箱涵基坑支护结构验算书专家论证.docx
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箱涵基坑支护结构验算书专家论证
苍南县龙港新城临港大道西段工程Ⅱ标段箱涵深基坑拉森钢板桩支护
结
构
验
算
编制人:
审核人:
审批人:
浙江省隧道工程有限公司
2016年10月
1、支护结构介绍………………………………………………1
2、钢板桩如图深度计算………………………………………1
3、钢板桩强度验算……………………………………………4
4、基坑底隆起稳定性计算……………………………………6
5、围檩受力计算………………………………………………7
6、内支撑受力计算……………………………………………8
7、特殊工况验算………………………………………………10
苍南县龙港新城临港大道西段工程桥箱涵深基坑拉森钢板桩支护结构验算书
第一章支护结构介绍
本次基坑支护设计采用IV型拉森钢板桩,钢板桩桩长15m;围檩采用HW400*400型钢;基坑内横撑采用D500*10钢管,布一道横撑,横撑水平间距5m;角撑采用HW400*400型钢;基坑内四边均需设置角撑。
基坑平面图如下布置:
第二章钢板桩入土深度计算
根据施工现场情况可知,箱涵基坑底标高-1.4m,现场场地实际标高约3.0m,基坑深度约4.4m,高差较大。
基坑开挖钢板桩支护应安全可靠,防止土体位移变形超出允许范围,必须对钢板桩支护进行施工验算。
本着对基坑安全性考虑,箱涵东西两侧的河水高度范围内均当土体考虑。
计算过程参照双支点钢板桩墙支护计算(圆弧滑动简单条分法),进行钢板桩支护的施工验算。
根据施工需要,施工验算采用平面尺寸为85m(横向)*8m(道路方向)的最大钢板桩支护基坑进行施工验算,钢板支护顶面高程为3.0m,围护材料采用拉森IV型钢板桩。
拉森钢板桩的选型(桩长15m)
序号
宽度B
高度H
腹板厚t1
备注
1
400mm
170mm
15.5mm
施工采用设计图纸地质资料(见下表),钢板桩围护设计顶标高为3.0m,基坑底面底面标高为-1.4m,基坑深度为4.4m,钢板桩入土深度10.6m。
钢板桩验算荷载除考虑土体压力外,在围护顶外考虑施工动荷载20KN/m2
土压力计算采用朗肯土压力理论,矩形分布模式,坑底以下的土重力不考虑浮力影响,按照淤泥进行计算;
基坑设计主要技术参数
指标
土层
Es
fa0
qik
MPa
kPa
kPa
①粘土
3.8
70
22
②1含细砂淤泥
1.8
46
11
②2淤泥
1.6
45
10
②3淤泥
1.9
50
12
软土主要物理力学性质一览表
岩土
编号
岩土
名称
天然
含水量
ω(%)
天然
孔隙比
e
压缩系数
压缩模量
直剪固快
α
(1/MPa)
Es
(MPa)
黏聚力Cq
(kPa)
内摩擦角φq
(度)
②1
含细砂淤泥
53.0
1.42
1.35
1.80
12.0
7.0
②2
淤泥
59.0
1.63
1.30
1.70
9.0
10.0
②3
淤泥
60.0
1.63
1.40
1.90
10.0
11.0
第三章支护结构设计计算
计算依据:
1、《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012
2、《建筑施工计算手册》江正荣编著
3、《实用土木工程手册》第三版杨文渊编著
4、《施工现场设施安全设计计算手册》谢建民编著
5、《土力学与地基基础》
一、参数信息
1、基本参数
支护桩材料
钢桩
支护桩间距ba(m)
0.01
支护桩嵌入土深度ld(m)
10.6
基坑开挖深度h(m)
4.4
基坑外侧水位深度ha(m)
2.8
基坑内侧水位深度hp(m)
6
支护桩在坑底处的水平位移量υ(mm)
12
承压水含水层顶面至坑底的土层厚度D(m)
6
承压水含水层顶面的压力水头高度hw(m)
7.2
2、土层参数
土层类型
土厚度h(m)
土重度γ(kN/m3)
粘聚力c(kPa)
内摩擦角φ(°)
饱和土重度γsat(kN/m3)
水土分算
淤泥质二
3
16.3
7.7
7
17.3
否
淤泥
10
16.3
10.9
10
16.3
否
淤泥
20
16.3
10.7
11
16.1
否
3、荷载参数
类型
荷载q(kpa)
距支护边缘的水平距离a(m)
垂直基坑边的分布宽度b(m)
平行基坑边的分布长度l(m)
作用深度d(m)
满布荷载
3
/
/
/
/
条形局部荷载
3.5
4
4
/
0
矩形局部荷载
4
5
5
6
4
4、计算系数
