基坑支护(钢板桩)设计及计算书

目 录

1 计算依据 ........................................................... 1 2 工程概况 ........................................................... 1 3 地质情况 ........................................................... 1 4 设计施工方案概述 ................................................... 1 5 围堰结构计算 ....................................................... 2

5.1 设计计算参数 ................................................. 2

5.1.1材料设计指标 ............................................ 2 5.1.2单元内支撑支撑刚度计算 .................................. 3 5.1.3单元内支撑材料抗力计算 .................................. 3 5.1.4 设计安全等级 ........................................... 4 5.2 拉森钢板桩封闭支护结构设计分析 ............................... 4

5.2.1 开挖过程结构分析 ....................................... 4 5.2.2 拉森钢板桩单元计算分析结果 ............................. 4 5.2.3 内支撑应力和变形计算 .................................. 18 5.2.4支护结构强度验算 ....................................... 19 5.2.4 支撑型钢强度、稳定性验算 .............................. 23

基坑拉森钢板桩围堰设计及计算书

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1 计算依据

1.2 《特大桥承台基坑拉森钢板桩围堰设计图》； 1.3 《建筑施工计算手册》；

1.4 《钢结构设计规范》（GB500017-2003）； 1.5 《理正深基坑软件7.0版》；

1.6 《基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97） 1.7 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012） 1.8 《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97）

2 工程概况

桥址处为荒地、民房，地势平坦，交通便利。根据现场调查，特大桥1#承台施工为最不利基坑，承台尺寸为4.85×5.7×2m，开挖后深度4.209m。

3 地质情况

根据工程地质勘测报告， 承台处的地质情况如表1。 表3-1 承台地质情况 取样厚度（m） 编号 1 2 3 4 5 1.25 4.25 6.20 4.60 21.60 杂填土 淤泥质土 粉砂 粘性土 粉砂 名称 （kN/m) 17.7 17.3 18.0 19.8 19.6 3重度粘聚力摩擦角(。） （Kpa) 11.00 13.00 45.00 49.00 47.00 7.20 6.00 --- --- --- 侧摩阻力 （Kpa) 30.0 22.0 40.0 65.0 70.0 4 设计施工方案概述

使用9m拉森Ⅳ钢板桩对基坑进行封闭支护，钢围檩设于承台顶标高以上1.509m，钢板桩顶往下1m处，围檩采用H400×400×13×21mm型钢，围檩长边下方设置不少于3个牛腿，上方采用直径8mm钢丝绳兜吊在拉伸钢板桩上，斜角撑采用H400×400×13×21mm型钢，斜撑两端与围檩型钢焊接牢固。基坑尺寸控制原则为自承台外轮廓外扩1.2m，为保证承台模板与钢筋的顺利施工，围檩斜角撑的位置应避免阻碍模板与钢筋的吊装施工。

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拉森Ⅳ钢板钢板桩H400×400×13×21mm型钢斜角撑H400×400×13×21mm型钢围檩承台边缘线H400×400×13×21mm型钢斜角撑

图4-1 拉森钢板桩支护基坑平面布置图

图4-2 拉森钢板桩支护基坑立面布置图

5 围堰结构计算 5.1 设计计算参数 5.1.1材料设计指标

表5.1.1-1 基坑支护结构所需材料表

序材料名称 号 （MPa） （MPa） （MPa） （MPa） 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 弹性模量 备注 2

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1 2 SYW295 Q235 295 215 295 215 125 125 2.0×10 2.0×10 55拉森钢板桩 斜支撑 表5.1.1-2 基坑支护结构所需材料截面特性表

单根截面积序号 1 2 3 名称 拉森钢板桩 围檩 H400×400×13×21mm 斜角撑 219.5 66900 3340 型号 A(cm) Ⅳ型 96.99 2单根惯性矩Ix(cm) 4670 4单根抗弯模量备注 Wx(cm) 362 3表5.1.1-3 拉森钢板桩单根每米壁宽截面特性表

单根每米壁宽单根每米壁宽单根每米壁宽序号 名称 型号 截面积A(cm) 惯性矩Ix(cm) Wx(cm) 1 拉森钢板桩 Ⅳ型 242.5 39600 2200 324抗弯模量备注 5.1.2单元内支撑支撑刚度计算

计算内支撑刚度取最大水平间距s=3.3m的一根H400×400×13×21mm型钢，计算长度取最大支撑构件的长度l0=2.83m，则支撑结构水平刚度系数kT，取结构计算宽度ba=1m。

