钢板支护桩在支护中的受力计算

钢板支护桩在支护中的受力计算

摘 要:在诸多的基础施工中,深基坑中采用钢板支护桩的工程较多,为了保证施工中的安全,往往要对钢板桩在支护中的受力情况进行精确计算,现笔者根据施工实际,对钢板支护桩在支护中的受力情况作简单的分析。

关键词:钢板支护桩 边坡 受力 验算

一、工程概况

玖龙纸业(天津)项目电厂及垃圾焚烧处理工程地下通廊为钢筋混凝土地下结构,其连接着电厂缝式煤槽与碎煤机房。通廊底板底部标高为▽-7.8,顶板顶面标高为▽-3.5,其总长度为39.3m,通廊宽度则为5.1m,由于通廊深度已超过5m,属深基坑工程,为了保证正常的施工工序及施工安全,需对基坑边坡进行必要的支护。

二、水文地质情况

根据天津市勘察院勘察报告,其埋深18m以上的地质报告如下:

1、埋深1.5m以上为粘土

2、埋深1.5～10m淤泥质粘土

3、埋深10m～15m以下淤泥质粉质粘土

三、边坡支护方案选用

由于在地下通廊施工之前,碎煤机房及缝式煤槽均已开工,使得留给地下通廊的施工场地较为狭小,为了合理利用施工空间,同时保证施工安全,经综合考虑后,决定选用钢板支护桩对通廊边坡进行支护。

为了增加钢板桩的稳定性,以及减少基坑两侧的自然土方对钢板桩的侧压力,同时有效地减少桩身长度,降低施工方案费用,对通廊表层土进行台阶式放坡卸载。考虑通廊顶部标高为▽-3.5m,其上部土方卸载高度定为3m。同时为保证钢板支护桩的整体受力均衡,在两侧钢板支护桩上部焊接围檩一道,以钢管对两侧支护桩进行对撑,以此来削减两边土方的产生压力。

四、支护桩的受力分析

1、根据天津市地质勘察报告,查得各层土方的粘聚力(C)及摩擦角(0)统计如下表:

根据地质报告可知,天津玖龙纸业施工区域地下水流不明显,静止水位埋深为

-1.6m,地下水属潜水类型,透水率很小,可视为不透水,故在钢板支护计算中不考虑水压力作用。

根据计算模型,取地下通廊深度-7.8m标高作为计算单元,其卸载土方高度3m后的有效深度为4.8m,根据地质报告,标高▽-10m以上为淤泥质粘土,标高▽-10m以下则为粉质粘土,在此假设钢板桩进入粉质粘土的深度为t。按悬臂式支护结构建立计算模型。(土方受力示意如下图)

土方主动土压力:

Ea=Ea1+Ea2=ea1×15+t(ea1+ea2)

ea1=t1γ1tg2(450-φ1/2)-2Ctg(450-φ1/2)

=10×18×tg2(450-18/2)-2×15×tg(450-18/2)

=108.9(kn/m2)

ea2=ea1+tγ2tg2(450-φ2/2)-2Ctg(450-φ2/2)

=108.9+t×18×tg2(450-25.6/2)-2×15×tg(450-25.6/2)

=90.03+11.3t(kn/m2)

式中:ea—主动土压力所处位置的最大压强

γ1—土的重度,查值为18kn/m3

C—土的粘聚力

t1—土质分界深度,取15m。

根据上式求的:Ea1=×108.9×10=544.5(kn/m)

Ea2=t(108.9+90.03+11.3t)=99.46t+7.3t2(kn/m)

土方被动土压力:

Ep=Ep1+Ep2=ep1×5.2+t(ep1+ep2)

ep1=t2γ1tg2(450+φ1/2)+2Ctg(450+φ1/2)

=5.2×18×tg2(450+18/2)+2×15×tg(450+15/2)

=170.1(kn/m2)

ep2=ep1+tγ2tg2(450+φ2/2)+2Ctg(450+φ2/2)

=170.1+t×18×tg2(450+25.6/2)+2×14×tg(450+25.6/2)

=214.34+28.44t(kn/m2)

