A05-某大橋橋墩基坑下部鋼板樁支護(hù)工程(鋼板樁,內(nèi)支撐)

1、某大橋橋墩基坑下部鋼板樁支護(hù)工程-鋼板樁，兩排內(nèi)支撐1 概 況某特大橋橋墩承臺為17m×12.8m ，厚5m 。承臺埋深為14.8m ，承臺及橋墩在施工期間將處于深基坑之中。基坑采用上部分級放坡開挖與下部鋼板樁支護(hù)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，采用明挖法施工，橋墩承臺底標(biāo)高20.46m ，地面高程34.6m ，基坑開口長53.87m ，開口寬51.79m ，挖深達(dá)14.8m ?；酉虏坎扇′摪鍢吨北谑街ёo(hù)開挖施工，直壁開挖深度為7.1m ，直壁基坑為20.8m×16.8m 。承臺邊軸線外加2.0米作為施工作業(yè)面和挖排水溝用。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用400mm 拉森鋼板樁和工字鋼支撐體系，鋼支撐采用

2、I40a 工字鋼，支撐水平間距5.675m ，設(shè)2道，另在施工過程中設(shè)置一道臨時支撐。同時為保證基坑降水，在高程27.46m 開挖平臺設(shè)置水井，以減水基坑承壓水。工程地質(zhì)條件較差，周邊無臨近大型建筑物和地下管網(wǎng)，但與灌溉溝渠、高壓鐵塔毗鄰。場區(qū)外圍存在的溝渠水系的水滲入補(bǔ)給，地下水較為豐富，故本基坑工程重要性等級為二級，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性系數(shù)0=1.0?；又ёo(hù)總平面布置見圖1。土層分層計算土壓力，粘性土和粉土采用總應(yīng)力法，即水土合算，強(qiáng)度指標(biāo)采用快剪試驗指標(biāo)；對中、粗砂、碎石土，則應(yīng)采用水土分算。各土層已知條件：（1）第一層土：人工填土，厚1.97m ，內(nèi)摩擦角7=，粘聚力8kP a c

3、 =；（2）第二層土：粘土，厚3.5m ，內(nèi)摩擦角14=，粘聚力25kP a c =；（3）第三層土：粉土，厚4.5m ，內(nèi)摩擦角22=，粘聚力12kPa c =；（4）第四層土：砂土，粉土以下都是砂土，內(nèi)摩擦角32=，粘聚力0kP a c =。土的天然重度取319kN/m 。地下水位在地面下0.25.5處。鋼板樁樁頂在地面下7.64m 處。樁頂上部放坡兩級，坡比為1:1.5，坡高3.82m ，第一級放坡（坡中）的馬道寬1.0m ，第二級放坡的馬道寬4.0m 。結(jié)合現(xiàn)場現(xiàn)有材料，擬采用國產(chǎn)拉森SP-IV 鋼板樁，其技術(shù)指標(biāo)為：單根鋼板樁寬400m m B =，高170mm H =，厚t =，截

4、面積296.99cm A =，單根鋼板樁每米的重量76.1kg ，每延米墻身需采用鋼板樁2.5根(反向扣接 ，每延米墻身每米的重量190kg ，每延米墻身鋼板樁慣性矩438600cmx I =，每延米的截面模量(抵抗矩 32270cm x W =，取鋼板樁的允許拉應(yīng)力180M P a =，允許剪應(yīng)力80M Pa=。鋼板樁長15m 。由于鋼板樁剛度較小，需加強(qiáng)內(nèi)支撐。擬設(shè)置兩道水平鋼支撐，分別在距樁頂1.5m 、7.18m 處設(shè)置，不設(shè)豎向支撐，施工時還需設(shè)置一道臨時支撐。水平鋼支撐采用I40a 型工字鋼，沿鋼板樁內(nèi)壁設(shè)置長方形圍檁，并在四角設(shè)置加強(qiáng)斜撐?？紤]施工堆載，假設(shè)基坑頂部(地面 作用有

5、無限均布荷載2110kN /m q =；在樁頂平臺距 圖1-2橋墩基坑施工剖面圖2 設(shè)計計算1）工況一假設(shè)先開挖樁頂?shù)谝粚?，設(shè)置第一道鋼支撐于樁頂下1.5m 處，再一次開挖到坑底。先計算土壓力(水平荷載及水平抗力 ，繪制鋼板樁的彎矩圖和剪力圖，求內(nèi)支撐的支撐軸力，進(jìn)而驗算鋼板樁的抗彎矩抗剪能力，驗算內(nèi)支撐的支撐能力，判斷鋼板樁的最大彎矩、剪力、內(nèi)支撐的支撐軸力是否均在其允許范圍以內(nèi)。其次，還應(yīng)驗算鋼板樁的變形和位移是否在允許范圍以內(nèi)。2m 1425kPac =，2212k P ac =，320kPac =，78kPac =工填土，圖2 基坑示意圖（長度單位：m ）依據(jù)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JG

