海相淤泥地质超大基坑钢板桩围堰受力分析

郑 涛 张 强

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

海相淤泥地质超大基坑钢板桩围堰受力分析

郑 涛 张 强

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

通过运用等值梁法等计算方法对连云港特殊海相淤泥地质条件下超大基坑钢板桩围堰做受力分析，介绍了其具体的内力计算，稳定性验算及钢板桩和支撑系统设计，为相关施工人员做同类计算提供了参考。

超大基坑，钢板桩围堰，土压力，抗隆起，抗倾覆，稳定性

1 工程简介

横五路蒿东河桥梁工程位于连云港徐圩新区XW-6单元横五路，跨越蒿东河，起点位于6号路路口，终点位于9号路路口，路线全长360 m。本阶段先实施中间两幅车行道。桥梁全长261.2 m，其中主桥为95 m上承式系杆拱桥，两侧引桥分别为6×13=78 m空心板梁。

为了抵抗拱桥的水平推力，拱脚之间设置预应力系杆，系杆与拱肋交于承台，通过承台两者实现力的传递。系杆标准断面为350 cm×140 cm的矩形断面，系杆设计底标高-3.5 m，顶面标高-2.1 m。系杆下每隔6 m设置1根45 m长D80钻孔灌注桩。

本工程地处海积平原，桥位区地质条件主要为淤泥地质。淤泥土体呈灰色、饱和、流塑，夹粉砂薄层。普遍分布。该土层顶埋深1.00 m～6.00 m、平均2.72 m；层顶标高-2.8 m～2.27 m、平均厚度0.67 m；厚度12.6 m～18.90 m，平均16.00 m。

为满足现场施工要求，主桥系杆钢板桩围堰设计尺寸为纵桥向72 m，横桥向30 m，钢板桩初步决定采用12 m长400 mm×170 mm U形钢板桩。系杆底层设置20 cm石子垫层和50 cm钢筋混凝土封底。

钢板桩立面布置图见图1。

2 设计资料

1)钢板桩桩顶高程为±0.0 m；2)地面标高为±0.0 m，开挖面标高-4.2 m，开挖深度4.2 m；3)坑内外土体的天然容重γ=16.2 kN/m2，内摩擦角为10°，粘聚力c=10 kPa；4)地面超载q：按20 kN/m2考虑；5)拟设置多层支撑，同层内每6 m设置一道；每道支撑下设置2根立柱，采用24 m长φ530钢管；6)400 mm×170 mm U形钢板桩，W=2 270 cm3，[δ]=200 MPa，桩长12 m。

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：

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 m，支撑标高-1.0 m；第二层支撑h1=2 m，支撑标高-3.0 m。

3.2 作用在钢板桩上的土压力强度及压力分布

工况一：安装第一层支撑后，基坑内土体开挖至-3.0 m。

1)主动土压力：Pa=qKa+γzKa。

z=0 m，Pa=20×0.704+16.2×0×0.704=14.08 kN/m2。

z=3 m，Pa=20×0.704+16.2×3×0.704=48.3 kN/m2。

z=12 m,Pa=20×0.704+16.2×12×0.704=150.94 kN/m2。

2)被动土压力：Pp=γzKp。

z=4.2 m，Pp=16.2×(3-3)×1.42=0 kN/m2。

z=12 m，Pp=16.2×(12-3)×1.42=207 kN/m2。

3)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=Pp：

Pa=20×0.704+16.2×z×0.704=Pp=16.2×(z-3)×14.2。

z=7.16 m。

土压力计算图见图2。

4)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。

等值梁计算图见图3，弯矩剪力图见图4。

求得：Rb=127.1 kN/m；Rd=67 kN/m；x=3.8 m时Mmax=151.7 kN/m3。

工况二：安装第二层支撑后，基坑开挖至-4.2 m。

1)主动土压力：Pa=qKa+γzKa。

z=0 m，Pa=20×0.704+16.2×0×0.704=14.08 kN/m2。

z=4.2 m，Pa=20×0.704+16.2×4.2×0.704=61.98 kN/m2。

z=12 m，Pa=20×0.704+16.2×12×0.704=150.94 kN/m2。

2)被动土压力：Pp=γzKp。

z=4.2 m，Pp=16.2×(4.2-4.2)×1.42=0 kN/m2。

z=12 m，Pp=16.2×(12-4.2)×1.42=179.43 kN/m2。

3)计算反弯点：Pa=Pp。

假定钢板桩上土压力为零的点为反弯点，则有：Pa=Pp。

Pa=20×0.704+16.2×z×0.704=Pp=16.2×(z-4.2)×1.42。

z=9.54 m。

土压力计算简图见图5。

4)等值梁法计算内力。钢板桩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。

等值梁计算图见图6，弯矩、剪力图见图7，图8。

求得：Rb=-25 kN/m；Rc=293.7 kN/m；Re=56.5 kN/m；x=3 m时,Mmax=164.7 kN/m3。

此时第一层支撑承受拉力，与现场实际工况不符，故假设第一层支撑受力为零，计算第二层支撑受力。

求得：Rc=261.1 kN/m；Re=64.2 kN/m；x=6.2 m时Mmax=142.3 kN/m3。

3.3 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，一是竖向不产生管涌，二是基底土体横向不产生侧移。

