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83钢板桩支护在复杂地质小型深基坑中的受力分析郭永芳张微郭若男/中国水利水电第十四工程局有限公司【摘要】本文以漳河河道内小型深基坑支护为例，重点阐述河道内复杂地质条件下，钢板桩围堰结合内支撑支护结构的受力和构件验算，不同工况下最不利情况的计算，及全过程受力模拟分析，并对方案的可行性进行了检算。在工程实施过程中，动态优化施工方案，保证施工安全。【关键词】漳河深基坑钢板桩支护1二工程概况漳河大桥位于太行山高速公路邯郸段，在清漳河、浊漳河汇合口下游约2 0 0 m处跨越漳河。漳河桥面宽80200m，水深2 5 m，河道内地下水位埋深为3 m。漳河大桥跨冀、豫两省省界与太行山高速安阳段相接，分左右两幅。左幅中心桩号为K69十8 99.5 8 1，右幅中心桩号为K69十8 5 9.5 8 1，设计角度为90。桥位区地形起伏较大，岩层以元古界震旦系下统串岭沟组中风化砂岩为主，地表上覆第四系全新统冲洪积形成的卵石，偶见孤石，工程地质条件较复杂。河道内主墩承台尺寸为14.8mX9.3m，设计水位高程为十2 93.0 0 m，防洪水位高程为十2 94.2 3 0 m，承台底高程为十2 7 7.6 0 m，基坑底高程为十2 7 7.10 m，基坑最大挖深为17.13 m。本文主要对河道内左幅4号、右幅6 号承台深基坑支护结构进行受力分析和构件检算。2小型深基坑支护设计2.1主要设计思路施工时利用漳河枯水期先筑岛围堰，按防洪水位高程（2 94.2 3 m）十0.5 m为筑岛顶面高程，即2 94.7 3 m，筑岛顶面高程即为钢板桩顶高程。承台涉水深基坑采用拉森IV型钢板桩结合内支撑支护进行防护，竖向设置四道围支护，钢板桩埋人基坑底部不小于3 m。现场地层砂砾卵石粒径较大且下部为中风化砂岩，钢板桩无法直接打入，采用旋挖钻钻孔引孔打人的方法，成孔后及时回填黏土，试打钢板桩，若还无法打人则二次引孔。2.2钢板桩围堰设计钢板桩围堰平面尺寸为2 5.5 8 m18.8m（两个承台），四周工作面预留2 m，两承台间距为2.98 m（满足集水坑、人行钢直梯安装之需）。考虑到地下水位坑底渗水，用集水坑明排，集水坑断面尺寸为1m1m2.5m（宽X深X长）。2.3材料规格和参数（1）钢板桩为拉森IV型钢板桩，每米钢板桩截面特性为W=2270cm。（2）第一至第四道圈梁及内支撑规格为：2 145 B、2H588X 300、2 H 5 8 8 X 3 0 0、2 H 5 8 8 X 3 0 0(Q 2 3 5 B)、630X10(Q235B)。（3)垫层混凝土强度等级为C20。2.4钢材和钢板桩容许应力（1）Q 2 3 5 B钢材容许应力为：。=17 0 MPa，t=100MPa。（2）拉森IV型钢板桩容许应力为：=2 95 1.2 0.75=184.375（MPa），考虑受力情况，取18 5 MPa。2.5土的参数根据现场提供的地质资料，筑岛土及河床面以下覆盖层均采用卵石土。卵石土参数为：容重取2 0 kN/m，黏聚力c取0，内摩擦角取3 584地基与基础工程2.6支护结构型式第一至第四道圈梁及内支撑规格为：2 145 B、2H588X300、2 H 5 8 8 X 3 0 0、2 H 5 8 8 X 3 0 0（Q 2 3 5 B）、$63010（Q 2 3 5 B），钢板桩支护结构如图1所示。3钢板桩设计3.1计算工况根据围堰施工步骤，承台钢板桩围堰受力按以下施工工况进行受力分析。（1）工况一：钢板桩插打完毕后开挖至2 92.10 m高程，安装第一道圈梁，（2）工况二：第一道圈梁安装完成后，承台区基坑内边抽水边开挖至2 8 8.6 0 m高程，在干环境下安装第二道圈梁。（3）工况三：第二道圈梁安装完成后，承台区基坑内边抽水边开挖至2 8 5.10 m高程，在干环境下安装第三道圈梁。（4）工况四：第三道圈梁安装完成后，承台区基坑内边抽水边开挖至2 8 1.6 0 m高程，在干环境下安装第四道圈梁。（5）工况五：抽水，开挖至基底高程2 7 7.10 m，施工垫层混凝土。3.2计算方法及参数选择3.2.1计算参数选择施工过程中，钢板桩主要受到围堰外侧主动土压力、围堰内侧基坑底初始土反力以及水压力作用。此次计算按最不利情况考虑，采用ZKDQ37-7钻孔机钻孔揭示的地层情况进行围堰受力计算。钢板桩土压力及土层分布如图2 所示。