基坑钢板桩支护设计检算培训课件

基坑钢板桩支护设计检算集团公司2013年12月1培训的原因及目的基坑是铁路、公路、水利、市政等各类工程施工中最为常见的临时工程。现场施工中常见基坑支护以经验为主，缺少系统的理论分析。以常见支护方法（钢板桩）设计计算为例，抛砖引玉，重视理论分析，提升方案科学性和合理性。各单位要系统总结常规基坑支护方法及其设计方法，提升临时结构设计对工程的快速响应。2课件主要内容一、基坑开挖分类二、基坑设计及计算要点三、钢板桩支护形式四、基本计算方法及应用五、工程案例详细计算3一、基坑开挖分类基坑开挖分类有支护开挖排桩钢筋混凝土桩型钢桩钢板桩连续墙水泥土墙（SMW工法桩）土钉墙双排桩无支护开挖（放坡开挖）4二、基坑设计及计算要点•工程用地红线，确定基坑的平面和立面范围。•基坑影响范围内岩土勘察（地下水、岩土性质、C、φ、γ等）。•基坑的用途及周边环境。•现有的设备、技术及相邻地段的施工经验。设计前准备工作•一级：1.1（深度大于10m，永临结合，临近重要建筑物）；•二级：1.0；三级：0.9。安全等级及重要性系数•承载能力极限状态（土体失稳、支护结构破坏、内撑/内锚失效，临时工程）•正常使用极限状态（变形、裂缝、振动等，永久工程）基坑的极限状态或控制标准•支护体系方案比选及选型•支护结构的强度及变形计算•基坑稳定性验算•围护墙的抗渗计算（永久工程）•地下水控制方案（抽水与否、降水与否、封底与否等）•挖土方案（挖土与支护、挖土机位置等）•监测方案及环境保护（测斜、水平位移、沉降）•应急措施及预案（深大基坑）设计和计算内容5三、钢板桩支护形式钢板桩支护支撑（锚）式（软土地层，优先支撑式）单撑（锚）多撑（锚）悬臂式（放坡开挖无场地，开挖深度不大4.0m，且无建筑物临近，控制基坑周边地层变形能力差）6四、基本计算方法及应用•地下水控制•挖土与支护•确定每种工艺或工序的最不利工况计算工况•土压力（水土合算；水土分算）•水压力（γh）•基坑周边建构筑物•施工荷载荷载•入土深度•基坑底抗隆起稳定性•抗承压水突涌稳定性•抗侧壁管涌基坑稳定性•钢板桩强度及刚度•内支撑强度及刚度•锚杆（索）独立设计支护结构7土压力锚杆板桩板桩变形板桩上土压力实测计算8•根据支护结构的位移情况和支护结构后土体所处的应力状态可以将土压力分为：静止土压力Eo主动土压力Ea被动土压力Ep土压力的类型9岩石10静止土压力:当支护结构静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对支护结构的压力称为静止土压力，一般用E0表示。主动土压力:当支护结构向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在支护结构上的土压力称为主动土压力，一般用Ea表示。被动土压力：当支护结构向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在支护结构上的土压力称为被动土压力，用Ep表示。基本假定土体是具有水平表面的半无限体，墙背竖直光滑，采用这样假定的目的是控制墙后单元体在水平和竖直方向的主应力方向。朗肯土压力理论11主动土压力强度B点：pa=0时，求得临界深度：单位长度上的总主动土压力为合力点位于处，水平向左23tan(45)2tan(45)222aaapzczKcK2BaaaphKcK02aczK,,chABEaz001()(2)2aaaEhzhKcK03hz221222aachKchK墙与土在很小的拉力作用下就会分离(一般情况下认为土不能承受拉应力)，故在计算土压力时，这部分应忽去不计。12主动土压力(砂土类，C=0)作用于支护结构单位长度上的总主动土压力Ea为：Ka—主动土压力系数Ea的作用点应在支护结构高的1/3处，水平方向。