土/素填土（平均厚度1.08m）、粉质粘土/黏土（平均厚度：1.96m）、粉质粘土（平均厚度：3.01m）；沟槽开挖时根据实际地址情况，采用钢板桩防护。选取污水管道开挖最不利情况：段落桩号管道名称地面实测高程（m）沟槽底高程（m）高差（m）备注K0+100K1+280及其他地质不良段西环北路污水管道5.20.34.9二、钢支撑结构形式为了确保沟槽开挖及钢板桩安全可靠，钢板桩墙体支撑体系尤为重要。具体支撑及安装位置见9.3相关图纸，支撑结构材料如下：1）钢板桩支护墙体坡顶处采用300*300的H型钢围檩。在钢板桩竖向放出围檩安装位置，每隔3m焊接牛腿1个。2）钢板桩支撑体系采用内支撑，支撑体系采用325*6mm钢管，间距5m。三、参数信息1、钢板桩长9m，拉森钢板桩的主要性能参数见下表：钢板桩示意图及钢板桩围堰示意图见下图。钢板桩锁口2、地质参数1）土层分布情况：按照其形成年代、成因类型从上至下共分为8个岩土大层，按岩性特征及其物理力学指标可进一步划分为15个工程地质亚层。现对各工程地质层特征自上而下分述如下：1耕植土/素填土（Q4ml）：灰黄色，黄褐色，稍湿，可塑，土质不均，以粘性土为主，含较多植物根茎及砂颗粒。该层分布连续，在拆迁废区中多为素填土。层顶高程4.248.15m，平均高程5.78m，层厚0.202.60m，平均厚1.08m。粉质粘土/粘土（Q4al+pl）：黄褐色，可塑，土质均匀，切面光滑，局部夹姜石。该层分布连续，层顶高程2.976.03m，平均高程4.68m，层厚0.903.70m，平均厚1.96m，容重值：20KN/m3 ；内摩擦角值：22；粘聚力C=23KPa。粉质粘土（Q4al+pl）：灰黄色，饱和，可塑-软塑，局部流塑，粉粒含量较高。该层分布连续，层顶高程-2.144.51m，平均高程2.31m，层厚1.006.10m，平均厚3.01m，容重值：20KN/m3；内摩擦角值：22；粘聚力C=23KPa。粉土/粉砂（Q4al+pl）：灰黄色，饱和，该层分布不连续，层薄，多为夹层，仅部分钻孔揭露。层顶高程0.35m2.33m，平均高程1.31m，层厚0.301.20m，平均厚0.72m，容重值：21KN/m3；内摩擦角值：30；粘聚力C=10KPa。粉土（Q4al+pl）：灰色，灰黄色，湿，稍密-中密，土质不均，切面粗糙。该层分布不连续，层顶高程-2.82m3.52m，平均高程-0.15m，层厚0.603.70m，平均厚1.63m。容重值：20KN/m3；内摩擦角值：30；粘聚力C=10KPa。1淤泥质粘土（Q4al+pl）：灰色，饱和，流塑，土质均匀，切面光滑，夹粉土薄层。该层仅BZ9号孔揭露，层顶高程-0.69m，层厚1.50m。容重值：16KN/m3；内摩擦角值：8.37；粘聚力C=5.25KPa。经各层土加权平均，土的密度=1.89（g/cm3），粘聚力c=15KPa，内摩擦角=20。3、荷载参数沟槽顶边1.2m外有土方、材料等堆放以及机械因素，综合考虑荷载q=20KPa。四、钢板桩插入深度1、地面荷载q=20 KPa。2、沟槽开挖深度本工程沟槽开挖深度4.9m。3、主动土压力系数Ka =tan（45-20/2）=0.49，0.7；按市政工程施工计算实用手册（以下计算公式均来自本手册）式（37-36）计算被动土压力系数，=2/3，被动土压力内摩擦角取1.3系数（土的内摩擦角可酌情调整，在密集群桩深度范围内，乘以1.21.4），=1.3=26；=2/3=13.34；Kp= tan（45+20/2）=2.041）根据朗金土压力理论：最大主动土压力强度式1；最大被动土压力强度式2； 沟槽开挖深度； 钢板桩入土深度；2）最大主动土压力式3；式4；式5；取支撑点；得式6；其中为内支撑距钢板桩顶面距离，根据现场实际情况，本工程取=0m。