摘 要：現(xiàn)以天津干線天津4段輸水箱涵為例，介紹了基坑開挖鋼板樁垂直支護(hù)的設(shè)計(jì)，根據(jù)鋼板樁的實(shí)際受力狀況建立力學(xué)模型，通過理論計(jì)算，確定鋼板樁的實(shí)際受力及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的精確性和安全性，從而滿足工程施工需要。著重從作用于板樁上的土壓力強(qiáng)度及壓力分布、計(jì)算反彎點(diǎn)位置、計(jì)算反彎點(diǎn)位置計(jì)算鋼板樁的最小入土深度、鋼板樁穩(wěn)定性驗(yàn)算等幾個方面進(jìn)行理論計(jì)算分析。此外還簡單介紹了鋼板樁的施工工藝和方法，及在施工過程中的注意事項(xiàng)。在工程施工過程中密切關(guān)注鋼板樁位移情況，通過測量人員定期對鋼板樁位移進(jìn)行測量觀測，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出鋼板樁位移距離均在允許范圍之內(nèi)。受力分析和安全穩(wěn)定計(jì)算為鋼板樁施工提供有利的理論基礎(chǔ)，為了輸水箱涵順利施工奠定了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：鋼板樁,受力,支護(hù),設(shè)計(jì),分析

　　1 引言

　　由于多數(shù)水利施工單位一般進(jìn)行野外施工，遇到須在邊坡支護(hù)條件下開挖的情況較少，需支護(hù)的地段常常憑感覺或草率參照其他項(xiàng)目的支護(hù)方案，對基坑進(jìn)行粗略支護(hù)。這種做法往往會因工作人員經(jīng)驗(yàn)不足、現(xiàn)場地質(zhì)情況復(fù)雜而出現(xiàn)意外，對工程質(zhì)量及生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。因此，對基坑進(jìn)行科學(xué)、合理地支護(hù)，是保證工程質(zhì)量，維護(hù)人身安全，減少財(cái)產(chǎn)損失的必要措施。

　　基坑的支護(hù)形式和所選材料種類很多，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的具體情況采用合理的支護(hù)方案，本文以天津干線天津市4段邊坡支護(hù)為例，著重通過對鋼板樁支護(hù)的受力分析【2】，計(jì)算方法及施工步驟作了詳細(xì)闡述。

　　2 主要計(jì)算內(nèi)容

　　鋼板樁支護(hù)設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行以下計(jì)算：①鋼板樁內(nèi)力計(jì)算。②支撐系統(tǒng)內(nèi)力計(jì)算。③穩(wěn)定性驗(yàn)算【3】。

　　3 鋼板樁支護(hù)計(jì)算

　　3.1 工程概況

　　天津干線天津市4段項(xiàng)目位于天津市境內(nèi)，由輸水箱涵段、星光路公路涵、外環(huán)河出口閘3大部分組成。設(shè)計(jì)流量18 m3/s，加大流量28 m3/s。

　　本工程土方工程主要工程量：土方開挖：78.81萬m3，土方回填：63.75萬m3。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程在樁號XW151+021.365～XW151+614和XW151+664～XW152+036處設(shè)置鋼板樁對開挖基坑進(jìn)行單側(cè)支護(hù)，在樁號XW152+740～XW152+930處設(shè)置鋼板樁對基坑進(jìn)行雙側(cè)支護(hù)。

　　根據(jù)施工地區(qū)地質(zhì)資料【4】知基坑內(nèi)、外土的天然容重加權(quán)平均值 ， 均為：18 kN/m3;內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值Φ：20°;黏聚力加權(quán)平均值C：18 kPa;基坑開挖對鋼板樁穩(wěn)定性要求最高的斷面如圖1。