结构重要性系数γ0
1
综合分项系数γF
1.25
嵌固稳定安全系数Ke
1.2
圆弧滑动稳定安全系数Ks
1.3
突涌稳定安全系数Kh
1.1
二、土压力计算
土压力分布示意图
附加荷载布置图
1、主动土压力计算
1)主动土压力系数
Ka1=tan2(45°-φ1/2)=tan2(45-7/2)=0.783;
Ka2=tan2(45°-φ2/2)=tan2(45-7/2)=0.783;
Ka3=tan2(45°-φ3/2)=tan2(45-10/2)=0.704;
Ka4=tan2(45°-φ4/2)=tan2(45-10/2)=0.704;
Ka5=tan2(45°-φ5/2)=tan2(45-10/2)=0.704;
Ka6=tan2(45°-φ6/2)=tan2(45-11/2)=0.68;
2)土压力、地下水产生的水平荷载
第1层土:
0-2.8m
H1'=[∑γ0h0+∑q1]/γi=[0+3]/16.3=0.184m
Pak1上=γ1H1'Ka1-2c1Ka10.5=16.3×0.184×0.783-2×7.7×0.7830.5=-11.279kN/m2
Pak1下=γ1(h1+H1')Ka1-2c1Ka10.5=16.3×(2.8+0.184)×0.783-2×7.7×0.7830.5=24.457kN/m2
第2层土:
2.8-3m
H2'=[∑γ1h1+∑q1]/γsati=[45.64+3]/17.3=2.812m
Pak2上=γsat2H2'Ka2-2c2Ka20.5=17.3×2.812×0.783-2×7.7×0.7830.5=24.464kN/m2
Pak2下=γsat2(h2+H2')Ka2-2c2Ka20.5=17.3×(0.2+2.812)×0.783-2×7.7×0.7830.5=27.173kN/m2
第3层土:
3-4m
H3'=[∑γ2h2+∑q1]/γsati=[49.1+3]/16.3=3.196m
Pak3上=γsat3H3'Ka3-2c3Ka30.5=16.3×3.196×0.704-2×10.9×0.7040.5=18.384kN/m2
Pak3下=γsat3(h3+H3')Ka3-2c3Ka30.5=16.3×(1+3.196)×0.704-2×10.9×0.7040.5=29.859kN/m2
第4层土:
4-9m
H4'=[∑γ3h3+∑q1+∑q1b1/(b1+2a1)]/γsati=[65.4+3+1.167]/16.3=4.268m
Pak4上=γsat4H4'Ka4-2c4Ka40.5=16.3×4.268×0.704-2×10.9×0.7040.5=30.685kN/m2
Pak4下=γsat4(h4+H4')Ka4-2c4Ka40.5=16.3×(5+4.268)×0.704-2×10.9×0.7040.5=88.061kN/m2
第5层土:
9-13m
H5'=[∑γ4h4+∑q1+∑q1b1/(b1+2a1)+∑q1b1l1/((b1+2a1)(l1+2a1)]/γsati=[146.9+3+1.167+0.5]/16.3=9.299m
Pak5上=γsat5H5'Ka5-2c5Ka50.5=16.3×9.299×0.704-2×10.9×0.7040.5=88.417kN/m2
Pak5下=γsat5(h5+H5')Ka5-2c5Ka50.5=16.3×(4+9.299)×0.704-2×10.9×0.7040.5=134.317kN/m2
第6层土:
13-15m
H6'=[∑γ5h5+∑q1+∑q1b1/(b1+2a1)+∑q1b1l1/((b1+2a1)(l1+2a1)]/γsati=[212.1+3+1.167+0.5]/16.1=13.464m
Pak6上=γsat6H6'Ka6-2c6Ka60.5=16.1×13.464×0.68-2×10.7×0.680.5=129.757kN/m2
Pak6下=γsat6(h6+H6')Ka6-2c6Ka60.5=16.1×(2+13.464)×0.68-2×10.7×0.680.5=151.653kN/m2
3)水平荷载
临界深度:
Z0=Pak1下h1/(Pak1上+Pak1下)=24.457×2.8/(11.279+24.457)=1.916m;
第1层土
Eak1=0.5Pak1下Z0ba=0.5×24.457×1.916×0.01=0.234kN;
aa1=Z0/3+∑h2=1.916/3+12.2=12.839m;
第2层土
