海相淤泥地質(zhì)超大基坑鋼板樁圍堰受力分析

鄭 濤 張 強(qiáng)

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

海相淤泥地質(zhì)超大基坑鋼板樁圍堰受力分析

鄭 濤 張 強(qiáng)

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

通過(guò)運(yùn)用等值梁法等計(jì)算方法對(duì)連云港特殊海相淤泥地質(zhì)條件下超大基坑鋼板樁圍堰做受力分析，介紹了其具體的內(nèi)力計(jì)算，穩(wěn)定性驗(yàn)算及鋼板樁和支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為相關(guān)施工人員做同類(lèi)計(jì)算提供了參考。

超大基坑，鋼板樁圍堰，土壓力，抗隆起，抗傾覆，穩(wěn)定性

1 工程簡(jiǎn)介

橫五路蒿東河橋梁工程位于連云港徐圩新區(qū)XW-6單元橫五路，跨越蒿東河，起點(diǎn)位于6號(hào)路路口，終點(diǎn)位于9號(hào)路路口，路線全長(zhǎng)360 m。本階段先實(shí)施中間兩幅車(chē)行道。橋梁全長(zhǎng)261.2 m，其中主橋?yàn)?5 m上承式系桿拱橋，兩側(cè)引橋分別為6×13=78 m空心板梁。

為了抵抗拱橋的水平推力，拱腳之間設(shè)置預(yù)應(yīng)力系桿，系桿與拱肋交于承臺(tái)，通過(guò)承臺(tái)兩者實(shí)現(xiàn)力的傳遞。系桿標(biāo)準(zhǔn)斷面為350 cm×140 cm的矩形斷面，系桿設(shè)計(jì)底標(biāo)高-3.5 m，頂面標(biāo)高-2.1 m。系桿下每隔6 m設(shè)置1根45 m長(zhǎng)D80鉆孔灌注樁。

本工程地處海積平原，橋位區(qū)地質(zhì)條件主要為淤泥地質(zhì)。淤泥土體呈灰色、飽和、流塑，夾粉砂薄層。普遍分布。該土層頂埋深1.00 m～6.00 m、平均2.72 m；層頂標(biāo)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。

為滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，主橋系桿鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)尺寸為縱橋向72 m，橫橋向30 m，鋼板樁初步?jīng)Q定采用12 m長(zhǎng)400 mm×170 mm U形鋼板樁。系桿底層設(shè)置20 cm石子墊層和50 cm鋼筋混凝土封底。

鋼板樁立面布置圖見(jiàn)圖1。

2 設(shè)計(jì)資料

1)鋼板樁樁頂高程為±0.0 m；2)地面標(biāo)高為±0.0 m，開(kāi)挖面標(biāo)高-4.2 m，開(kāi)挖深度4.2 m；3)坑內(nèi)外土體的天然容重γ=16.2 kN/m2，內(nèi)摩擦角為10°，粘聚力c=10 kPa；4)地面超載q：按20 kN/m2考慮；5)擬設(shè)置多層支撐，同層內(nèi)每6 m設(shè)置一道；每道支撐下設(shè)置2根立柱，采用24 m長(zhǎng)φ530鋼管；6)400 mm×170 mm U形鋼板樁，W=2 270 cm3，[δ]=200 MPa，樁長(zhǎng)12 m。

3 內(nèi)力計(jì)算

3.1 支撐層數(shù)及間距

按等彎矩布置確定各層支撐的間距，則鋼板樁頂部懸臂端的最大允許跨度為：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要和工程經(jīng)濟(jì)性，確定采用兩層支撐，第一層h=1 m，支撐標(biāo)高-1.0 m；第二層支撐h1=2 m，支撐標(biāo)高-3.0 m。

3.2 作用在鋼板樁上的土壓力強(qiáng)度及壓力分布

工況一：安裝第一層支撐后，基坑內(nèi)土體開(kāi)挖至-3.0 m。

1)主動(dòng)土壓力：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)被動(dòng)土壓力：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)計(jì)算反彎點(diǎn)位置：

假定鋼板樁上土壓力為零的點(diǎn)為反彎點(diǎn)，則有：Pa=Pp：

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

z=7.16 m。

土壓力計(jì)算圖見(jiàn)圖2。

4)等值梁法計(jì)算內(nèi)力：鋼板樁AD段簡(jiǎn)化為連續(xù)簡(jiǎn)支梁，用力矩分配法計(jì)算各支點(diǎn)和跨中的彎矩，從中求出最大彎矩Mmax，以驗(yàn)算鋼板樁截面；并求出各支點(diǎn)反力Rb，Rd，Rb即為作用在第一層支撐上的荷載。

等值梁計(jì)算圖見(jiàn)圖3，彎矩剪力圖見(jiàn)圖4。

求得：Rb=127.1 kN/m；Rd=67 kN/m；x=3.8 m時(shí)Mmax=151.7 kN/m3。

工況二：安裝第二層支撐后，基坑開(kāi)挖至-4.2 m。

1)主動(dòng)土壓力：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)被動(dòng)土壓力：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)計(jì)算反彎點(diǎn)：Pa=Pp。

