鋼板樁圍堰設(shè)計計算書1工程概況與設(shè)計條件1.1工程概況1.1.1項目背景與圍堰類型應(yīng)用場景：主線大承臺基坑支護，針對ZX179#承臺（開挖深度7.45m）采用15m長拉森-400×170型鋼板樁圍堰，設(shè)置2層圍檁及支撐，屬于陸地深基坑支護體系承臺參數(shù)：承臺尺寸18.7×10.6×3.2m（長×寬×高），頂標(biāo)高+4.8m，底標(biāo)高+1.6m，澆筑10cm厚C20混凝土墊層1.1.2關(guān)鍵標(biāo)高與尺寸部位標(biāo)高（m）備注鋼板樁頂+9.0高于地面標(biāo)高0.05m鋼板樁底-6.0總長度15m地面+8.95原始路基標(biāo)高地下水位+5.16高于承臺頂標(biāo)高0.36m基坑底+1.5墊層底面標(biāo)高第一道圍檁+5.3距樁頂3.7m第二道圍檁+1.8距基坑底0.3m1.2設(shè)計概況1.2.1結(jié)構(gòu)體系組成結(jié)構(gòu)層次構(gòu)件規(guī)格布置方式功能支護主體拉森-400×170型鋼板樁（Q295）閉合布置，內(nèi)輪廓20.8×12.5m阻擋土體與地下水，承受側(cè)壓力圍檁雙拼I56工字鋼（Q235）沿鋼板樁內(nèi)側(cè)滿布，與鋼板樁焊接固定傳遞側(cè)壓力至支撐，分散荷載內(nèi)支撐φ426×10鋼管（Q235）橫向間距3.5~4.0m，縱向貫通布置主要抗側(cè)力構(gòu)件，平衡水平荷載斜撐雙拼I32工字鋼（Q235）基坑四角布置，與圍檁螺栓連接增強體系穩(wěn)定性，抵抗對角荷載1.2.2施工工藝流程測量放線→插打鋼板樁并閉合→開挖至+5.3m（第一道圍檁標(biāo)高）安裝第一道圍檁及內(nèi)支撐→降水至+1.8m（第二道圍檁標(biāo)高）安裝第二道圍檁及內(nèi)支撐→開挖至基坑底（+1.5m）澆筑C20混凝土墊層→承臺施工→拆除支撐與鋼板樁2計算依據(jù)與材料參數(shù)2.1主要設(shè)計規(guī)范《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTGD60-2004《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T3650-2020（替代JTJ041-2011）《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017（替代GB50017-2003）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011《土力學(xué)》（第二版）中國建筑工業(yè)出版社2.2材料力學(xué)性能2.2.1鋼板樁（Q295）規(guī)格型號截面參數(shù)力學(xué)性能拉森-400×170×15.5寬度400mm，高度170mm，腹板厚15.5mm屈服強度295MPa，抗拉強度410~530MPa截面積242.5cm2，單位重量190kg/m彈性模量206×103MPa，泊松比0.3慣性矩38600cm?，截面模量2270cm3許用彎應(yīng)力[σ]=218MPa（荷載分項系數(shù)1.35）2.2.2支撐與圍檁鋼材（Q235）構(gòu)件類型規(guī)格型號截面參數(shù)力學(xué)性能圍檁雙拼I56工字鋼單根截面積135cm2，慣性矩65590cm?屈服強度235MPa，許用應(yīng)力[σ]=170MPa組合截面模量4684cm3彈性模量206×103MPa斜撐雙拼I32工字鋼單根截面積67cm2，慣性矩11080cm?屈服強度235MPa，許用應(yīng)力[σ]=170MPa組合截面模量1384cm3彈性模量206×103MPa內(nèi)支撐φ426×10鋼管截面積128.8cm2，慣性矩27081cm?屈服強度235MPa，許用應(yīng)力[σ]=170MPa截面模量2579cm3，回轉(zhuǎn)半徑14.5cm彈性模量206×103MPa2.3土體參數(shù)土層名稱厚度（m）飽和重度γ_sat（kN/m3）黏聚力c（kPa）內(nèi)摩擦角φ（°）主動土壓力系數(shù)K_a被動土壓力系數(shù)K_p承載力允許值（kPa）路基填土/粉土1618.75300.33（tan2(45°-φ/2)）3.0（tan2(45°+φ/2)）100（地下水位以下）-8.7（浮重度γ'=γ_sat-10）5300.333.0-3荷載分析與組合3.1荷載類型與計算3.1.1土壓力（朗金理論，水土分算）主動土壓力強度：p_a=γhK_a-2c\sqrt{K_a}地下水位以上（h≤3.79m，地面至地下水位）：p_a=18.7h×0.33-2×5×\sqrt{0.33}=6.17h-5.7地下水位以下（h>3.79m）：p_a=18.7×3.79×0.33+8.7(h-3.79