污水管道深基坑钢板桩的计算

污水管道深基坑钢板桩选用

中交四公局山水工程有限公司王永强

摘要：

京津中关村科技城市政基础及其一期配套工程EPC总承包项目包含16条市政道路，其中主干路多有配套排水设施，而深基坑施工为危险性较大工程，经过对污水管道基坑施工的技术总结，为以后的同类基坑施工提供经验，提高工程质量质量和工作效率。

关键词：基坑钢板桩污水管道排水

一、工程概况

西环北路规划为城市主干路，长1.939km，污水管铺设里程为K0+100~K1+870，污水管道直径为DN400~DN500mm，沟槽开挖深度最大4.9m。

西环北路污水管道沟槽开挖深度不足5m，但地下水位较高，地层主要为耕植土/素填土（平均厚度1.08m）、粉质粘土/黏土（平均厚度：1.96m）、粉质粘土（平均厚度：3.01m）；沟槽开挖时根据实际地址情况，采用钢板桩防护。

选取污水管道开挖最不利情况：

二、钢支撑结构形式

为了确保沟槽开挖及钢板桩安全可靠，钢板桩墙体支撑体系尤为重要。具体支撑及安装位置见9.3相关图纸，支撑结构材料如下：

1）钢板桩支护墙体坡顶处采用300*300的H型钢围檩。在钢板桩竖向放出围檩安装位置，每隔3m焊接牛腿1个。

2）钢板桩支撑体系采用内支撑，支撑体系采用Ф325*6mm钢管，间距5m。

三、参数信息

1、钢板桩长9m，拉森钢板桩的主要性能参数见下表：

钢板桩示意图及钢板桩围堰示意图见下图。

钢板桩锁口

2、地质参数

1）土层分布情况：

按照其形成年代、成因类型从上至下共分为8个岩土大层，按岩性特征及其物理力学指标可进一步划分为15个工程地质亚层。现对各工程地质层特征自上而下分述如下：

①1耕植土/素填土（Q4ml）：灰黄色，黄褐色，稍湿，可塑，土质不均，以粘性土为主，含较多植物根茎及砂颗粒。该层分布连续，在拆迁废区中多为素填土。层顶高程4.24~8.15m，平均高程5.78m，层厚0.20~2.60m，平均厚1.08m。

②粉质粘土/粘土（Q4al+pl）：黄褐色，可塑，土质均匀，切面光滑，局部夹姜石。该层分布连续，层顶高程2.97~6.03m，平均高程4.68m，层厚0.90~3.70m，平均厚1.96m，容重值：20KN/m3 ；内摩擦角值：22°；粘聚力C=23KPa。

③粉质粘土（Q4al+pl）：灰黄色，饱和，可塑-软塑，局部流塑，粉粒含量较高。该层分布连续，层顶高程-2.14~4.51m，平均高程2.31m，层厚1.00~6.10m，平均厚3.01m，容重值：20KN/m3；内摩擦角值：22°；粘聚力C=23KPa。

③粉土/粉砂（Q4al+pl）：灰黄色，饱和，该层分布不连续，层薄，多为夹层，仅部分钻孔揭露。层顶高程0.35m~2.33m，平均高程1.31m，层厚0.30~1.20m，平均厚0.72m，容重值：21KN/m3；内摩擦角值：30°；粘聚力C=10KPa。

④粉土（Q4al+pl）：灰色，灰黄色，湿，稍密-中密，土质不均，切面粗糙。该层分布不连续，层顶高程-2.82m~3.52m，平均高程-0.15m，层厚0.60~3.70m，平均厚1.63m。容重值：20KN/m3；内摩擦角值：30°；粘聚力C=10KPa。

④1淤泥质粘土（Q4al+pl）：灰色，饱和，流塑，土质均匀，切面光滑，夹粉土薄层。该

层仅BZ9号孔揭露，层顶高程-0.69m，层厚1.50m。容重值γ

：16KN/m3；内摩擦角值

?

