拉森钢板桩计算

钢板桩设计1.1地质状况本工程项目座落在张家港市北部长江南岸张家港化工保税区内。厂区位于长江冲积平原的河漫滩地，地形平坦。原自然地坪标高较底，场地平均高程106.20m，现已采用吹砂回填，将厂区地坪标高提高。根据地质报告，本工程土质上层为吹填砂，以下分别为粉质粘土夹粉土；粉细砂夹粉土，土的抗压、抗剪强度均较低，且难以采取有效的降排水措施。目前厂区内地下水位较高，土质松软，地质情况较为复杂。该区地质结构断面如下图所示：1.2电梯井形状本工程结构形式如下。目前基坑结构长13.50米，宽10.35米，基坑底标高EL.98.55m，基坑深度7.65米。池壁每一侧考虑2.0米宽的工作面，则支护结构的尺寸为长17.50米，宽14.40米。2支撑式钢板桩挡土墙的构造本工程采用内撑钢板桩挡土墙结构。其主要由钢板桩、支撑二部分组成，钢板桩起承受水平土压力防止土体沿滑动面滑动以及阻隔地下水的作用。它的稳定主要靠两道钢支撑使钢板桩保持垂直、稳定，并确保两侧土体不向基坑内发生位移，钢板桩应插入土体一定深度，防止土体滑动和基坑向上隆起。支撑式钢板桩支挡结构简单且便于施工，整个支挡系统均在基坑开挖过程中完成，作业（包括支撑和挖土）十分安全，施工质量容易保证，且较经济。3钢板桩设计其钢板桩和内钢支撑布置示意图如下：EL.105.700EL.104.850钢板桩钢支撑立体布置图安全围栏EL.103.250EL.100.250电梯井钢板桩平面布置图安全围栏上下通道1.0m宽135002000200012m钢板桩200045002000钢板桩围檩及内支撑平面布置图工字钢400×400围檩φ377×10钢管支撑φ630×12钢管支撑45004500本工程钢板桩采用Ⅳ型拉森钢板桩，长度为12m,宽度400mm。（即每2.5块1m）。钢板桩水平围檩采用40号工字钢，内支撑采用Φ630×12的直撑钢管和Φ377×10的斜撑钢管。为此，共需12米长的钢板桩数量：N=（A+B）×2÷0.4=（17.5+14.35）×2÷0.4=160根。本方案基坑开挖深度最深按6.30m计算，设二道水平支撑。第一道水平钢支撑中心布置在103.25m处，第二道水平钢支撑中心布置在100.25m处，这样下道支撑距基坑底约为1.70m。4钢板桩支撑体系设计及验算以及基底土抗隆起验算对内支撑基坑，造成基坑失稳的直接原因一般可归纳为两类：结构不足（墙体、支撑等的强度或刚度不足）和地基土强度不足。根据地质资料和现场实际情况分析，本工程可不考虑管涌和承压水，不进行钢板桩的抗渗透稳定性验算。本设计主要计算钢板桩、围檩、支撑在施工全过程中的强度和稳定性，以及为防止基坑整体滑动和基底土隆起所需的钢板桩插入深度。根据地质报告，计算出排水管道施工区域土的有关加权平均指标如下：γ=18KN/m3φ=20ºC=8kpa本设计计算时取C=0，不考虑地下水的作用。仅考虑被动土压力修正系数k=1.6（见《深基坑工程设计施工手册》P.286），4.1土压力计算主动土压力系数Ka=tg2(45º-20º/2)=0.49被动土压力系数Kp=tg2(45º+20º/2)=2.04被动土压力修正系数k=1.6，则：Kp=kKp=3.264如图A所示，图中B点为R1和R2间的中间点(1/2点)，C点为R2与基坑底面间的中点。近似计算时，即认为R1等于e0与e1间的三角形荷载，R2等于e1与e2间的梯形荷载，土压力为：ei=KaγHi。另考虑基坑边土体和机械行走等产生的附加荷载，按20KN/m2计算。上式中Hi为土压力计算高度。其中H1=1600；HB=3100；H2=4600；HC=5450；H3=6300。