A钢板桩支护A一A面图2558钢板桩顶（筑岛顶面）350350375408375350350高程2 94.7 3 mM588300型钢川2HM588300型10年一遇洪水位口A630098142294.23m钢管204630人行钢直梯2145BA630X102145B钢管支撑098500982HM588X300A630X102HM588X300型钢钢管支撑型钢098A630X10日08钢管支撑08812HM588X300A630X192HM588X300298型钢钢管支撑型钢承台顶+0.5日50承台A630基坑底钢管区封底混凝土集水坑集水坑拉森V型拉森IV型2HM588300型钢2HM588300型钢200钢板桩1480钢板桩200拉森IV型钢板桩1880一A(a）平面图(b）剖面图图1钢板桩支护结构图（单位：cm）乙+2 94.7 3 筑岛顶面又+2 94.7 3+293.00+292.60第一道圈梁卵石土（筑岛）设计水位C=0y=35y=10kN/m3又+2 90.0 0又2 8 9.10 第二道圈梁卵石土C=0-+285.60第三道圈梁=35y=10kN/m+284.0028.9kPa又+2 8 2.10 第四道圈梁主动土压力中风化砂岩+277.10基坑底又+2 7 2.6 0 围堰底209.6kPa水压力64.8kPa图2钢板桩土压力及土层分布85钢板桩支护在复杂地质小型深基坑中的受力分析3.2.2计算模型利用有限元软件建立单位宽度钢板桩围堰受力模型，其中钢板桩用梁单元模拟；基坑内土弹簧用封底混凝土约束，各道圈梁约束均用只受压节点的弹性支撑模拟；土压力、初始土反力及水压力均用梁单元荷载的形式加载到钢板桩上。其中土弹簧刚度计算方法为k,=m(一h)(1)式中弹簧刚度，N/m;m土的水平反力系数的比例系数，kN/m；之计算点距地面的深度，m；h计算工况下的基坑开挖深度，m。利用卵石土参数计算土弹簧m值为0.20-9+cm=(2)Ub式中m土的水平反力系数的比例系数，MN/m；C土的黏聚力，kPa;内摩擦角，（）；Ub挡土构件在坑底处的水平位移量，mm，当此处的水平位移不大于10 mm时，可取U.=10mm。X35*-35根据公式（2），弹簧刚度=1021(MN/m)。各工况钢板桩围堰模型如图3 所示。(a）工况一(b）工况二(c）工况三(d）工况四（e）工况五图3各工况钢板桩围堰模型型（单位：kN/m）3.3钢板桩强度、刚度及支撑反力计算根据上述计算模型，对不同工况进行计算，计算结果如下。（1）开挖至基底施工垫层前钢板桩围堰受力最大，经计算钢板桩所受最大弯曲应力为18 3 MPa，小于185MPa，满足要求。（2）钢板桩最大变形为5 8.9mm。（3）经计算，第一道圈梁最大反力为9 1kN/m，第二道圈梁最大反力为2 3 9kN/m，第三道圈梁最大反力为3 6 5 kN/m，第四道圈梁最大反力为42 6 kN/m。3.4内支撑计算3.4.1计算模型圈梁及钢管内支撑用梁单元模拟，内支撑与圈梁之间用铰接约束。圈梁所受反力以梁单元荷载形式加载。第一道、第二道、第三道与第四道圈梁结构相同，第四道圈梁受力较大。第四道圈梁内支撑计算模型如图4所示。3.4.2最不利工况下第四道圈梁内支撑计算（1）2 H M5 8 8 X 3 0 0 型钢圈梁计算。经计算，受力最不利位置所受最大轴力N=3664kN，此处最大弯矩M=424kNm，型钢自重为2.9 4kN/m，跨度l=3.5m，因自重产生的弯矩为3.6 kNm，圈梁为压弯构件，圈梁最大正应力为NMM,3664X103424X1063.6X106AWW3744277789203408769y153（MPa），o=17 0 MPa，15 3 MPa 17 0 MPa，满足要求。圈梁所受最大剪力为8 0 2 kN，型钢最大剪应力为802X103X4348240T64（MPa)，t=2287002336X24140MPa，6 4MPa 2 5 MPa，故取=nN入21.4X3664X103X14.220.987。元EA3.142X2.1X105X37442结构的压弯稳定性计算方法为3664X10311424X1063.6X1060.985X374421X0.98777789203408769156（MPa），15 6 MPa 17 0 MPa，满足要求。（2）$6 3 0 10 钢管支撑计算。经计算，$6 3 0 10钢管支撑所受最大轴力N=1455kN，钢管支撑自重为1.23kN/m，长度l=17，因自重产生的弯矩为M=1.23X17244（k Nm），内支撑为压弯构件，则内支8撑最大正应力为NM1455X10344X10689(MPa),o =AW194782971922170MPa，8 9 MPa 17 0 MPa，满足要求内支撑压弯稳定性计算方法为N1M(4)192Wm式中9 1轴压构件的折减系数，结构计算长度1=17000mm，回转半径i=220mm，长细比受弯容许应力折减系数，取1.0；1考虑弯矩应构件受压而增大的系数，nN入?1.4X1455X10X772元EA3.1422.1X10194780.70。