Eak2=h2(Pa2上+Pa2下)ba/2=0.2×(24.464+27.173)×0.01/2=0.052kN;
aa2=h2(2Pa2上+Pa2下)/(3Pa2上+3Pa2下)+∑h3=0.2×(2×24.464+27.173)/(3×24.464+3×27.173)+12=12.098m;
第3层土
Eak3=h3(Pa3上+Pa3下)ba/2=1×(18.384+29.859)×0.01/2=0.241kN;
aa3=h3(2Pa3上+Pa3下)/(3Pa3上+3Pa3下)+∑h4=1×(2×18.384+29.859)/(3×18.384+3×29.859)+11=11.46m;
第4层土
Eak4=h4(Pa4上+Pa4下)ba/2=5×(30.685+88.061)×0.01/2=2.969kN;
aa4=h4(2Pa4上+Pa4下)/(3Pa4上+3Pa4下)+∑h5=5×(2×30.685+88.061)/(3×30.685+3×88.061)+6=8.097m;
第5层土
Eak5=h5(Pa5上+Pa5下)ba/2=4×(88.417+134.317)×0.01/2=4.455kN;
aa5=h5(2Pa5上+Pa5下)/(3Pa5上+3Pa5下)+∑h6=4×(2×88.417+134.317)/(3×88.417+3×134.317)+2=3.863m;
第6层土
Eak6=h6(Pa6上+Pa6下)ba/2=2×(129.757+151.653)×0.01/2=2.814kN;
aa6=h6(2Pa6上+Pa6下)/(3Pa6上+3Pa6下)=2×(2×129.757+151.653)/(3×129.757+3×151.653)=0.974m;
土压力合力:
Eak=ΣEaki=0.234+0.052+0.241+2.969+4.455+2.814=10.765kN;
合力作用点:
aa=Σ(aaiEaki)/Eak=(12.839×0.234+12.098×0.052+11.46×0.241+8.097×2.969+3.863×4.455+0.974×2.814)/10.765=4.681m;
2、被动土压力计算
1)被动土压力系数
Kp1=tan2(45°+φ1/2)=tan2(45+10/2)=1.42;
Kp2=tan2(45°+φ2/2)=tan2(45+10/2)=1.42;
Kp3=tan2(45°+φ3/2)=tan2(45+11/2)=1.472;
2)土压力、地下水产生的水平荷载
第1层土:
4.4-10.4m
H1'=[∑γ0h0]/γi=[0]/16.3=0m
Ppk1上=γ1H1'Kp1+2c1Kp10.5=16.3×0×1.42+2×10.9×1.420.5=25.978kN/m2
Ppk1下=γ1(h1+H1')Kp1+2c1Kp10.5=16.3×(6+0)×1.42+2×10.9×1.420.5=164.854kN/m2
第2层土:
10.4-13m
H2'=[∑γ1h1]/γsati=[97.8]/16.3=6m
Ppk2上=γsat2H2'Kp2+2c2Kp20.5=16.3×6×1.42+2×10.9×1.420.5=164.854kN/m2
Ppk2下=γsat2(h2+H2')Kp2+2c2Kp20.5=16.3×(2.6+6)×1.42+2×10.9×1.420.5=225.033kN/m2
第3层土:
13-15m
H3'=[∑γ2h2]/γsati=[140.18]/16.1=8.707m
Ppk3上=γsat3H3'Kp3+2c3Kp30.5=16.1×8.707×1.472+2×10.7×1.4720.5=232.313kN/m2
Ppk3下=γsat3(h3+H3')Kp3+2c3Kp30.5=16.1×(2+8.707)×1.472+2×10.7×1.4720.5=279.711kN/m2
3)水平荷载
第1层土
Epk1=bah1(Pp1上+Pp1下)/2=0.01×6×(25.978+164.854)/2=5.725kN;
ap1=h1(2Pp1上+Pp1下)/(3Pp1上+3Pp1下)+∑h2=6×(2×25.978+164.854)/(3×25.978+3×164.854)+4.6=6.872m;
第2层土
Epk2=bah2(Pp2上+Pp2下)/2=0.01×2.6×(164.854+225.033)/2=5.069kN;
ap2=h2(2Pp2上+Pp2下)/(3Pp2上+3Pp2下)+∑h3=2.6×(2×164.854+225.033)/(3×164.854+3×225.033)+2=3.233m;