经计算：e0=0e1=KaγH1=0.49×18×1.6=14.112KN/m2eB=KaγHB=0.49×18×3.1=27.342KN/m2e2=KaγH2=0.49×18×4.6=40.572KN/m2eC=KaγHC=0.49×18×5.45=48.069KN/m2e3=KaγH3=0.49×18×6.3=55.566KN/m2设支撑间间距均为L=4.50m，则通过公式：Ri={[(en+en+1)/2]*hn+1+qKa*hn+1}L可计算出支撑反力R1、R2上式中h0=0；h0B=3.1m；hBC=2.35m；Q=qKa=20×0.49=9.8KN/m2。则：R1=[(0+27.342)÷2×3.1+20×0.49×3.1]×4.5=327.420KNR2=[(27.342+48.069)÷2×2.35+20×0.49×2.35]×4.5=502.371KNe0e1eBB12C3SOMe4Ppe3Pa2ecPa1qkaR1R2q=20kN/m2图A：钢板桩支护计算示意图4.2钢支撑强度和稳定性验算本工程二道长钢支撑均采用φ630×12钢管。已知Rmax=502.371KN，A=232cm2,ｒ=21.8cm，[f]=200Mpa。取安全系数为K=2.0。A、对钢管支撑长度15.0m的直钢管，其长细比λ=115.38，查表得φ=0.5。则由公式N/（φ×Α）≦[f]/K可计算出15米长直支撑满足稳定性要求的允许压力为：Nz=1160KNRmax=502.371KN符合要求。本工程二道钢斜支撑均采用φ377×10钢管。已知Rmax=502.371KN，A=115cm2,ｒ=13.0cm，[f]=200Mpa。取安全系数为K=2.0。B、对钢管支撑长度约6.0m的斜钢管，其长细比λ=46.15，查表得φ=0.903。则由公式（N/（φ×Α）≦[f]/K可计算出6米长斜支撑满足稳定性要求的允许压力为：Nx=1038.45KN√2Rmax=710.353KN符合要求。由此可见支撑的强度和稳定性均满足要求。4.3钢板桩抗弯验算两道支撑间及下道支撑与基坑底面之间的钢板桩弯矩可以近似按照两端简支梁承受梯形荷载计算。查《静力计算手册》，可按以下公式计算钢板桩的最大弯矩：Mmax=[q2L2/6]·{[2υ3-μ（1+μ）]/（1-μ）2}上式中μ=q1/q2；υ=√（μ2+μ+1）/3μ12=0.475μ23=0.771υ12=0.753υ23=0.888由此可计算出：A、两道支撑间之间钢板桩的最大弯矩为:MmaxB=(50.37×32÷6)×{[2×0.7533－0.475(1+0.475)]÷(1－0.475)2}=42.031KN.m/mB、下道支撑与基坑底面之间钢板桩的最大弯矩:MmaxC=(65.37×1.72÷6)×{[2×0.8883－0.753(1+0.753)]÷(1－0.753)2}=10.256KN.m/mⅣ型拉森钢板桩W=2043cm3/m，安全系数K=2。fmax=MmaxB/W=42031/（2043×10-6）=20.573Mpa＜[f]/2=100Mpa因此钢板桩的抗弯强度可以满足要求。4.4工字钢围檩抗弯抗压验算（1）、抗弯验算本工程围檩采用40号工字钢，详见平面布置图。支撑与围檩连接的计算简图见图B。45001501504200钢管支撑40#工字钢围檩钢板桩图B已知作用在下道围檩的均布荷载较大，为Q=R2/4.5m=111.638KN/m，40#工字钢对其x—x轴的截面系数W=1090cm3；f=200Mpa。将围檩视为多跨连续梁，净跨度仍按4.2m计算，最大弯距在跨中，若安全系数取K=2.0。计算时按两跨连续梁计算，则查《静力计算手册》可得：Mmax=0.07QLj2=0.07×111.638×4.22=137.850KN-m=1378500N-cmMmax/W=1378500/1090=1264.680N/cm2f/2.0=10000N/cm2符合要求。（2）、压弯验算当斜向支撑作用在围檩上时，围檩是压弯构件，因此还应进行围檩在压弯状态下的强度。按公式（N/An）+[Mx/（γx·Wnx）]≤f计算上式中γx——截面塑性发展系数，取1.05；N——轴心压力，为502.371；An——净截面面积，为86.1cm2；Mx——最大弯矩；Wnx——截面矩。