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第14章钢板桩支护结构设计与施工14.1概述钢板桩支护结构属板式支护结构之一，适用于地下工程施工因受场地等条件的限制，基坑或基槽不能采用放坡开挖、而必需进行垂直土方开挖及地下工程施工时采用。钢板桩支护结构在国内外的建筑、市政、港口、铁路等领域都有悠久的使用历史。14.1.1钢板桩钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧（或冷弯）型钢，靠锁口或钳口相互连接咬合，形成连续的钢板桩墙，用来挡土和挡水；具有高强、轻型、施工快捷、环保、美观、可循环利用等优点。钢板桩断面形式很多，英、法、德、美、日本、卢森堡、印度等国的钢铁集团都制定有各自的规格标准。常用的钢板桩截面形式有U型、Z型、直线型及组合型等，参见图14-1。bsthbhbstbU型Z型tbbbhyyCAZ型直线型图14-l常用钢板桩截面形式由于种种原因，以前我国国内生产钢板桩规格很少，仅鞍钢等少数钢厂生产过小规格的“拉森”式（U型）钢板桩，在沿海地区港口工程中多使用日本、卢森堡等国钢铁集团生产的钢板桩，而进口钢板桩的价格较高，这些因素都限制了在我国国内钢板桩的大规模应用。近年来随着国民经济的高速发展，国内各种建设项目钢板桩的用量逐年递增，钢板桩应用水平也在不断提高，带动了钢板桩行业的发展。为此在2007年，由中国钢铁工业协会牵头，制订了国内热轧U型钢板桩标准《热轧U型钢板桩（GB/T20933-2007）》，为大力推广国产钢板桩的生产和应用打下了良好的基础。近年来钢板桩朝着宽、深、薄的方向发展，使得钢板桩的效率（截面模量/重量之比率）不断提高，此外还可采用高强度钢材代替传统的低碳钢或是采用大截面模量的组合型钢板桩，这都极大地拓展了钢板桩的应用领域。14.1.2钢板桩支护结构钢板桩支护结构由打入土层中的钢板桩和必要的支撑或拉锚体系组成，以抵抗水、土压力并保持周围地层的稳定，确保地下工程施工的安全。从使用的角度可分为永久性结构和临时性结构两大类，永久性结构主要应用于码头、船坞坞壁、河道护岸、道路护坡等工程中；临时性结构则多用于高层建筑、桥梁、水利等工程的基础施工中，施工完成后钢板桩可拔除。本章中主要述及后者，重点介绍作为临时工程的钢板桩支护结构的设计和施工的要点。根据基坑开挖深度、水文地质条件、施工方法以及邻近建筑和管线分布等情况，钢板桩支护结构型式主要可分为悬臂板桩、单撑（单锚）板桩和多撑（多锚）板桩等，此外常见的围护（挡土、挡水）结构还有桩板式结构、双排或格型钢板桩围堰等。1．悬臂式结构悬臂式钢板桩挡墙无撑无锚，完全依靠板桩的结构强度和入土深度保持挡墙的稳定和整1体的安全。坑侧土体易于产生变形，围护结构的桩顶位移和弯矩值均较大。此外，该结构形式要求坑底及板桩底部土体有足够的强度以抵抗产生的反力，因此，在基坑底部被动区土体地质条件不良时，可考虑采用土体加固的方式以提高被动区土压力。2．单撑（单锚）及多撑（多锚）式结构单撑（单锚）式钢板桩支护结构由钢板桩围护体系和单道内支撑（或墙后锚拉结构）组成。内支撑可以采用钢筋砼支撑或钢支撑，墙后锚拉结构根据地基条件的不同可以采用锚杆或（钢或钢筋砼）拉杆连接锚桩（或锚碇墙）构成。单锚式钢板桩支护结构同一般的板式内支撑结构类似，但它属于无内支撑支护结构，后方须有足够的场地条件以设置锚拉结构。多撑（多锚）式钢板桩支护结构由钢板桩围护体系和多道内支撑（或墙后锚拉结构）组成。内支撑或锚拉结构的增多使得该结构形式可适用于较大开挖深度的基坑围护中。由于钢板桩间锁口相互咬合，锁口处止水技术的发展使得单撑或多撑式的钢板桩支护结构也可应用于临水的基坑工程中，临水基坑钢板桩支护结构是在水上施打钢板桩，钢板桩自身（或与陆域结构）形成封闭的的围护体系，并通过设置单道（或多道）钢（或钢筋砼）内支撑（或圆形环梁）形成的支护结构。3．桩板式支护结构桩板式支护结构是采用工字钢、钢管桩或箱型钢板桩等结合横档板构成，根据需要设内支撑体系或拉锚结构。