式中:ep—被动土压力所处位置的最大压强

γ1—土的重度,查值为18kn/m3

C—土的粘聚力

根据上式求的:Ep1=×170.1×5.2=442.26(kn/m)

Ep2=×t×(170.1+214.34+28.44t)=192.2t+14.22t2(kn/m)

根据平衡公式∑Ea=∑Ep,将上面数据代入式中,可得下式:

544.5+99.46t+7.3t2=442.26+192.2t+14.22t2

整理得:

6.92t2+92.74t-102.24=0

即可求得:t=1.03m

钢板支护桩的最小锚固深度为:

t0=5.2+1.03=6.23m

取安全系数系数:K=1.1则:

t′=K×t0=1.1×6.23=6.853m

钢板支护桩总长:L=t′+H=6.853+4.8=11.65m

取长度L=12m。

2、钢板支护桩上部支撑反力的计算

由以上计算得知支护桩总长度L=12.0m,根据桩的平衡原理,此桩底处的弯矩M=0,建立模型:

即:MR+MEp=MEa

MEa=×12×Ea=×12××12×[12×18×tg2(450-25.6/2)-2×15×tg(450-25.6/2)]=2807.86

MEp=×7.2×Ep=×7.2××7.2×[7.2×18×tg2(450+25.6/2)+2×15×tg(450+25.6/2)]=2178.7

由R×12+2178.7=2807.86计算得出:R=52.43(kn/m)

3、钢板支护桩的选型、强度验算

在建筑施工中的常见的支护桩为工字钢Ⅰ32a,其特征数据查表得:

Wx=692cm3

建立计算模型:

ea=4.8×18×tg2(450-18/2)-2×15×tg2(450-18/2)=24.2(kn/m2)

单根桩承受的最大弯矩为:

Mmax=0.4×ql2/6=0.4×24.2×4.82/6=37.2(kn.m)

f=Mmax/Wy=(37.2×106kn·mm)/692×103mm3=53.8mpa≤205mpa(抗弯强度设计值)

由以上计算得知,工字钢Ⅰ32a能满足要求。

4.支护桩上部围檩及上部对撑验算

(1)围檩受力确定对撑间距

为了保证钢板支护桩形成整体,保证受力均匀,在支护桩上部焊接一道通长型钢围檩。

围檩选用H200型钢,其特征数据如下:

Wx=472cm3,Wy=160cm3,

假定桩间支撑间距为L,H200型钢承受的最大弯矩为:

Mmax=ql2/24=52.4×L2/24(kn·m)(两端按固定支座建立模型计算)

由Mmax/Wx≤f=205mpa(抗弯强度设计值)

52.4×106kn·mm×L2/(24×472×103mm3)≤205mpa(抗弯强度设计值)

得出:L=4.4m

取支撑间距为L=3m,则R=ql=52.4×3=157.2(kn)

(2)柱间对撑受力验算

柱间对撑材料选用钢管Φ160,其材料特征数据如下:

截面面积A=3.14×(d2-d12)/4=0.01㎡

回转半径I==0.49m

f=R/A=(157.2×103N)/(0.01×102mm2)=157.2mpa<325mpa(抗压强度设计值)

式中:d—钢管外径160mm

d1—钢管内径150mm

则强度满足要求。

长细比验算:

k=610cm/49cm=12.4<150(柱间支撑允许长细比)

由上可得:柱间支撑采用钢管Φ160的强度满足要求,支撑长细比满足要求。

五、结束语

现阶段深基坑工程较多,由于钢板支护桩经济、实用。在诸多的基坑边坡防护中运用广泛。规范、严密的支护验算,可以节约工程成本,同时缩短工程工期。因此,在钢板桩施工前对其进行受力分析意义就非常重大。

参考文献:

1.建筑施工手册(第三册),中国建筑工业出版社,1997

2.建筑施工计算手册,中国建筑工业出版社,2006

3.简明施工计算手册,中国建筑工业出版社,1999

4.地基与基础(第二版),中国建筑工业出版社,1993

5.结构力学,高等教育出版社,2005