因此，结构的压弯稳定性为1455103144X106126（MPa),0.71X194781X0.72971922o =17 0 MPa，12 6 MPa 17 0 MPa，满足要求。（3）刚度计算。经计算，最不利工况下第四道圈梁内支撑最大变形为9.45 9mm，满足要求，变形图如图5所示。经过检算，该基坑支护设计的强度、刚度（变形）及稳定均符合要求，能够保证基坑施工期间的安全。4基坑支护效果评价4.1水平位移监测结果分析在基坑各侧边中部、端部阳角位置各布设1个水平位移监测点，每个基坑布设水平位移监测点12 个，坑顶水平位移采用全站仪每天进行监测。基坑开挖使用期间累计最大水平位移为5.6 mm（图6），远低于预警值87钢板桩支护在复杂地质小型深基坑中的受力分析40mm，清满足施工要求。4.2基坑竖向位移监测结果分析在基坑各侧边中部、端部阳角位置各布设1个竖向位移监测点，每个基坑布设竖向位移监测点12 个，基坑竖向位移采用全站仪每天进行监测。基坑开挖使用期间累计最大竖向位移为5.7 mm（图7），远低于预警值30mm，满足施工要求。4.2433.7493.7372.975,2.703 1.646 1,232 0.000 1 232 1.646 2.703 2.975 3.7373.7494.243Top口4.4874.4876.0393.9441.7221.7223.944/6.0395.3885.388/6.4415.3042.2852.2855.3046.4418.275/6.7232.8762.8766.7238.275/8.1293.4813.4818.1299.4594.0954.0959.4598.9084.7124.7128.9089.47&8.0875.3335.3338.0879.4728.4077.3925.9565.9567.3928.4077.6147.6147.0896.5816.5817.0898.2798.2797.2857.2857.278.7.9967.4788.277.3878.1247.208.8.0807.2088.12473878.2777.478.7.9967.278图5第四道圈梁变形图（单位：mm）864-0-E1-O-E22E3+N1N2-N30+S1S 2一2S3W1*W2W3一62022-6-272022-6-282022-6-292022-6-302022-7-12022-7-22022-7-3监测日期（年-月-日）图6基坑水平位移累计位移结果图7654-0-E1-O-E23一E3-N12N2N31口-S1S2O0*S3W11*-W2W3-2-32022-6-272022-6-282022-6-292022-6-302022-7-12022-7-22022-7-3监测日期/（年-月一日）图7基坑竖向位移累计位移结果图88地基与基础工程5结语根据现场情况，结合有限元结构分析，对河道内小型深基坑钢板支护结构受力情况及构件强度进行了验算。验算结果表明，在河道内复杂地质条件下，钢板桩围堰结合内支撑支护形式能满足施工要求。同时需要指出的是，不同工程有不同的特点，在实际应用过程中必须结合工程的实际情况进行建模分析，动态优化施工方案，保证分析结果的可靠性和施工过程的安全性。参考文献1陈楚钢板桩复合混凝土环形结构支撑体系在基坑中的应用J安徽建筑，2 0 18，2 4（4)：17 6-17 8.2中华人民共和国住房和城乡建设部建筑基坑支护技术规程：JGJ1202012S .北京：中国建筑工业出版社，2 0 12.3黄忠铭基坑双排桩计算模型的探讨D广州：华南理工大学，2 0 16.4闫古龙厚砂层水中承台锁扣钢管桩围堰施工技术J铁道建筑技术，2 0 2 2（3)：10 8-111，147.5刘伯洋深基坑施工拉森钢板桩的受力分析J.施工技术，2 0 0 9（S1）：15 8-16 0.6李琦钢板桩支护在桥梁深基坑施工中的实践 J.四川建材，2 0 2 1，47（1)：6 2-6 3.7苗俊杰浅谈钢板桩围堰在跨河桥梁深基坑支护中受力分析J铁道建筑技术，2 0 14（12）：2 2-2 6.8张勇淮沐新河特大桥主墩承台钢板桩围堰桩长优化方案J城市建设理论研究（电子版），2 0 14（19）：203-204.