212aaEKh移动方向(离开土体)主动土压力计算zzaapKzzhaKhEah/313对于无粘性土，且土体表面无荷载的情况3aapzK21122aaaEhhKhK0c00z14对于无粘性土，且土体表面有荷载的情况3()aaaapzqKzKqK12aaaEhhKhqK0c00z212aahKqhK15被动土压力强度A点：B点：单位长度上的总主动土压力为合力点位于形心处，水平向左21tan(45)2tan(45)222ppppzczKcK2BpppphKcK2ApppcK2122pppEhKhcK,,chABEpF16被动土压力(砂土类，C=0)作用于支护结构单位长度上的总被动土压力Ep为：Kp—被动土压力系数，KaKpEp的作用点应在墙高的1/3处，水平方向。移动方向(挤压土体)212ppEKh被动土压力计算zzpppKzzhpKhEph/317对于无粘性土，且土体表面无荷载的情况0c212ppEhK1pppzK18对于无粘性土，且土体表面有荷载的情况0c212pppEhKqKh1()pppppzqKzKqK19对于粘性土，且土体表面有荷载的情况21(2)2ppppEhKqKcKh12pppppzKqKcK20填土中有地下水时的土压力计算当支护结构后填土中有水时，需考虑地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量减轻引起的土压力减小，水下填土部分采用浮容重或饱和容重进行计算。在支护结构上的总压力中应包括水压力的作用。22211222111222awaaawPEEhKhKhhKh砂土：水土分算浮容重2211221122aaasataPEhKhKhhK粘性土：水土合算饱和容重假设上图中为粘性土21填土为成层土时的土压力计算由于各层填土重度不同，使得填土竖向应力分布在土层交界面上出现转折，由于各层填土粘聚力和内摩擦角不同，所以在计算主动或被动土压力系数时，需采用计算点所在土层的粘聚力和内摩擦角。2201112AaaappKcK211tan(45)2aK222tan(45)2aK011111()2BaaaToppphKcK011222()2BaaaBottompphKcK01122222()2CaaapphhKcKP0BC111,,c222,,ch1h2A23土压力计算应用•【例1】有一挡土墙，高6米，墙背直立、光滑，墙后填土面水平。填土为粘性土，其重度、内摩擦角、粘聚力如下图所示，求主动土压力及其作用点，并绘出主动土压力分布图h=6m=17kN/m3c=8kPa=20o24•【解答】主动土压力系数墙底处土压力强度临界深度主动土压力主动土压力作用点距墙底的距离2c√Kaz0Ea(h-z0)/36mhKa-2c√Ka25•【例2】挡土墙高5m，墙背直立、光滑，墙后填土面水平，共分两层。各层的物理力学性质指标如图所示，试求主动土压力Ea，并绘出土压力分布图h=5m1=17kN/m3c1=01=34o2=19kN/m3c2=10kPa2=16oh1=2mh2=3mABCKa1＝0.307Ka2＝0.56826•【解答】ABCh=5mh1=2mh2=3mA点B点上界面B点下界面C点主动土压力合力10.4kPa4.2kPa36.6kPa27其他不同情况下土压力计算1.有局部均布荷载（kN/m2）情况局部均布荷载只沿虚线间土体向下传递，由q引起的侧压力增加范围局限于CD墙段aaqKp28其他不同情况下土压力计算2.有局部集中荷载P（kN/m）情况局部集中布荷载只沿虚线间土体向下传递，由q引起的侧压力增加范围局限于CD段dKPpaa229其他不同情况下土压力计算3.