)×0.33-5.7=6.17h-19.3被動土壓力強度：p_p=γhK_p+2c\sqrt{K_p}基坑內(nèi)側(cè)（入土段）：p_p=8.7h×3.0+2×5×\sqrt{3.0}=26.1h+17.33.1.2水壓力靜水壓力強度：p_w=γ_wh_w，γ_w=10kN/m3，h_w為計算點至地下水位的距離基坑底處水壓力：p_w=10×(5.16-1.5)=36.6kPa3.1.3其他荷載施工荷載：2.5kN/m2（人員+設(shè)備），折算為線荷載q_{施工}=2.5×1.0=2.5kN/m（取1m寬鋼板樁計算）振搗荷載：2.5kN/m2，折算線荷載q_{振搗}=2.5kN/m（僅澆筑工況考慮）3.2荷載組合驗算工況組合原則適用構(gòu)件工況一（安裝第二道圍檁前）1.2×（主動土壓力+水壓力）+1.4×施工荷載鋼板樁工況二（開挖至基坑底）1.35×（主動土壓力+水壓力）+1.0×施工荷載鋼板樁、圍檁、支撐穩(wěn)定性驗算1.0×（主動土壓力+水壓力）+1.0×施工荷載基坑抗隆起、鋼板樁入土深度4支護結(jié)構(gòu)受力驗算4.1鋼板樁驗算（取1m寬，等值梁法+Midas建模）4.1.1工況一：開挖至+5.3m（安裝第二道圍檁前）計算模型：懸臂段長度3.7m（樁頂至開挖面），假設(shè)反彎點入土深度h反彎點求解：主動土壓力=被動土壓力，解得h=0（負深度，取h=0）內(nèi)力與變形：最大彎矩M_{max}=9.3kN·m（樁頂下1.5m處）上支點反力F=13.8kN最大變形w_{max}=0.47mm（樁頂）強度驗算：σ=M_{max}/W=9.3×10^6/2270×10^3=4.1MPa≤218MPa（滿足要求）4.1.2工況二：開挖至基坑底（+1.5m，最不利）計算模型：兩道支撐，第一道+5.3m，第二道+1.8m，反彎點入土深度h=1.80m內(nèi)力與變形：最大彎矩M_{max}=116.9kN·m（第二道支撐下1.2m處）上支點反力F_1=177.1kN，下支點反力F_2=82.5kN最大變形w_{max}=20.05mm（兩道支撐之間）強度驗算：σ=116.9×10^6/2270×10^3=51.5MPa≤218MPa（滿足要求）4.2圍檁與支撐驗算（工況二，最不利荷載）4.2.1圍檁（雙拼I56工字鋼）荷載條件：水平線荷載q=177.1kN/m（鋼板樁傳遞）內(nèi)力計算：最大彎矩M_{max}=437.8kN·m（支撐間距中點）最大軸力N_{max}=1106.9kN（節(jié)點處）最大剪力V_{max}=519.5kN（支撐附近）組合強度驗算：\sigma=M_{max}/W+N_{max}/A=437.8×10^6/4684×10^3+1106.9×10^3/(2×135×10^2)=93.5+19.9=113.4MPa≤170MPa（滿足要求）4.2.2斜撐（雙拼I32工字鋼）荷載條件：軸力N=907.9kN，彎矩M=53.5kN·m組合強度驗算：\sigma=53.5×10^6/1384×10^3+907.9×10^3/(2×67×10^2)=38.7+67.4=107.1MPa≤170MPa（滿足要求）4.2.3內(nèi)支撐（φ426×10鋼管）荷載條件：最大軸力N=742.6kN，計算長度l_0=10.5m穩(wěn)定性驗算：長細比λ=l_0/i=10500/145=72.4（a類截面，φ=0.826）穩(wěn)定應(yīng)力\sigma=N/(φA)=742.6×10^3/(0.826×128.8×10^2)=69.8MPa≤170MPa（滿足要求）強度驗算：\sigma=N/A=742.6×10^3/(128.8×10^2)=57.7MPa≤170MPa（滿足要求）5基坑穩(wěn)定性驗算5.1鋼板樁入土深度驗算（等值梁法，工況二）計算原理：等值梁反彎點處彎矩為0，主動土壓力與被動土壓力平衡最小入土深度：設(shè)反彎點至基坑底距離為x，被動土壓力合力=主動土壓力合力∫_0^x(26.1h+17.3)dh=∫_0^{7.45+x}(6.17h-19.3)dh-F_1-F_2解得x=3.04m，考慮安全系數(shù)1.1及外露0.5m：L_{min}=1.1×(3.04+1.8)+7.45+0.5=13.27m≤15m（滿足要求）5.2基坑抗隆起穩(wěn)定性驗算（雙圓弧滑動面法）計算模型：滑動圓弧中心取坑底與鋼板樁交點，滑動面貫穿基坑底以下土體抗滑力矩與滑動力矩：抗滑力矩M_{抗}=M_{土抗}+M_{樁抗}（土體抗剪+鋼板樁抵抗彎矩）滑動力矩M_{滑}=M_{土重}+M_{水壓力}安全系數(shù)：K_s=3.53≥[K_s]=1.7（滿足要求）5.3基坑地基承載力驗算荷載條件：承臺自重+墊層自重，C20混凝土容重25kN/m3基底壓力：\sigma=(25×18.7×10.6×3.2+25×18.7×10.6×0.1)/(18.7×10.6)=82.5kPa≤100kP