EAbaKRRl0s

aR支撑松弛系数：支撑不预加轴向压力，取0.9

R：支撑不动点调整系数，取0.6

0.9REA1ba0.921052.195104KT705MN/m0.6Ls0.62.833.3

5.1.3单元内支撑材料抗力计算

内支撑斜撑采用H400×400×13×21mm型钢焊接，最大计算长度取最大支撑构件的长度l0=2.83m，结构计算宽度ba=1.0m。

型钢回转半径：i102.1mm

y l283027.7i102.1查表得0.967 =1

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单元材料抗力：

TA1fyba/l10.9682.1951042151031/9.3491KN

5.1.4 设计安全等级

基坑为二级基坑，安全系数为1.0。

5.2 拉森钢板桩封闭支护结构设计分析

以最深基坑1#墩承台为例计算基坑稳定性，其余基坑参照此支护方式；

5.2.1 开挖过程结构分析

采用理正深基坑支护结构设计软件7.0版进行分析。 按以下工况计算：

工况1 基坑开挖至地面下1m；

工况2 在地面下0.5m安装第一道内支撑； 工况3 基坑开挖至地面下4.209m。

5.2.2 拉森钢板桩单元计算分析结果

基坑开挖至垫层底，边开挖边安装内支撑。按弹性法计算

[ 支护方案 ]

---------------------------------------------------------------------- 排桩支护

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[ 基本信息 ]

---------------------------------------------------------------------- 规范与规程 内力计算方法 支护结构安全等级 支护结构重要性系数γ0 基坑深度H(m) 嵌固深度(m) 桩顶标高(m) 桩材料类型 ├每延米截面面积A(cm) 2《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-2012 增量法 二级 1.00 4.209 4.291 0.000 钢板桩 236.00 39600.00 2200.00 215 无 0 1 0 4 ├每延米惯性矩I(cm) └每延米抗弯模量W(cm) 3 └抗弯f(Mpa) 有无冠梁 放坡级数 超载个数 支护结构上的水平集中力

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[ 超载信息 ]

---------------------------------------------------------------------- 超载 类型 序号 1 超载值 (kPa,kN/m) 作用深度 (m) --- 作用宽度 (m) --- 距坑边距 (m) --- 形式 --- 长度 (m) --- 20.000 ----------------------------------------------------------------------

[ 附加水平力信息 ]

---------------------------------------------------------------------- 水平力 作用类型 水平力值 序号 (kN) 作用深度 (m) 是否参与 倾覆稳定 是否参与 整体稳定

----------------------------------------------------------------------

[ 土层信息 ]

---------------------------------------------------------------------- 土层数 内侧降水最终深度(m) 内侧水位是否随开挖过程变化 弹性计算方法按土层指定 基坑外侧土压力计算方法 5 4.509 是 ㄨ 主动 坑内加固土 外侧水位深度(m) 内侧水位距开挖面距离(m) 弹性法计算方法 否 2.000 1.000 m法

----------------------------------------------------------------------

[ 土层参数 ]

---------------------------------------------------------------------- 层号 1 2 3 4 5 层号 与锚固体摩 擦阻力(kPa) 1 2 3 4 5 30.0 22.0 40.0 65.0 70.0 粘聚力 水下(kPa) --- 10.00 45.00 49.00 47.00 内摩擦角 水下(度) --- 10.00 10.00 10.00 10.00 水土 --- 分算 分算 合算 分算 计算方法 m,c,K值 抗剪强度 (kPa) m法 m法 m法 m法 m法 1.42 1.42 4.00 5.90 5.70 --- --- --- --- --- 土类名称 素填土 淤泥质土 粉砂 粘性土 素填土 层厚 (m) 1.25 4.25 6.20 4.60 21.60 重度 3(kN/m) 17.7 17.3 18.0 19.8 19.6 浮重度 3(kN/m) --- 7.3 8.0 9.8 9.6 粘聚力 (kPa) 11.00 13.00 --- --- --- 内摩擦角 (度) 7.20 6.00 --- --- --- ----------------------------------------------------------------------

[ 支锚信息 ]

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支锚道数 支锚 道号 1 支锚 预加力 道号 (kN) 1 0.00 支锚刚度 (MN/m) 705.00 锚固体 直径(mm) --- 工况 号 2～ 支锚类型 内撑 水平间距 (m) 1.000 竖向间距 (m) 1.000 1 入射角 (°) --- 总长 (m) --- 锚固力 调整系数 --- 材料抗力 (kN) 491.00 锚固段 长度(m) --- 材料抗力 调整系数 1.00 ----------------------------------------------------------------------

[ 土压力模型及系数调整 ]

---------------------------------------------------------------------- 弹性法土压力模型: 经典法土压力模型:

水土 分算 分算 合算 分算 水压力 调整系数 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

外侧土压力 外侧土压力 内侧土压内侧土压力 力 调整系数1 调整系数2 调整系数 最大值(kPa) 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 10000.000 10000.000 10000.000 10000.000 10000.000 层号 土类 1 2 3 4 5 名称 素填土 粉砂 粘性土 素填土 淤泥质土 分算

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[ 工况信息 ]