填土表面不规则时土压力计算（放坡+钢板桩）坡顶倾斜时土压力强度：坡顶水平时的土压力强度：302222acoscoscoscoscoscoscoszeaaKchzKe2)('a基坑稳定性验算——入土深度验算1.悬臂式支护结构2.单撑（锚）式支护结构3.多撑（锚）式支护结构311.悬臂式支护结构按顶端自由、嵌固端下端简支的静定结构计算。保持支护结构稳定的前提是：被动侧土压力合力对支护结构底端的力矩主动侧土压力合力对支护结构底端的力矩。要求钢板桩的抗倾覆力矩安全系数为2，可求得此时的入土深度。32aaPPbEbE1.悬臂式支护结构实际入土深度取计算入土深度的1.15倍。剪力为0点为最大弯矩所在位置，故需要求得Q=0的位置。按求矩的方法计算剪力为0处的弯矩，即可对钢板桩的强度进行验算。333432332331213)(212ttKththKpa315.1tt222221)(21tKthKpa22222231213)(21ttKththKMpaMAX352.单撑（锚）式支护结构方法1：按上端简支、下端自由支承，相当于单跨简支梁。（入土浅或嵌固土体特别软弱，静力平衡法）362)(21thKEaa221tKEpp)(2)23(0)32()(320paappaAEEHEEttHEtHEM入土深度取决于被动土压力，设计时按抗倾覆安全系数2.0。2.单撑（锚）式支护结构方法1：按上端简支、下端自由支承，相当于单跨简支梁。370apaEER221xKRaa3212maxxxKxRMaa按力矩为0求得的最小入土深度计算支点反力：按最小入土深度计算支点反力：计算剪力为0的位置：计算最大弯矩：382.单撑（锚）式支护结构方法2：按上端简支、下端固定支承，等值梁法计算。基本原理：ab为一梁，一端简支，另一端固定，正负弯矩在c点转折，如在c点切断ab梁，并在c点置放一铰支点形成ac梁，则ac梁上的弯矩值不变，此ac梁即为ab梁上ac段的等值梁。计算钢板桩时，为简化计算，用土压力等于零的位置代替正负弯矩转折点的位置。39ababc钢板桩计算模型40RAxyRAPoPo)(yHKyKKap土压力为零点位置：K为被动土压力修正系数2.单撑（锚）式支护结构方法2：按上端简支、下端固定支承，等值梁法计算。41由于等值梁将下端视为固定支承，则认为P0与cb段被动土压力产生的力矩相等。按简支梁计算等值梁（ac梁）的最大弯矩Mmax和支点反力Ra和P0xyt0最小入土深度：3221xxxKxKKxPoapapoKKPx2162.单撑（锚）式支护结构方法2：按上端简支、下端固定支承，等值梁法计算。420)2.1~1.1(tt实际入土深度：一般取1.1，当板桩后为填土时取1.2，等值梁法计算结果偏于安全。3.多撑（锚）式支护结构应逐层计算基坑开挖过程中每层支撑设置前围护结构的内力，达到最终挖土深度后，应验算支护结构的抗倾覆稳定性（入土深度）。当基坑回筑过程需要拆除或替换支撑时，应计算相应状态下支护结构的稳定性和内力。其特点是计算选取的工况多。433.多撑（锚）式支护结构初步设计内支撑层数方法1：钢板桩等弯矩布置。4433max][661aaKWfhWhKWMf根据悬臂梁计算桩顶的最大允许跨度h：下部各层支撑跨度计算时，将板桩视为连续梁，每跨两端视为固定，可按两端固定梁求出各支点最大弯矩都等于桩顶最大弯矩时的各跨跨度。453.多撑（锚）式支护结构初步设计内支撑层数方法2：钢板桩等反力布置。460022115.0)1(paaEEHKPPn以压力为零点作为计算长度，顶部支撑压力0.15P，其余为P，第一跨的跨度根据钢板桩的强度来计算，根据等反力布置尺寸计算反力大小，从而选择内撑形式。两种布置初步设计均为理想状态，实际布置方式往往会有所差异，可根据初步分析和实际状态确定层数和间距，再按照下述方法验算钢板桩和内支撑。473.多撑（锚）式支护