6、J 12099）第3.43.5節(jié)，計算土壓力(水平荷載及水平抗力 分布。土壓力由四部分組成：(1樁頂平臺以下土自重引起；(2局部荷載（汽車荷載）2280kN /m q =引起；(3樁頂平臺以上土自重引起；(4均布荷載2110kN /m q =引起。假設(shè)坑內(nèi)水位已降至坑底以下0.5m ，坑外水位也已降至樁頂平臺高程，計算可得土壓力分布如圖3所示。其中E 點(diǎn)為彎矩零點(diǎn)，其位置由主動土壓力強(qiáng)度與被動土壓力強(qiáng)度相等計算得出。 計算可得支撐承受的軸力為：T =301.42 kN該數(shù)值為每延米長度范圍內(nèi)承受的支撐力。當(dāng)確定了支撐點(diǎn)的水平間距，則所需的支撐軸力為該值與支撐水平間距的乘積。鋼板樁的允許應(yīng)力為1

7、80M Pa =，則每延米鋼板樁的允許彎矩為：36408.6kN mM W -=。 圖3 工況一土壓力分布圖（長度單位：m ） 圖4 工況一彎矩分布示意圖（彎矩單位：kN·m ，長度單位：m ）由圖4可知，最大彎矩在樁頂下6.16.3m 處的位置，且其值大于856.0 kN·m 。由于鋼板樁的允許彎矩為408.6kN m M =，小于鋼板樁受到的最大彎矩，故工況一不安全。由圖5可知，最大剪力在標(biāo)高-9.14m(樁頂下1.5m 處的位置，為294.0 kN。 若不能保證始終使坑內(nèi)外的水位差小于2 m，則建議采用雙排鋼板樁。 2）工況二假設(shè)先開挖樁頂?shù)谝粚樱O(shè)置第一道鋼支撐于樁

8、頂下1.7m 處(樁承臺頂面不允許鋼支撐再下移 ，再一次開挖到坑底。此時土壓力分布及土壓力零點(diǎn)的位置保持不變。支撐的軸力為：T (1.7m=307.78 kN支撐作用點(diǎn)到零點(diǎn)的距離：(1.7 7.11.73.99.3T m h m =-+= 該軸力為每延米距離上所需的支撐軸力。 F圖5 工況一剪力分布示意圖（剪力單位：kN ，長度單位：m ）工況二鋼板樁承受的彎矩和剪力如圖6所示： 圖6 工況二鋼板樁彎矩和剪力分布圖（長度單位：m ）最大彎矩-825.1 kN·m 的位置為標(biāo)高-14.2m ，最大剪力296.8kN 的位置為標(biāo)高-9.3m ，剪力264.1kN 的位置為-18.9m

9、?？梢?，作用在鋼板樁上每延米的最大彎矩在825.1kN·m 以上，大于每延米鋼板樁的允許彎矩408.6kN m M =，故此種工況也不安全。3）工況三工況三是對基坑內(nèi)外采用深井降水，假設(shè)坑內(nèi)水位已降至坑底以下0.5m ，坑外水位也已降至坑底以上2.0m ，在樁頂下1.7m 處設(shè)置一道內(nèi)支撐，計算可得土壓力分布如圖7所示。 圖7工況三土壓力分布圖（長度單位：m ）計算所需支撐軸力：T =163.73 kN 該軸力為每延米長度上所需的支撐軸力。工況三鋼板樁彎矩和剪力分布圖（長度單位： ） 圖 8 工況三鋼板樁彎矩和剪力分布圖（長度單位：m） 最大彎矩-363.64 kN·m 的

10、位置為標(biāo)高-13.60m， 彎矩 333.09 kN·m 的位置為標(biāo)高-20.75m； 最大剪力 152.74kN 的位置為標(biāo)高-9.34m，剪力-146.97kN 的位置為-17.47m。 可見，最大彎矩 363.6kN·m 作用在鋼板樁樁頂下 5.56m 范圍內(nèi)，其值小于鋼板樁的允 許彎矩 M = 408.6 kN m 。 零點(diǎn)以上每延米鋼板樁承受的最大剪力為 152.74 kN。 零點(diǎn) E 處彎矩為零，水平力 R0 為： R0 = 主動側(cè)土壓力 支撐力 = 148.62 kN 每延米鋼板樁的允許剪力： Q=Aw，Aw 近似為腹板的面積 Aw = 2.5t (2 H 2

11、t = 5 × 1.55 × (17 1.55 = 120 cm 2 Q = Aw = 80 × 120 ×10 1 = 960 kN 可見，鋼板樁承受的最大剪力小于鋼板樁的允許剪力(Q = 960 kN 。 下面計算所需鋼板樁的長度。設(shè)零點(diǎn)以下 x 處的彎矩為零。 1 138.68 x 有： × ( × x × x × = R0 × x 2 5.2 3 解得： x = 5.78m 鋼板樁的計算樁長為： l0 = 7.1 + 2.7 + 5.78 = 15.58 m 鋼板樁的設(shè)計樁長為： L = 1.1&