---------------------------------------------------------------------- 工况 号 1 2 3 4 工况 类型 开挖 加撑 开挖 刚性铰 深度 (m) 1.500 --- 4.209 4.209 支锚 道号 --- 1.内撑 --- ---

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[ 设计结果 ]

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[ 结构计算 ]

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各工况：

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内力位移包络图：

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地表沉降图：

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[ 截面计算 ]

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[ 截面参数 ] 弯矩折减系数 剪力折减系数 荷载分项系数

0.85 1.00 1.25 10

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[ 内力取值 ] 段 内力类型 号 基坑内侧最大弯矩(kN.m) 1 基坑外侧最大弯矩(kN.m) 最大剪力(kN)

弹性法 计算值 129.54 49.27 81.31 经典法 计算值 88.84 25.95 73.46 内力 设计值 137.64 52.35 101.64 内力 实用值 137.64 52.35 101.64 [ 截面验算 ]

基坑内侧抗弯验算(不考虑轴力) σnei = Mn / Wx

= 137.636/(2200.000*10-6)

= 62.562(MPa) < f = 215.000(MPa) 满足

基坑外侧抗弯验算(不考虑轴力) σwai = Mw / Wx

= 52.350/(2200.000*10-6)

= 23.795(MPa) < f = 215.000(MPa) 满足

式中:

σwai———基坑外侧最大弯矩处的正应力(Mpa); σnei———基坑内侧最大弯矩处的正应力(Mpa); Mw ———基坑外侧最大弯矩设计值(kN.m); Mn ———基坑内侧最大弯矩设计值(kN.m);

3

Wx ———钢材对x轴的净截面模量(m); f ———钢材的抗弯强度设计值(Mpa);

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[ 整体稳定验算 ]

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计算方法：瑞典条分法 应力状态：有效应力法

条分法中的土条宽度: 0.40m

滑裂面数据

整体稳定安全系数 Ks = 2.285 圆弧半径(m) R = 10.115 圆心坐标X(m) X = -0.593 圆心坐标Y(m) Y = 5.775

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[ 抗倾覆稳定性验算 ]

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抗倾覆安全系数:

KsMpMa

Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩, 对于内支撑支点力由内支撑抗压力

决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。

Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

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注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。 工况1：

序号 支锚类型 材料抗力(kN/m) 锚固力(kN/m) 1 内撑 0.000 ---

Ks2239.697 0.0001086.265

Ks = 2.062 >= 1.200, 满足规范要求。 工况2：

序号 支锚类型 材料抗力(kN/m) 锚固力(kN/m) 1 内撑 491.000 ---

Ks2239.697 3682.5001086.265

Ks = 5.452 >= 1.200, 满足规范要求。 工况3：

序号 支锚类型 材料抗力(kN/m) 锚固力(kN/m) 1 内撑 491.000 ---

Ks884.001 3682.5001086.265

Ks = 4.204 >= 1.200, 满足规范要求。 工况4：

已存在刚性铰，不计算抗倾覆。

---------------------------------------------- 安全系数最小的工况号：工况1。

最小安全Ks = 2.062 >= 1.200, 满足规范要求。

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[ 抗隆起验算 ]

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1) 从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，结果如下：

Ksm2ldNqcNc

Nqhldq0m1Khe

2

tan45o2etan

NcNq11tan

支护底部，验算抗隆起：

Ks = 3.326 ≥ 1.600，抗隆起稳定性满足。 深度11.700处，验算抗隆起：

Ks = 3.243 ≥ 1.600，抗隆起稳定性满足。 深度16.300处，验算抗隆起。

Ks = 2.984 ≥ 1.600，抗隆起稳定性满足。

2) 坑底抗隆起按以最下层支点为转动轴心的圆弧条分法计算，结果如下：

ciliqibiGicositani

Ks = 2.710 ≥ 1.900，坑底抗隆起稳定性满足。

qibiGisinKRLi

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[ 流土稳定性验算]

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K2ld0.8D1hw'Kf

其中:

K———流土稳定性计算安全系数；

Kf———流土稳定性安全系数；安全等级为一、二、三级的基坑支护，流土稳定性

安全系数分别不应小于1.6、1.5、1.4； ld———截水帷幕在基坑底面以下的长度(m)；

D1———潜水水面或承压水含水层顶面至基坑底面的垂直距离(m)； γ'———土的浮重度(kN/m3)； Δh———基坑内外的水头差(m)； γw———地下水重度(kN/m3)；

K = (2.00*2.00 + 0.80*2.21)*7.59/2.51*10.00 K = 1.745 >= 1.5, 满足规范要求。

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[ 抗承压水(突涌)验算 ]

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KyPczPwy

式中 Pcz———基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的自重压力(kN/m2); Pwy———承压水层的水头压力(kN/m2);

Ky———抗承压水头(突涌)稳定性安全系数，规范要求取大于1.100。

Ky = 35.10/30.00 = 1.16 >= 1.10 基坑底部土抗承压水头稳定!

