污水管道深基坑钢板桩地计算.docx
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污水管道深基坑钢板桩地计算
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:
段落桩号
管道名称
地面实测高程(m)
沟槽底高程(m)
高差(m)
备注
K0+100~K1+280及其他地质不良段
西环北路污水管道
5.2
0.3
4.9
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
:
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
=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=20KPa。
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,
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),
=1.3
=26°;δ=2
/3=13.34°;
Kp=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
……………………式1;
最大被动土压力强度
……………………式2;
—沟槽开挖深度;
—钢板桩入土深度;
2)最大主动土压力
………………………………………………式3;
………………………………………………式4;
………………………………………………………式5;
取支撑点
;得
…式6;
其中
为内支撑距钢板桩顶面距离,根据现场实际情况,本工程取
=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
=18.9*(4.9+x)*0.49-21=9.26(4.9+x)-21KPa
最大被动土压力强度
=38.56x+42.6KPa
即:
;
;
将以上公式代入式6,解一元三次方程得钢板桩入土深度
=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=2.47m,
所以:
=174.10KN/m;
=72.23KN/m;
=171.47KN/m;
故TA=Ea+Eq-Ep=74.86KN/m=Ra;
3、求最大弯矩Mmax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
求得y=3.1m
Mmax=
求得Mmax=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]=170~200N/mm2),即可选择板桩的截面、型号。
最大应力计算值
σ=M/Wβ=139000/2270*1=61.23N/mm2<200N/mm2
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=0.1ql2=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:
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:
其中截面抵抗矩A=π(d外2-d内2)/4=6013mm2
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/m3);
γ2——沟槽里地表至桩底,各土层天然重度的加权平均值(KN/m3);
Ncp、Nqp——地基极限承载力系数;
用普朗特尔公式,Ncp、Nqp如下:
──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/cm3),γ2=20.7(g/cm3)。
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(Q4al+pl)即停止,地面超载q0=20KN/m2。
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。
经以上计算钢板满足坑底隆起稳定性要求。
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]JTG120-2012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
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