第3层土
Epk3=bah3(Pp3上+Pp3下)/2=0.01×2×(232.313+279.711)/2=5.12kN;
ap3=h3(2Pp3上+Pp3下)/(3Pp3上+3Pp3下)=2×(2×232.313+279.711)/(3×232.313+3×279.711)=0.969m;
土压力合力:
Epk=ΣEpki=5.725+5.069+5.12=15.914kN;
合力作用点:
ap=Σ(apiEpki)/Epk=(6.872×5.725+3.233×5.069+0.969×5.12)/15.914=3.814m;
3、基坑内侧土反力计算
1)主动土压力系数
Ka1=tan2(45°-φ1/2)=tan2(45-10/2)=0.704;
Ka2=tan2(45°-φ2/2)=tan2(45-10/2)=0.704;
Ka3=tan2(45°-φ3/2)=tan2(45-11/2)=0.68;
2)土压力、地下水产生的水平荷载
第1层土:
4.4-10.4m
H1'=[∑γ0h0]/γi=[0]/16.3=0m
Psk1上=(0.2φ12-φ1+c1)∑h0(1-∑h0/ld)υ/υb+γ1H1'Ka1=(0.2×102-10+10.9)×0×(1-0/10.6)×0.012/0.012+16.3×0×0.704=0kN/m2
Psk1下=(0.2φ12-φ1+c1)∑h1(1-∑h1/ld)υ/υb+γ1(h1+H1')Ka1=(0.2×102-10+10.9)×6×(1-6/10.6)×0.012/0.012+16.3×(0+6)×0.704=123.27kN/m2
第2层土:
10.4-13m
H2'=[∑γ1h1]/γsati=[97.8]/16.3=6m
Psk2上=(0.2φ22-φ2+c2)∑h1(1-∑h1/ld)υ/υb+γsat2H2'Ka2=(0.2×102-10+10.9)×6×(1-6/10.6)×0.012/0.012+16.3×6×0.704=123.27kN/m2
Psk2下=(0.2φ22-φ2+c2)∑h2(1-∑h2/ld)υ/υb+γsat2(h2+H2')Ka2=(0.2×102-10+10.9)×8.6×(1-8.6/10.6)×0.012/0.012+16.3×(6+2.6)×0.704=132.6kN/m2
第3层土:
13-15m
H3'=[∑γ2h2]/γsati=[140.18]/16.1=8.707m
Psk3上=(0.2φ32-φ3+c3)∑h2(1-∑h2/ld)υ/υb+γsat3H3'Ka3=(0.2×112-11+10.7)×8.6×(1-8.6/10.6)×0.012/0.012+16.1×8.707×0.68=134.105kN/m2
Psk3下=(0.2φ32-φ3+c3)∑h3(1-∑h3/ld)υ/υb+γsat3(h3+H3')Ka3=(0.2×112-11+10.7)×10.6×(1-10.6/10.6)×0.012/0.012+16.1×(8.707+2)×0.68=117.22kN/m2
3)水平荷载
第1层土
Psk1=b0h1(Ps1上+Ps1下)/2=0.01×6×(0+123.27)/2=3.698kN;
as1=h1(2Ps1上+Ps1下)/(3Ps1上+3Ps1下)+∑h2=6×(2×0+123.27)/(3×0+3×123.27)+4.6=6.6m;
第2层土
Psk2=b0h2(Ps2上+Ps2下)/2=0.01×2.6×(123.27+132.6)/2=3.326kN;
as2=h2(2Ps2上+Ps2下)/(3Ps2上+3Ps2下)+∑h3=2.6×(2×123.27+132.6)/(3×123.27+3×132.6)+2=3.284m;
第3层土
Psk3=b0h3(Ps3上+Ps3下)/2=0.01×2×(134.105+117.22)/2=2.513kN;
as3=h3(2Ps3上+Ps3下)/(3Ps3上+3Ps3下)=2×(2×134.105+117.22)/(3×134.105+3×117.22)=1.022m;
土压力合力:
Ppk=ΣPpki=3.698+3.326+2.513=9.537kN;
合力作用点:
as=Σ(asiPski)/Ppk=(6.6×3.698+3.284×3.326+1.022×2.513)/9.537=3.974m;
Psk=9.537kN≤Ep=15.914kN
满足要求!