按工况二考虑，以土体侧向稳定性来分析：

最小入土深度t=1.1(y+x)=1.1×(5.76+5.34)=12.21 m。

实际入土深度7.8 m<12.21 m，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：

MQC=(48.3+150.94)×9×1/2×6=5 381.1。

2)内侧被动土压力对第二层支撑点的力矩：

MRC=179.43×7.8×(12-3-7.8/3)=8 957.1。

3)抗倾覆稳定性安全系数：

符合规范要求。

4.2 基底抗隆起稳定性分析

地基承载力系数：

抗隆起安全系数:

满足要求，基坑底部土体不会发生隆起。

5 钢板桩及支撑系统设计

5.1 支撑系统内力计算

1)围檩。按最不利工况考虑：第一层围檩受力：按工况一考虑：q1=Rb=127.1 kN/m；第二层围檩受力：按工况二考虑：q2=Rc=261.1 kN/m。

2)撑杆。撑杆按偏心受压构件计算其内力即可。第一层支撑受力：按工况一考虑：R1=q1×(L1+L2)×1/2=127.1×(6+6)×0.5=762.6 kN；第二层支撑受力：按工况二考虑：R2=q2×(L1+L2)×1/2=261.1×(6+6)×0.5=1 566.6 kN。

5.2 钢板桩设计

采用拉森型钢板桩，抗弯界面系数W=2 270 cm3，作用宽度400 mm，折减系数β=1，按工况二计算则：

满足要求。

5.3 围檩设计

两层围檩全部采用400 mm×400 mm×13 mm×21 mm双拼H型钢，单根抗弯界面系数W=3 340 cm3。

根据工况二，按简支梁计算，最大弯矩：

其中，q=Rc=261.1 kN/m。

作用宽度为0.8 m，则：

满足要求。

5.4 支撑设计

钢支撑选用φ609×16 mm钢管，单根支撑长度29.2 m，支撑下设置两道立柱，支撑可简化为三跨连续简支梁，跨度为6.85 m+15.5 m+6.85 m。

A=298.074 cm2，Ix=131 117.3 cm4，Wx=4 370.5 cm3。

查得折减系数φ=0.816。

自重弯矩：

满足要求。

5.5 立柱设计

采用φ530钢管，t=7 mm，支撑之间设置纵向连接系杆(32a槽钢)。桩端应进入持力层2 m，本工程为粉土层，插打深度自基坑顶部起24 m。

计算参数：

A=115.014 cm2；W=1 484 cm3；Ix=39 331.524 cm4。

按工况二考虑，计算第二层支撑以下钢立柱的截面承载力和稳定性分析：

1)钢立柱计算长度：

l0=1.2+5×0.53=3.85 m。

满足要求。

2)钢支撑及钢立柱自重产生的轴向力(未考虑立柱自重)：

Nzl=29.2×298.074×10-4×78.5=68.33 kN。

钢立柱所受轴向力：

Nz=68.33+0.1×1 566.6=224.93 kN。

3)考虑支撑轴力1/50对立柱产生的弯矩：

Mmax=1 566.6×0.02×3.85=120.63 kN·m。

4)钢立柱应力：

满足要求。

[1] 刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

On stress analysis of steel sheet pile cofferdam of super-large foundation pit with marine ooze geology

Zheng Tao Zhang Qiang

(No.3EngineeringCo.,LtdofNo.1BureauofCCCC,Beijing101102,China)

The paper undertakes the stress analysis of the super-large foundation pit steel sheet pile cofferdam under the special marine ooze geology in Lianyungang by adopting the equivalent beam method, introduces the calculation of its internal stress, stability, and steel sheet pile and support system design, so as to provide some reference for the similar calculation of construction personnel.

super-large foundation pit, steel sheet pile cofferdam, soil pressure, resistant heave, anti-dumping, stability

2015-04-26

郑 涛(1988- )，男，助理工程师； 张 强(1986- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)19-0175-03

U443.162

A