该支护结构主要由钢桩承受土压力，由于不能挡水，只能用于能干施工的情况下。该结构形式曾常用于浅埋地下铁道、箱涵等施工中。4．其它钢板桩结构形式双排钢板桩围堰结构是将钢板桩围护结构呈两排打入地基中，顶部依靠（钢筋砼或钢）拉杆相连，内部填充砂土形成一定宽度的墙体。格型钢板桩围堰则是将直线型钢板桩打设成圆形或圆弧形，在其中间充填砂土以形成连续墙体。两者均可视为一种“自力式”的重力体，以钢板桩结构强度和内部填充物的自重和抗剪能力来抵抗外力。常用于水利基坑开挖的临时支护、码头岸壁结构或圈围造地的围护结构。14.2钢板桩支护结构的设计14.2.1钢板桩支护结构设计参考资料钢板桩支护属传统的板式支护结构之一，由于具有施工速率快、可重复利用等明显的优点，世界各国应用均较为广泛，也展开了较为全面的研究。世界大型的钢板桩制造商如ARCELORMITTAL、新日本制铁株社等有自行编制的钢板桩的设计施工手册，具有很好的借鉴意义。此外也可参照我国《建筑基坑支护技术规程JGJ120-99》、《板桩码头设计与施工规范JTJ292-98》、日本建筑学会《挡土墙设计施工准则》及《深基坑工程设计施工手册》、欧洲《EN1993-52003:Designofsteelstructures：Piling》、DINEN12063《Executionofspecialgeotechnicalwork-sheetpilingconstruction》、UnitedStatesSteel的《SteelSheetPilingDesignManual》、USArmyCorps《DesignofSheetPileWalls（EM1110-2-2504）》等规范或专著。14.2.2钢板桩支护结构的荷载作用1．水土压力如第四章所述，一般砂土地基采用水土分算，而黏土和粉土地基一般采用水土合算。支护结构承受的土压力，与土层地质条件、地下水状况、支护结构各构件的刚度以及施工工况、方法、质量等因素密切相关，且呈现出时空效应，由于这些因素千变万化，十分复杂，因此难于计算土压力的精确值，目前国内外常用的计算土压力方法仍以库仑公式或朗肯公式为基本计算公式。具体土压力模式及计算公式可参见第四章相关内容。库仑公式及郎肯公式均为假设土体为极限平衡状态下的计算公式，实测资料表明，围护结构变形和土压力的调整使得作用于基坑围护结构上的土压力往往处于非极限平衡状态，第四章给出了4种非极限平衡条件下土压力与墙体位移的函数模型，此外，在USArmyCorps《DesignofSheetPileWalls（EM1110-2-2504）》中提供了一种简化的函数模型，即假设极限平衡土压力间土压力与墙体位移呈线性关系。水土分算下水压力的计算根据具体情况可分别考虑按照三角形分布（考虑渗流）或梯形2分布（不考虑渗流）来进行计算，具体参见第四章中有关水压力计算的相关内容。2．水流力、波浪力临水基坑钢板桩结构一侧或多侧临水，围护结构可能承受水流力及周期性波浪作用力。而在潮汐河口或河流中，受潮汐作用影响，水压力将处于实时变动之中；此外，临水基坑可能一侧临水，一侧挡水土，本身两侧压力不均。因此，水上基坑钢板桩支护结构同陆上基坑有所不同，应考虑对基坑围护结构两侧压力不平衡所带来的影响。受潮汐影响的临水基坑，基坑外设计水位一般取设计高、低水位，25年一遇极端高、低水位（基坑使用周期较长，基坑破坏损失严重时可考虑使用50年一遇）进行校核计算。不受潮汐影响的基坑，其临水侧坑外设计水位按对应水体的设计高、低水位取值，并应考虑暴雨预降水位工况。当有防洪、防汛要求的基坑，坑外设计水位应按相应防洪、防汛要求选用。临水基坑钢板桩结构上的水流力可按下式进行计算：AVCFW22ρ=14-1（）式中：F——水流作用力（kN）；取基坑所处范围内可能出现的昀大平均流速；V——水流设计流速（m/s），Cw——水流阻力系数，根据表14-1取值；ρ——水的密度（t/m3），淡水取1.0，海水取1.025；m2）。