12、#215; 15.58 = 17.14 m 故鋼板樁樁長應(yīng)不小于 17.14m。 由于采用的鋼板樁型號為國產(chǎn)拉森 SP-IV，此種型號的鋼板樁樁長為 15m，故工況三 的下部也不安全。應(yīng)設(shè)置第二道內(nèi)支撐。 可按原方案設(shè)兩道內(nèi)支撐，在樁頂下 1.51.7m 處設(shè)置一道內(nèi)支撐，在坑底設(shè)置第二 道內(nèi)支撐，兩道內(nèi)支撐水平間距 5.45.6m，另在施工過程中設(shè)置一道臨時支撐。(應(yīng)進(jìn)一 步計算兩道內(nèi)支撐的支撐力及抗彎、抗剪、設(shè)計樁長等。 35 3 基坑支撐計算 基坑支撐 (1 第 1 道圈梁 根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)有材料，擬采用“熱軋普通工字鋼 I40a”圈梁。I40a 的截面特性：截面高 h=40cm，寬 b=14

13、.2cm，tw=1.05cm，面積 A=86.07 cm2，每米重量 67.56kg/m，截面慣性矩 Ix=21710cm4，截面模量 Wx=1086cm3，半截面面積矩 Sx=631.2 cm3，Ix:Sx=34.1，截面回轉(zhuǎn)半 徑 15.88cm，取允許拉應(yīng)力=145MPa，允許剪應(yīng)力=80 MPa。單根 I40a 的允許值： M = × W = 145 × 1086 × 10 3 = 157.5 kN m Q = Aw = 80 × 39 × 101 = 312 kN 或 Q = Ix t = 80 × 34.1× 1

14、.05 × 101 = 287 kN Sx 實際作用于第 1 道圈梁上的均布荷載為 163.7 kN/m， 圈梁長 20 m(或 16 m， 若每隔 5 m 設(shè)內(nèi)支撐，兩端支撐力 328 kN，中間 4 個支撐力各 655 kN，圈梁受的最大剪應(yīng)力 328 kN， 稍大于 Q = 312 kN 。 圖 9 第 1 道圈梁的受力分析圖 圈梁受的最大彎矩約為 300500 kN m ，遠(yuǎn)大于 M = 157.5 kN m 。 故所選圈梁不滿足受力要求。因此，應(yīng)大大加強(qiáng)圈梁的設(shè)置，加強(qiáng)鋼板樁的整體性。 建議在第一道支撐處采用相當(dāng)于 23 根 I40a 做圈梁。 (2 內(nèi)支撐 根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)有材

15、料，擬用 426*8mm 鋼管內(nèi)橫撐。并根據(jù)各主墩承臺尺寸、樁位，確 定橫撐位置。426*8mm 鋼管的截面特性 A=105cm2 ，I=22958.81cm4， W=1077.88cm3， i=14.78，取 =145MPa。 單根 426*8mm 鋼管的允許軸力值： N = A = 145 × 105 × 10 1 = 1522.5 kN 壓桿臨界力： N cr = 2 EI l2 = 3.14162 × 2 ×108 × 22958.81× 108 = 1770 kN 16 2 由于對撐鋼管跨度 l=16m 較大， 自重 q=0

16、.83kN/m 對結(jié)構(gòu)影響不可忽視， 應(yīng)按壓彎構(gòu)件 進(jìn)行驗算， 按兩端鉸接考慮， 長度系數(shù) µ=1。 =µl/i=1×16/0.148=108.1100， 則 查表得 =0.53 強(qiáng)度計算 cr=2E/2=3.142×206000/108.12=173.8MPa =N/A+M/xW=648×10/105+0.125×0.83×162×103/(1.15×1077.88 =61.7MPa +21.43 MPa =83.1MPa<cr 建議每隔 4-5 m 增設(shè)內(nèi)支撐(水平角撐或?qū)?。第一層與第二層內(nèi)支撐均應(yīng)加強(qiáng)。 36 4 主要結(jié)論 1 關(guān)鍵是對基坑內(nèi)外采用深井降水，坑內(nèi)水位應(yīng)降至坑底以下 0.5m，坑外水位應(yīng)降至 距坑底 2.0m 以下，否則土壓力將劇急增大，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)將失穩(wěn)。在基坑開挖期間，要不 停地降水，防御停電及暴雨，保證坑內(nèi)外的水位差不大于 2 m。(若不能保證，則建議采用 雙排鋼板樁。 2 采用工況三， 對基坑內(nèi)外采用深井降水， 并按原方案設(shè)兩道內(nèi)支撐， 在樁頂下 1.5 1.7m 處設(shè)置一道內(nèi)支撐，在坑底設(shè)置第二道內(nèi)支撐，