假定鋼板樁上土壓力為零的點(diǎn)為反彎點(diǎn)，則有：Pa=Pp。

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

z=9.54 m。

土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

4)等值梁法計(jì)算內(nèi)力。鋼板樁AE段簡(jiǎn)化為連續(xù)簡(jiǎn)支梁，用力矩分配法計(jì)算各支點(diǎn)和跨中的彎矩，從中求出最大彎矩Mmax，以驗(yàn)算鋼板樁截面；并求出各支點(diǎn)反力Rb，Rc，Re，Rb，Rc即為作用在第一層、第二層支撐上的荷載。

等值梁計(jì)算圖見(jiàn)圖6，彎矩、剪力圖見(jiàn)圖7，圖8。

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

此時(shí)第一層支撐承受拉力，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況不符，故假設(shè)第一層支撐受力為零，計(jì)算第二層支撐受力。

求得：Rc=261.1 kN/m；Re=64.2 kN/m；x=6.2 m時(shí)Mmax=142.3 kN/m3。

3.3 計(jì)算鋼板樁最小入土深度

鋼板樁入土深度主要受兩個(gè)因素的影響，一是豎向不產(chǎn)生管涌，二是基底土體橫向不產(chǎn)生側(cè)移。

按工況二考慮，以土體側(cè)向穩(wěn)定性來(lái)分析：

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

實(shí)際入土深度7.8 m<12.21 m，不滿足規(guī)范要求。基坑底部土體會(huì)發(fā)生橫向側(cè)移。

4 穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.1 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

1)從第二層支撐以下外側(cè)主動(dòng)土壓力對(duì)支撐點(diǎn)的力矩：

MQC=(48.3+150.94)×9×1/2×6=5 381.1。

2)內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力對(duì)第二層支撐點(diǎn)的力矩：

MRC=179.43×7.8×(12-3-7.8/3)=8 957.1。

3)抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)：

符合規(guī)范要求。

4.2 基底抗隆起穩(wěn)定性分析

地基承載力系數(shù)：

抗隆起安全系數(shù):

滿足要求，基坑底部土體不會(huì)發(fā)生隆起。

5 鋼板樁及支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 支撐系統(tǒng)內(nèi)力計(jì)算

1)圍檁。按最不利工況考慮：第一層圍檁受力：按工況一考慮：q1=Rb=127.1 kN/m；第二層圍檁受力：按工況二考慮：q2=Rc=261.1 kN/m。

2)撐桿。撐桿按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算其內(nèi)力即可。第一層支撐受力：按工況一考慮：R1=q1×(L1+L2)×1/2=127.1×(6+6)×0.5=762.6 kN；第二層支撐受力：按工況二考慮：R2=q2×(L1+L2)×1/2=261.1×(6+6)×0.5=1 566.6 kN。

5.2 鋼板樁設(shè)計(jì)

采用拉森型鋼板樁，抗彎界面系數(shù)W=2 270 cm3，作用寬度400 mm，折減系數(shù)β=1，按工況二計(jì)算則：

滿足要求。

5.3 圍檁設(shè)計(jì)

兩層圍檁全部采用400 mm×400 mm×13 mm×21 mm雙拼H型鋼，單根抗彎界面系數(shù)W=3 340 cm3。

根據(jù)工況二，按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，最大彎矩：

其中，q=Rc=261.1 kN/m。

作用寬度為0.8 m，則：

滿足要求。

5.4 支撐設(shè)計(jì)

鋼支撐選用φ609×16 mm鋼管，單根支撐長(zhǎng)度29.2 m，支撐下設(shè)置兩道立柱，支撐可簡(jiǎn)化為三跨連續(xù)簡(jiǎn)支梁，跨度為6.85 m+15.5 m+6.85 m。

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

查得折減系數(shù)φ=0.816。

自重彎矩：

滿足要求。

5.5 立柱設(shè)計(jì)

采用φ530鋼管，t=7 mm，支撐之間設(shè)置縱向連接系桿(32a槽鋼)。樁端應(yīng)進(jìn)入持力層2 m，本工程為粉土層，插打深度自基坑頂部起24 m。

計(jì)算參數(shù)：

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

按工況二考慮，計(jì)算第二層支撐以下鋼立柱的截面承載力和穩(wěn)定性分析：

1)鋼立柱計(jì)算長(zhǎng)度：

l0=1.2+5×0.53=3.85 m。

滿足要求。

2)鋼支撐及鋼立柱自重產(chǎn)生的軸向力(未考慮立柱自重)：

Nzl=29.2×298.074×10-4×78.5=68.33 kN。

鋼立柱所受軸向力：

Nz=68.33+0.1×1 566.6=224.93 kN。

3)考慮支撐軸力1/50對(duì)立柱產(chǎn)生的彎矩：

Mmax=1 566.6×0.02×3.85=120.63 kN·m。

4)鋼立柱應(yīng)力：

滿足要求。

[1] 劉國(guó)彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[2] 劉鴻文.材料力學(xué)[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

鄭 濤(1988- )，男，助理工程師； 張 強(qiáng)(1986- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)19-0175-03

U443.162

A