三、稳定性验算
1、嵌固稳定性验算
Epkapl/(Eakaal)=15.914×3.814/(10.765×4.681)=1.205≥Ke=1.2
满足要求!
2、整体滑动稳定性验算
圆弧滑动条分法示意图
Ksi=∑{cjlj+[(qjbj+ΔGj)cosθj-μjlj]tanφj}/∑(qjbj+ΔGj)sinθ
cj、φj──第j土条滑弧面处土的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°);
bj──第j土条的宽度(m);
θj──第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角(°);
lj──第j土条的滑弧段长度(m),取lj=bj/cosθj;
qj──作用在第j土条上的附加分布荷载标准值(kPa);
ΔGj──第j土条的自重(kN),按天然重度计算;
uj──第j土条在滑弧面上的孔隙水压力(kPa),采用落底式截水帷幕时,对地下水位以下的砂土、碎石土、粉土,在基坑外侧,可取uj=γwhwaj,在基坑内侧,可取uj=γwhwpj;滑弧面在地下水位以上或对地下水位以下的粘性土,取uj=0;
γw──地下水重度(kN/m3);
hwaj──基坑外侧第j土条滑弧面中点的压力水头(m);
hwpj──基坑内侧第j土条滑弧面中点的压力水头(m);
min{Ks1,Ks2,……,Ksi,……}=1.572>Ks=1.3
满足要求!
3、渗透稳定性验算
承压水作用下的坑底突涌稳定性验算:
Dγ/(hwγw)=∑hiγi/(hwγw)=(7.4×16.3)/(7.2×10)=1.675
Dγ/(hwγw)=1.675≥Kh=1.1
满足要求!
四、结构计算
1、材料参数
钢桩类型
钢板
钢桩型号
400×170×15.5
钢材的惯性矩I(cm4)
4670
钢材的截面抵抗矩W(cm3)
362
钢材的弹性模量E(N/mm2)
206000
钢材的抗弯强度设计值f(N/mm2)
205
钢材的抗剪强度设计值τ(N/mm2)
125
材料截面塑性发展系数γ
1.05
2、支护桩的受力简图
计算简图
弯矩图(kN·m)
Mk=12.669kN.m
剪力图(kN)
Vk=4.25kN
3、强度设计值确定
M=γ0γFMk=1×1.25×12.669=15.836kN·m
V=γ0γFVk=1×1.25×4.25=5.312kN
4、钢板桩强度计算
σmax=M/(γW)=15.836×106/(1.05×362×103)=41.663N/mm2≤[f]=205N/mm2
满足要求!
H`=(WH2-(H-t)2(W-2t))/(2(WH-(H-t)(W-2t))=(400×1702-(170-15.5)2(400-2×15.5))/(2(400×170-(170-15.5)(400-2×15.5))=125mm
S=t(H-H`)2=15.5×(170-125)2=31388mm3,
τmax=VS/It=5.312×31388×103/(4670×104×15.5)=0.23N/mm2≤[f]=125N/mm2
满足要求!
五、围檩支撑设计计算
计算依据:
《钢结构设计标准》GB50017-2017
1、基本参数
单跨梁型式
两端固定梁
荷载布置方式
3-1
单跨梁长L(m)
8
恒载标准值Pgk(KN):
3.5
活载标准值Pqk(kN):
2.5
恒载分项系数γG
1.2
活载分项系数γQ
1.4
挠度控制
1/250
材质
Q235
X轴塑性发展系数γx
1.05
2、梁截面计算
截面类型
钢管
截面型号
φ500
截面面积A(cm2)
153.94
截面惯性矩Ix(cm4)
46219.9
截面抵抗矩Wx(cm3)
1848.8
自重标准值gk(kN/m)
120.84
抗弯强度设计值[f](N/mm2)
215
抗剪
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