　　以圖2鋼板樁布置型式進(jìn)行鋼板樁穩(wěn)定性計(jì)算。

　　3.2 作用于板樁上的土壓力強(qiáng)度及壓力分布

　　因鋼板樁表面豎直、光滑，墻后填土面水平，符合郞肯土壓力條件，故有：

　　式中：Ka—主動土壓力系數(shù);Φ1—土體內(nèi)摩擦角【5】。

　　表面土壓力強(qiáng)度為：

　　式中：δa—表面土壓力強(qiáng)度;q—土體表層均布荷載，因土體表面沒有均布荷載故q=0;Ka—主動土壓力系數(shù);c1——土體黏聚力【5】。

　　由于開挖施工前進(jìn)行了降水作業(yè)，土方施工在干場上進(jìn)行則底層土壓力為：

　　式中：δb—表面土壓力強(qiáng)度;Ka—主動土壓力系數(shù);c1—土體黏聚力。

　　則壓力分布圖見圖3。

　　3.3 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)，設(shè)其位于開挖面以下y處，則有：

　　整理得：

　　= 式中：y—基坑底部至鋼板樁上土壓力為零點(diǎn)距離; ， —坑內(nèi)外土層的容重加權(quán)平均值;H—基坑開挖深度;Ka—主動土壓力系數(shù);Kpi—放大后的被動土壓力系數(shù)。

　　由以上計(jì)算可知，鋼板樁上受力為零點(diǎn)至基坑表面距離為1.238 m，則上部鋼結(jié)構(gòu)受力簡圖見圖4。

　　3.4 樁體的最大彎矩

　　由《上部鋼板樁受力簡圖》可得最大土壓力強(qiáng)度Qb為：

　　設(shè)最大彎矩處距鋼板樁插入地基處為x，則有：

　　由 得，最大彎矩Mmax為：

　　由以上計(jì)算可知最大土壓力強(qiáng)度Qb=75.23KN/m，最大力矩Mmax=256.41KN·m/m。

　　3.5 計(jì)算鋼板樁的最小入土深度

　　由等值梁法可求算鋼板樁的最小入土深度【6】，設(shè)樁的反轉(zhuǎn)點(diǎn)以下x為最小入土深度所在高程，則 t0=y+x 如樁端為一般的土質(zhì)條件，應(yīng)乘以系數(shù)：1～1.2即：

　　= (1～1.2)t0

　　取，則由得：

　　則：

　　式中：Qb—最大土壓力強(qiáng)度; ， —坑內(nèi)外土層的容重加權(quán)平均值;Ka—主動土壓力系數(shù);Kpi—放大后的被動土壓力系數(shù);x —最小入土深度所在反轉(zhuǎn)點(diǎn)以下高度;t0—計(jì)算所得最小入土深度;t —實(shí)際最小入土深度。

　　由以上計(jì)算可知鋼板樁實(shí)際最小入土深度為4.46 m。

　　3.6 鋼板樁選型

　　采用36B型14 m工字鋼板樁，取折減系數(shù) 則：

　　式中：δmax—樁身最大應(yīng)力;Mmax—鋼板樁所受最大彎矩;W—鋼板樁截面地抗矩;β—對鋼板樁截面抵抗矩的折減系數(shù);[f]—鋼板樁抗折強(qiáng)度【7】。

　　由于樁身所受最大應(yīng)力小于鋼板樁的抗折強(qiáng)度，可知36B型鋼板樁強(qiáng)度能夠滿足施工要求。

　　3.7 鋼板樁穩(wěn)定性驗(yàn)算

　　根據(jù)工程情況需要對基底抗隆起穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算【6】，以結(jié)構(gòu)底平面作為求極限承載力的基準(zhǔn)面，可由以下公式求抗隆起安全系數(shù)

　　式中： ， —坑內(nèi)、外土層的容重加權(quán)平均值;c—樁底處地基土黏聚力;q—坑外地面荷載;H—基坑開挖深度;t—鋼板樁入土深度; 、 —地基承載力系數(shù);Φ—樁底處地基土內(nèi)摩擦角; —抗隆起安全系數(shù)，根據(jù)基坑重要性取值。

　　則有：根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范抗隆起安全系數(shù)Ks應(yīng)大于1.7，本工程Ks=1.81>1.7，滿足規(guī)范要求，能夠滿足鋼板樁穩(wěn)定要求【8】。