用于水面下1/3水深水流阻力系数表14-1A——钢板桩围护结构与流向垂直平面上的投影面积（钢板桩迎水侧水流力可考虑采用倒三角形分布，即上式水流力作用点作处。长/宽1.01.52.0≤3.0矩形Cw1.501.451.301.10圆形0.73此外，若考虑临时基坑受斜向水流作用的影响，水流阻力系数应乘以影响系数m，m应按表受斜向水流作用的影响系数表14-2名称简图14-2取值：mα（o）051015圆端11.1311.37.0.25方形α（o）01020304510000.75.0.67.67.71钢板桩支护结构需考虑波浪作用时，设计波浪的重现期可取为25年一遇。由于波峰作用时，钢板桩结构受到波压力作用；而波谷作用时，钢板桩结构受到波吸力作用。因此，等参数的不同，波浪对钢板桩结构αα若应根据可能出现的不同工况，按昀不利的组合进行计算。根据波浪要素、基坑围护外形及尺度、钢板桩外侧水深的作用主要表现为波浪对直墙式建筑物的作用（图14-2）或波浪对斜坡式建筑物的作用。具体作用力的计算与波态、波要素、水深等因素有关，较为复杂，因篇幅有限，此处不再一一列出，可参照我国《海港水文规范（JTJ214-2000）》或美国《CoastalEngineeringManual（EM1110-2-1100）》中有关波浪力的计算内容。3p'd(a)波峰作用时（b）波谷作用时图14-2波浪对直墙式建筑物的作用3.其它作用力同其它支护形式的基坑一样，在基坑设计时还需要考虑施工车辆荷载及基坑周边的超载、建筑基础荷载等荷载。而临水基坑的钢板桩支护结构中，钢板桩除受波浪、水流荷载作用外，还可能出现其它环境荷载，特别是当钢板桩在水面以上的悬臂段较长时，风荷载成为不可忽略的因素，风荷载的可参照相关规范计算。上述支护结构计算所用的荷载计算理论或方法，虽经长期实践证明是可行的。但从安全、经济等因素综合评价，尚有不足之处。因为基坑土方开挖，钢板桩围护墙两侧土压和水压的平衡即被破坏，使钢板桩受力发生变形，圈梁支撑等相继承受作用力，随着土方向下继续开挖，变形不断发展，结构承受的作用力亦不断发生变化。因此，整个土方开挖及支护结构施工过程中，支护系统呈现复杂的受力状态。本节中上述各种荷载的计算方法没有反映出支护结构所承受的侧压力随基坑开挖而变化的实际状态。因此，有条件时昀好采用能动态反映支护结构受力的弹塑性法进行设计，相关内容可参见第6章，但计算中采用的有关参数，应尽可能地反映地层的实际情况，并结合实践经验进行反分析以综合判断。而临水基坑所受波浪水流力的计算亦可采用模型试验加以确定。14.2.3钢板桩支护结构的计算钢板桩支护结构的计算方法很多，包括古典的静力平衡法、等值梁法等，和解析求解的弹性法到弹性地基梁法（平面/空间）、连续介质数值计算方法等。弹性地基梁法（平面/空间）、连续介质数值计算方法等参见第6章相关内容，本章主要介绍古典计算方法。古典的静力平衡法、等值梁法均不考虑墙体及支撑变形，将土压力作为外力施加于支护结构，然后通过求解水平方向合力及支撑点弯矩为零的方程得到结构内力，虽然这些方法未考虑墙体变形及墙体与土的相互作用，但在工程界仍广泛运用，在国内外的板式支护结构、钢板桩结构的计算规范或手册中均有推荐。1.悬臂式钢板桩计算悬臂式钢板桩挡墙无撑无锚，完全依靠钢板桩的入土深度保持挡墙的稳定。一般用于开挖支护深度不大的基坑工程中。静力平衡法（自由支撑法）：悬臂式板桩的入土深度和昀大弯矩的计算通常按以下步骤进行（图14-3）。图14-3悬臂式板桩计算简图（1）通过试算确定板桩埋入深度，假定埋入深度为，然后将净主动土压力acd和净被动土压力def对e点取力矩，要求由def产生的抵抗力矩大于由acd所产生的倾覆力矩的2倍，即防倾覆的安全系数为2以上。1t1t4（2）确定实际所需深度t，将通过试算求得的增加15%，以确保钢板桩的稳定。1t（3）求入土深度处剪力为零的点g，通过试算求出g点，该点净主动土压力acd应等于净被动土压力dgh。2t（4）计算昀大弯矩，此值应等于acd和dgh绕g点的力矩之差值。（5）选择板桩截面，根据求