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[ 嵌固深度计算 ]

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嵌固深度计算参数： 是否考虑坑底隆起稳定性 是否考虑最下层支点为轴心的圆弧稳定性

√ √ 嵌固深度计算过程：

当地层不够时，软件是自动加深最后地层厚度(最多延伸100m)得到的结果。 1) 嵌固深度构造要求：

依据《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-2012, 嵌固深度对于单支点支护结构ld不宜小于0.3h。 嵌固深度构造长度ld：1.263m。 2) 嵌固深度满足抗倾覆要求：

按《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-2012单支点结构计算嵌固深度ld： 1) ld按公式：

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KEpkap2Eakaa2Kem

1.235Kem1.20 K188.2634.699226.9353.157

得到ld = 2.241m。

3) 嵌固深度满足坑底抗隆起要求：

符合坑底抗隆起的嵌固深度ld = 1.300m

4) 嵌固深度满足以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性要求：

符合以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定的嵌固深度ld = 2.000m。

满足以上要求的嵌固深度ld计算值=2.241m，ld采用值=4.291m。

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[ 嵌固段基坑内侧土反力验算 ]

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工况1：

Ps = 251.446 ≤ Ep = 771.347，土反力满足要求。

工况2：

Ps = 251.446 ≤ Ep = 771.347，土反力满足要求。

工况3：

Ps = 178.626 ≤ Ep = 471.481，土反力满足要求。

工况4：

Ps = 178.626 ≤ Ep = 471.481，土反力满足要求。

式中：

Ps为作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力（kN）； Ep为作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力（kN）。

5.2.3 内支撑应力和变形计算

根据第5.2.3条分别计算各层内支撑支点反力等计算结果进行统计，详细参见附表5.2.3-1所示。

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表5.2.3-1 钢板桩支护结构验算结果统计表 单元长支护结构内力 弯矩M（kN·m) 剪力V（kN） 支反力（kN/m) 拉森钢板桩 129.54 79.59 80.08 5.2.4支护结构强度验算

控制值按5.2.3 支护单元计算分析结果汇总统计取值 支护采用拉森Ⅳ型钢板桩，截面特性如下：

M129.5410658.88Mpa 拉森Ⅳ型钢板桩拉弯应力3W220010F79.591038.2Mpa 拉森Ⅳ型钢板桩剪应力A96.99102

钢板桩强度验算：

r324258.88248.2261.1MPa[]215MPa 满足强度要求

控制值取值

荷载控制值取值：利用MidasCivil建模如下：荷载取控制值Fc，荷载组合取F=1.250FC；基坑支护等级为二级，安全系数0=1.0。 （1） 边界条件

围檩与斜支撑节点设为：约束DZ=0，如下左图所示，围堰四角节点设为：约束DX=0，DY=0，DZ=0，如下右图所示。

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（3）建立内支撑整体模型 内支撑 （4）内支撑体系计算结果 内支撑体系计算结果参见附表5.2.4-1所示。

表5.2.4-1内支撑体系结构验算结果汇总表

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变 形 图 (mm) 轴 力 图 (N) 21

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弯 矩 图 (N*mm) 剪 力 图 (N) 22

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组 合 应 力 图 (MPa) 由以上计算可知，围堰内支撑围檩最大变形1.4mm＜[L/400]=

[3300m/400]=8.25mm，围檩最大组合应力32.7MPa＜[σ]=215MPa均满足要求。

5.2.4 支撑型钢强度、稳定性验算

斜撑：

斜撑采用H400×400×13×21mm型钢：取单根最大轴力274.4kN，计算长度L取2.83m。

回转半径：

iy102.1mm

l283027.7i102.1查表得0.967

按《钢结构设计规范》GB50017的规定，钢支撑的承载力计算应考虑安装偏心误差的影响，偏心距取值不宜小于支撑计算长度的1/1000，对钢支撑不宜小于40mm。

e=L/1000=2830/1000=2.8mm＜40mm取e=40mm 偏心弯矩M偏=N*e=274.4kN×0.04m=10.98kN.m

H400×400×13×21mm抗弯刚度W=3340cm³，面积A=219.5cm2。 ①强度验算

根据《建筑基坑技术技术规程》（JGJ120—2012），按下式验算：

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NM偏f AW274.410310.9810615.8MPaf215MPa 462.195103.3410强度满足要求！ ②稳定性验算

按下式计算：

mM偏Nf AW(1N)NE式中：

NE2EA/2

E200103N/mm2

NE2EA/23.1422.010521950/27.7210356411KN

mM偏N274.4103110.9810616.2MPaf215MPaN274.4AW(1)0.967219503.34106(10.967)NE56411稳定性满足要求！

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