：

8.37°；粘聚力C=5.25KPa。经各层土加权平均，土的密度γ

=1.89（g/cm3），粘聚力c=15KPa，

内摩擦角φ=20°。

3、荷载参数

沟槽顶边1.2m外有土方、材料等堆放以及机械因素，综合考虑荷载q=20KPa。

四、钢板桩插入深度

1、地面荷载q=20 KPa。

2、沟槽开挖深度

本工程沟槽开挖深度4.9m。

3、主动土压力系数Ka =tan2（45°-20°/2）=0.49，=Ka 0.7；

按《市政工程施工计算实用手册》（以下计算公式均来自本手册）式（37-36）计算被动土压力系数，δ=2?/3，被动土压力内摩擦角取1.3系数（土的内摩擦角?可酌情调整，在密集群桩深度范围内，乘以1.2~1.4），

n ?=1.3?

=26°；δ=2?/3=13.34°；

K p = tan2（45°+20°/2）=2.04 1）根据朗金土压力理论： 最大主动土压力强度a a a k c k x h e 2)(-+=γ (1)

最大被动土压力强度

p

p p k c

xk e 2+=γ (2)

h —沟槽开挖深度；

x —钢板桩入土深度；

2）最大主动土压力

)(21

x h e E a a +=

(3)

a

q k x h q E )(+= (4)

x e E p p 21

=

(5)

取支撑点

∑=0MA ；得

()()??

?

??-+=??????-++??????-+000322132h h x E h x h E h x h E p q a (6)

其中

h 为内支撑距钢板桩顶面距离，根据现场实际情况，本工程取0h =0m 。

3）支撑反力Ta

根据平衡得支撑反力Ta=Ea+Eq-Ep……………………………………式7； 2、浅埋单层支点桩墙顶端支撑法计算

最大主动土压力强度

a

a a k c

k x h e 2)(-+=γ=18.9*（4.9+x ）*0.49-21 =9.26（4.9+x ）-21 KPa

最大被动土压力强度p

p p k c

xk e 2+=γ=38.56x+42.6 KPa

即：

()()211

()（9.26(4.9+x)-21)（4.9+x ）=4.63 4.910.5 4.922

a a E e h x x x =

+=??+-+

()()200.49 4.9=48.029.8x

q a E q h x k x =+=?++；

211

(38.5642.6)=19.2821.822p p E e x x x x x =

=?++；

将以上公式代入式6，解一元三次方程得钢板桩入土深度x =2.47m ，

施工时尚应乘以K=1.1~1.5，本工程取K=1.2，则钢板桩长=4.9+1.2*2.47=7.86m 。 施工时取9m 长钢板桩即可。 取钢板桩插入深度x=2.47 m ，

所以：

()()21

()=4.63 4.910.5 4.92a a E e h x x x =

++-+=174.10KN/m ；

()()200.49 4.9=48.029.8x

q a E q h x k x =+=?++=72.23KN/m ；

211

(38.5642.6)=19.2821.822p p E e x x x x x =

=?++=171.47KN/m ；

故T A =E a +E q -E p =74.86KN/m=R a ； 3、求最大弯矩M max 和钢板桩选型

最大弯矩发生于剪力为零处，设从桩顶往下y 处剪力为零，则

0-y qK y 21

a a 2a =+R K γ

求得y=3.1m

M max =

3a 2a 0a y 61

-y qK 21-）

h -y （K R γ

求得M max =139KN·m

即每延米桩体承受的最大弯矩为139KN·m ，发生于桩顶下3.1m 处。

根据求得的最大弯矩和板桩材料的容许应力（参见《公路桥梁钢结构及木结构设计规范》，一般取[f]=170~200 N/mm 2），即可选择板桩的截面、型号。

最大应力计算值

σ= M/Wβ=139000/2270*1 =61.23 N/mm 2<200 N/mm 2

其中β-钢板桩截面抵抗矩折减系数，当桩顶设有整体围檩时取β=1，不设置时取β=0.7；选择9m 拉森 IV 型钢板桩，入土深度3.6m ，沟槽深度4.9m ，露出地面0.5m 。

