深基坑钢板桩支护计算

1、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22700匚口二:I f 1I 7询股曲典純05畑殖f寨卢/TT - :甘 1测:亦Db：価Eg, gML痒:总:I1J34ii图1.1干施工区域平面图i+ 4.50连接井+ 1.30-0.70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、

2、地面标咼为+2.5m，开挖面标咼-5.9m，开挖深度8.4m，钢板桩底标咼-14.7m。3、 坑内外土体的天然容重 丫为16.5KN/m2，内摩擦角为 88.5度，粘聚力c=10KPa；24、地面超载q：按20 KN/m 考虑；5、 钢板桩暂设拉森W 400X170 U型钢板桩，W=2270cm3,才=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:56 200 10227016.5 0.742:2603mm = 2.603mhi=l.llh=1.11 2603m=2.89mh2=0.88h=0.88 2<

3、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=tan2(45° - © /2)= tan2(45° -8.5° /2)= 0.742被动土压力系数 Kp=ta n2(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：Pa二qKa + YKa z

4、=0m2Pa=20X 0.742+16.5X 0X 0.742=14.84KN/m2z=3.2m （地面到基坑底距离）2Pa=20 X 0.742+16.5X 3.2 X 0.742=54.02KN/m22、被动土压力：Pp= YKp z=3.2m(地面到基坑底距离)2 Pp=16.5X( 3.2-3.2)X 1.347=0KN/m2 z=17.2m(地面到钢板桩底距离)2Pp=16.5X( 17.2-3.2)X 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=20X 0.742+16.5X zX 0.742=Pp=16.5X

5、(z-3.2) X 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：Pa=qKa + YKa z=0m2Pa=20X 0.742+16.5X 0X 0.742=14.84KN/m z=8.4mPp= 丫 zKp=16.5X (8

6、48.4)X 1.347=0KN/m z=17.2m Pp= 丫 zKp=16.5X (17.2-8.4)X 1.347=195.6KN/m23、计算反弯点：Pa=Po假定钢板桩上土压力为零的点为反弯点，则有：Pa=PpPa=20X 0.742+16.5X zX 0.742=Pp=16.5X (z-8.4) X 1.347求得：z=20.19 m z=8.4m2Pa=20X 0.742+16.5X 8.4X 0.742=117.7KN/m z=17.2m2Pa=20 X 0.742+16.5X 17.2X 0.742=225.4KN/m22、 被动土压力：Pp= YKp4、等值梁法计算内力钢板

7、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；ii _图1.4钢板桩受力图95.6KN3.3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, 体横向不产生侧移。是竖向不产生管涌，二是基底土按工况二考虑，以土体侧向稳定性来分析:X -6Rc:Y(Kp -Ka)I 6 汇 4474.94.16.5(1.347-0.742)=51.86m最小入土深度 t=1.

8、1 (y+x) =1.1 x(0+51.86) =57.046m实际入土深度8.8mv 57.046m，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:M qc=(54.02+225.4) 14 2X14 >2/3=18255.442、内侧被动土压力对第二层支撑点的力矩：Mrc=195.6 X.8-2X5.2+8.8 2/3)=9524.4163、抗倾覆稳定性安全系数Kq=M rc/M qc=19048.332- 18255.44" 0.52V 1.05不符合规范要求。4.2基底抗隆起稳定性分析：

9、地基承载力系数：Nq=e n tg "tg2(45+ © /2)= e n tg8.5tg2(45+8.5/2)=2.153Nc=(Nq-1)十(tg © )=(2.153-1)十(tg8.5)=7.715抗隆起安全系数KWZ丫2DNq CNc丫I（h。 D） q16.5 8.8 2153 10 7.715 =0.77x016.5 （8.4 8.& 20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

10、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Pa= YKa 粘性土Pa= YKa-2C Ka式中：丫 一- 的容重C一一别为土的粘聚力、内摩擦角z 计算点处土体深度Ka郎肯主动土压力系数2卄Ka =tg2（45 -）2、被动土压力强度无粘性土Pp= YK p粘性土式中：丫土的容重Pp= YKp+2c. KpC、一一别为土的粘聚力、内摩擦角z 计算点处土体深度Kp郎肯被动土压力系数Kp=tg2（45 石）2、多撑（多锚）式钢板桩计算2.1

11、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hoW 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=36伫式中，S 钢板桩抗弯强度设计值；W 截面抗弯模量；丫 冈板桩后土的重度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

12、按一般力学计算各 支点最大弯矩都等于 M max、M min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。h1=1. 11h日图323-1支撑的等间距布置kA A;LLTW2J芟鱼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:(n -1)P 0.15P =丄2YKaH2多撑（多锚）式钢板桩入

13、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323-3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FGN ' B '。一半传至F点上，另一半 由坑底土压力MB ' R'承受。由图3.2.3-3几何关系可得：1 1 22 Y<aH（L5 x- YKp-Ka）X2即：（Kp -Ka ）x - Ka Hx K HL二 0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

14、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：FW 士 2x3 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;(c)图323-4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 0的力矩相等的

15、原理可求得x值,而to=y+x所以板桩入土深度为：t=（1.11.2） to3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Kwz =Y2DN q+cNcY(h o+D)+q式中：Y坑外地表至板桩底，各土层天然重度的加权平均值；Y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；ho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；Nq=eng%2（45 号）nc=Nt1tg一一桩底处地基土内摩擦角；Kw

16、z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：Kl =M RLSL式中：Mrl抗隆起力矩；M RL 二RiKs

17、tg+R2tg +R3c _ . Yo, 、 1 f 2 ,. 1 f 3, 33 、R1=D(+qho)+ D qf( a-a+si n acosa-sin %cosa)- 9 (cos a-cos a)2231 211322R2= = D qf+ 口2-%-(sin2 a-sin2 a)- yD sin a cos a-sin acos a +2(cos a2 -cos a)2 232Ra=h oD+( a - aqf = Yo+qoY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Ka=tg2(45 -扌)C、一一滑裂面上地基土的粘聚

18、力和内摩擦角的加权平均值；ho基坑开挖深度；a最下一道支撑面与基坑开挖面间的水平夹角；a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，msl = 2(Yo+qo)D2;2Kl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1.73.2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：Kg =ici式中：ic临界水力坡度,icp_1"e 1P底土体相对密度e坑底土体天然空隙比i 渗流水力坡度，i=HLhw 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332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：M RCM QC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.