　　由以上計(jì)算可知：標(biāo)段雙側(cè)支護(hù)處采用鋼板樁入土深度大于4.46 m時，能夠滿足基坑穩(wěn)定性要求，則最小樁長Lmin=4.46+7.30=11.76 m。因文中計(jì)算斷面為標(biāo)段對鋼板樁施工要求最高的斷面，則工程全線采用L=14m鋼板樁能夠滿足基坑穩(wěn)定性要求。

　　在具體施工過程中采用了保守的“一縱一橫”的施工方法施打鋼板樁，見圖5。同時在基坑結(jié)構(gòu)方面在鋼板樁一側(cè)布置了深2 m左右的一級馬道，降低鋼板樁的凈高度增加鋼板樁的埋深，減小背后土壓力，進(jìn)一步提高支護(hù)的安全性.

　　4 構(gòu)造要求

　　①為防止接縫處漏水，在沉樁前應(yīng)在鎖口處嵌填黃油、瀝青或其他密封止水材料，必要時可在沉樁后坑外注漿防滲。

　　②在基坑彎道處的支護(hù)鋼板樁，應(yīng)根據(jù)彎道的平面形狀做成相應(yīng)的異形轉(zhuǎn)角板樁，且轉(zhuǎn)角樁和定位樁適當(dāng)加長。

　　5 鋼板樁支護(hù)施工過程

　　鋼板樁采用履帶式液壓挖土機(jī)KATO-1250帶VH-2000液壓振錘的錘機(jī)施打，施打前先查明地下管線、構(gòu)筑物的情況，測放出支護(hù)樁中心線。在施打中考慮到鋼板樁較長，鋼板樁容易向一邊傾斜，由于傾斜誤差積累不易糾正，難以控制鋼板樁墻的平直度，所以鋼板樁施工擬采用屏風(fēng)式打入法【10】。

　　5.1 鋼板樁施工的一般要求

　　①鋼板樁的設(shè)置位置要符合設(shè)計(jì)要求，便于混凝土箱涵基礎(chǔ)施工，即在基礎(chǔ)最突出的邊緣外留有支模、拆模的余地【11】。

　　②打樁前，對鋼板樁逐根檢查，剔除連接鎖口銹蝕、變形嚴(yán)重的鋼板樁，不合格者待修整后才可使用。

　　③基坑護(hù)壁鋼板樁的平面布置形狀應(yīng)盡量平直整齊，避免不規(guī)則的轉(zhuǎn)角，以便標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁的利用和支撐設(shè)置。

　　④整個基礎(chǔ)施工期間，在挖土、吊運(yùn)、扎鋼筋、澆筑混凝土等施工作業(yè)中，嚴(yán)禁碰撞支撐，禁止任意拆除支撐，禁止在支撐上任意切割、電焊，也不應(yīng)在支撐上擱置重物。

　　5.2 鋼板樁施工順序

　　鋼板樁位置的定位放線→挖溝槽→安裝導(dǎo)梁→施打鋼板樁→拆除導(dǎo)梁→清理錨桿處標(biāo)高的土方→挖土→箱涵施工→回填石屑→拔除鋼板樁

　　6 結(jié)語

　　鋼板樁支護(hù)完成后，在工程施工過程中還密切關(guān)注鋼板樁位移情況，通過定期對鋼板樁位移進(jìn)行測量觀測，位移數(shù)據(jù)在允許范圍之內(nèi)，沒有發(fā)生任何安全事故，為輸水箱涵混凝土施工奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。鋼板樁穩(wěn)定計(jì)算對鋼板樁順利施工起到了至關(guān)重要的作用，在以后的鋼板樁穩(wěn)定計(jì)算中還應(yīng)考慮以下3點(diǎn)。

　　①當(dāng)開挖面以下土質(zhì)較好，鋼板樁入土深度不大時，單層支撐可簡化成簡支梁模型，多層支撐可簡化成連續(xù)梁模型，以方便計(jì)算。

　　②當(dāng)?shù)叵滤�位較高，需考慮水壓力影響，土的容重應(yīng)以浮容重計(jì)，同時計(jì)入水壓力，文中有關(guān)公式應(yīng)做相應(yīng)變更【12】。

　　③開挖基坑時，地面若存在超載，計(jì)算時應(yīng)注意計(jì)入超載的影響。

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