五、围檩、内支撑验算

1）钢围檩拟采用300*300的H 型钢，支撑体系采用Ф325*6mm 钢管，详见沟槽防护支撑布置图，首先施工钢板桩，围檩、内支撑等随开挖随施工。

2）本次验算取內支撑的间距l=5m ，简略计算如下图：

作用线荷载 q=TA=74.86kN/m ；

最大弯矩M=0.1ql 2=0.1*74.86*52=187.15KN?m ； 300*300的H 型钢最大弯曲应力：

满足强度要求； 300*300的H 型钢刚度：

4454

74.86*500050007.25＜[]12.5150400150*2.1*10*20500*10ql f mm f mm

EI =====

满足刚度要求。 3）内支撑强度验算：

内支撑采用Ф325*6mm 钢管，单根的轴力为N=74.86*5=374.3KN. Φ325钢管最大弯曲应力：

3

22

374.3*1062.25N/mm ＜[]215N/mm 6013N A σσ====

其中截面抵抗矩A=π（d 外2-d 内2）/4=6013mm 2 满足强度要求；

六、沟槽底部隆起稳定性计算

支撑式支挡结构，其嵌固深度应满足坑底隆起稳定性要求，抗隆起稳定性可按下列公式验算：

式中：

D ——墙体插入深度（m ）； h0——沟槽开挖深度（m ）； q ——地面以上均布荷载（KPa ）； c ——支护桩底处的地基土粘聚力（KPa ）

γ1——沟槽外地表至桩底，各土层天然重度的加权平均值（KN/m 3）； γ2——沟槽里地表至桩底，各土层天然重度的加权平均值（KN/m 3）； N cp 、N qp ——地基极限承载力系数； 用普朗特尔公式，N cp 、N qp 如下：

q

D h cN DN K c q L +++=

)(012γγ

?──支护桩底处土的内摩擦角（0）

KL──抗隆起安全系数；考虑图中A'B'面上抗剪强度抵抗隆起作用未考虑，固安全系数KL 可取低一些，要求KL≥1.1~1.2。

计算隆起稳定性示意图

查地勘报告有各土层物理力学指标：天然容重γ1=18.9（g/cm 3），γ2=20.7（g/cm 3）。 支护墙底处土的内摩擦角值?：22°；粘聚力C=23KPa 。 钢板桩插④粉土（Q 4al+pl ）即停止，地面超载q0=20KN/m 2。 代入以上各项数据有

求得Nqp=7.83

=16.91

沟槽开挖深度为h0=4.9m ，插入土深度D= 3.6m 。

21020.7 3.67.832316.91

5.38＞2.2

()18.9(4.9 3.6)20

q c L

DN cN K h D q

γγ+??+?=

=

=++?++

经以上计算钢板满足坑底隆起稳定性要求。

?

π?

tan 2)2

45(tan e N P q +=??

tan /)1(-=qp cp N

N ?

π?

tan 2)2

45(tan e N P q +=??

tan /)1(-=qp cp N N

结语：通过对西环北路污水管道基坑钢板桩施工的总结，避免同类错误在日后施工中发生，为以后的同类工程施工提供经验，提高桩工程质量和工作效率。

参考文献：

[1] JTG 120-2012建筑基坑支护技术规程.中华人民共和国住房和城乡建设部，2012-10-01

[2]简明施工计算手册(第四版). 中国建筑工业出版社. 江正荣朱国梁

[3]路桥施工计算手册.人民交通出版社.周水兴何兆益邹毅松

[4]基坑工程手册（第二版）.人民交通出版社.刘国彬王卫东