3）支撑反力Ta根据平衡得支撑反力Ta=Ea+Eq-Ep式7；2、浅埋单层支点桩墙顶端支撑法计算最大主动土压力强度=18.9*（4.9+x）*0.49-21 =9.26（4.9+x）-21 KPa最大被动土压力强度=38.56x+42.6 KPa即：；将以上公式代入式6，解一元三次方程得钢板桩入土深度=2.47m，施工时尚应乘以K=1.11.5，本工程取K=1.2，则钢板桩长=4.9+1.2*2.47=7.86m。施工时取9m长钢板桩即可。取钢板桩插入深度x=2.47 m，所以：=174.10KN/m；=72.23KN/m；=171.47KN/m；故TA=Ea+Eq-Ep=74.86KN/m=Ra；3、求最大弯矩Mmax和钢板桩选型最大弯矩发生于剪力为零处，设从桩顶往下y处剪力为零，则求得y=3.1mMmax=求得Mmax=139KNm即每延米桩体承受的最大弯矩为139KNm，发生于桩顶下3.1m处。根据求得的最大弯矩和板桩材料的容许应力（参见公路桥梁钢结构及木结构设计规范，一般取f=170200 N/mm2），即可选择板桩的截面、型号。最大应力计算值= M/W=/2270*1 =61.23 N/mm2200 N/mm2其中-钢板桩截面抵抗矩折减系数，当桩顶设有整体围檩时取=1，不设置时取=0.7；选择9m拉森 IV型钢板桩，入土深度3.6m，沟槽深度4.9m，露出地面0.5m。五、围檩、内支撑验算1）钢围檩拟采用300*300的H型钢，支撑体系采用325*6mm钢管，详见沟槽防护支撑布置图，首先施工钢板桩，围檩、内支撑等随开挖随施工。2）本次验算取內支撑的间距l=5m，简略计算如下图： 作用线荷载 q=TA=74.86kN/m；最大弯矩M=0.1ql2=0.1*74.86*52=187.15KNm；300*300的H型钢最大弯曲应力：满足强度要求；300*300的H型钢刚度：满足刚度要求。 3）内支撑强度验算：内支撑采用325*6mm钢管，单根的轴力为N=74.86*5=374.3KN.325钢管最大弯曲应力：其中截面抵抗矩A=（d外2-d内2）/4=6013mm2满足强度要求；六、沟槽底部隆起稳定性计算支撑式支挡结构，其嵌固深度应满足坑底隆起稳定性要求，抗隆起稳定性可按下列公式验算： 式中： D墙体插入深度 （m）； h0沟槽开挖深度（m）； q地面以上均布荷载（KPa）； c支护桩底处的地基土粘聚力（KPa） 1沟槽外地表至桩底，各土层天然重度的加权平均值（KN/m3）； 2沟槽里地表至桩底，各土层天然重度的加权平均值（KN/m3）； Ncp、Nqp地基极限承载力系数；用普朗特尔公式，Ncp、Nqp如下： j支护桩底处土的内摩擦角（0） KL抗隆起安全系数；考虑图中AB面上抗剪强度抵抗隆起作用未考虑，固安全系数KL可取低一些，要求KL1.11.2。计算隆起稳定性示意图查地勘报告有各土层物理力学指标：天然容重1=18.9（g/cm3），2=20.7（g/cm3）。支护墙底处土的内摩擦角值：22；粘聚力C=23KPa。钢板桩插粉土（Q4al+pl）即停止，地面超载q0=20KN/m2。 代入以上各项数据有求得Nqp=7.83=16.91沟槽开挖深度为h0=4.9m，插入土深度D= 3.6m。经以上计算钢板满足坑底隆起稳定性要求。结语：通过对西环北路污水管道基坑钢板桩施工的总结，避免同类错误在日后施工中发生，为以后的同类工程