则：（N/An）+[Mx/（γx·Wnx）]=(502.371/86.1)+[13785.0/(1.05×1090)]=17.88KN/cm2f=20KN/cm2符合要求。从以上计算可知，当支撑间距为4.5米时，工字钢围檩可以满足要求。考虑到影响土体侧压力的因素很多，为了确保整个支撑体系的稳定、安全，现场应配备足够的Φ377钢管和40#工字钢，以便对可能发生的支撑体系变形进行加固。所有钢结构焊缝均应满焊，焊缝厚度应符合钢结构规范的要求。4.5钢板桩变形验算按图A计算简图计算，1、2两点间钢板桩所受弯矩最大，因此只计算该跨的钢板桩最大变形量，按梯形荷载一端固定、一端简支计算，参照《建筑结构静力计算手册》P.161，其计算公式为：fx=l3x[5q1（1-3ξ2+2ξ3）+2q0（1-2ξ2+ξ4）]/240EI上式中：l——3.0m；q1——e1+qKa=23.912KN/m；q0——e2-e1=26.46KN/m；ξ——x/l；1点处ξ1=0，跨中ξ0=0.5；E——钢板桩弹性模量=206×103Mpa=206×102KN/cm2；I——钢板桩截面惯性矩=31.95cm4/m；X——1点距变形计算点的距离。1点处X1=0，跨中X0=1.5m。①1点处钢板桩位移：f1=l3X1[5q1+2q0]/240EI=0②跨中B点处钢板桩位移：f0=l3X0[5q1（1-3ξ2+2ξ3）+2q0（1-2ξ2+ξ4）]/240EIf0=0.08cm以上计算所得数值满足三级基坑围护结构位移值的要求，该变形量不会造成基坑周边土体的扰动，因此围护结构和周边建构筑物是安全的。4.6坑底土抗隆起验算由于基坑下部为深厚软土层，因此需验算坑底软土的承载力。如图C所示，采用此滑动模型进行验算。先以O为圆心，以OB为半径作圆，交坑底水平线于E、F。再由E作垂直线交地面线于D。设想滑动面为DEBF。并设地面有临时荷载q=20KN/m2。取C1=C2=8Kpa。(不计算基坑内土的抗滑作用)此时抗滑力矩=C1HOB+(1/2)C2πOB2滑动力矩=（1/2）（q+γH）OB取抗滑系数K=1.5则2[C1HOB+(1/2)C2πOB2]/(q+γH)OB≥1.5计算出OB=3.95m，实际取1.2*OB=4.7m，这样偏于安全。因此钢板桩理论计算长度为0.4+6.3+4.7=11.4m，而本工程钢板桩的实际总长度为12m，此时坑底土不会出现隆起现象。FAOBEDγHqC2C2C1图C多项施工实例阐明了拉森桩在围护措施上所显示的作用，大力推广拉森桩在特殊土层条件的运用，勇与创新，大胆尝试，敢于充当做第一个吃螃蟹的人,展望未来数年拉森桩在我国将产生一次大的飞跃。钢板桩施工方案一、工程概况:宁波市综合办案楼改建工程消防水池及水泵房位于底层U∽H轴×1∽4轴间,其平面尺寸为10.2M*15.0M,消防水池及水泵房承台底挖土深度为3.5M,其北侧2.5M处为2层临时宿舍楼,东侧2M处为2层原有砖混结构办公楼。其周围的堆载较大,挖土深度又较深,考虑到工期及成本,拟采用钢板桩支护方案。二、钢板桩围护的设计消防水池基坑设计土方挖深为-3.5米,基坑北侧为临时宿舍,东临建筑物,为保证安全施工及周边建筑物不受影响,基坑北侧与东侧采用钢板桩围护,设计选用8米长拉森Ⅲ型(60Kg/m)钢板桩,基坑挖深为3米左右,钢板桩入土深度取5米长。2.1、防倾覆计算(如图一示)根据工程勘察报告,钢板桩所处土层为淤泥质粘土,土的重度γ=17.6内摩擦角р=8.4°,粘聚力с=10.5①主动土压力EaEa=1/2γ(H+t)2tg2(45°-р/2)-2·C·(H+t)·tg(45°-р/2)+2C2/γ=1/2*17.6*(13+5)2tg240°.8-2*10.5*(3+5)*tg240°.8+(2*10.52/17.6)=287.15KNh1=1/3*[H+t-2C/γ·tg40°.8]=1/3*(3