钢板桩基坑支护设计原则及计算

一、钢板桩设计原则

1.1、钢板桩基坑支护设计时，支护结构的整体稳定应符合现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120的相关规定；

钢板桩的受弯、受剪承载力应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB50017的相关规定。

1.2、对安全等级为一级、二级、三级的钢板桩支护结构，其结构重要性系数分别不应小于1.1、1.0、0.9。

1.3、作用在钢板桩上的荷载包括：

A、水平荷载

1）、水、土压力；

2）、周边建（构）筑物、车辆、堆载等引起的附加侧向压力；

3）、锚杆（索）、内支撑产生的水平力。

B、竖向荷载

1）、承托在钢板桩上的边跨支撑、围檩、冠梁等结构构件自重；

2）、锚杆（索）、竖向斜撑产生的竖向力；

3）、钢板桩自重；

4）、作用在钢板桩墙顶的施工平台荷载或其它竖向荷载。

1.4、钢板桩支护结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计：

A、承载能力极限状态

1）、支护结构和土体整体滑动；

2）基坑底因隆起而丧失稳定；

3）、钢板桩因坑底土体丧失嵌固能力而被推移或倾覆；

4）、内支撑构件或连接节点因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承受荷载，或出现压屈、局部失稳；

5）、竖向斜撑支座因丧失承载能力被推移；

6）、锚杆（索）、锚碇因杆体破坏或土体丧失锚固能力而被拔动；

7）、地下水渗流引起的土体渗透破坏。

B、正常使用极限状态

1）、造成基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路等损坏或影响其正常使用的支护结构位移；

2）、影响主体地下结构正常施工的支护结构位移；

3）、造成钢板桩损坏或影响其回收再利用的支护结构变形。

1.5、钢板桩支护结构的计算应采用下列设计表达式：

A、承载能力极限状态

1）、支护结构或连接因超过材料强度的承载能力极限状态设计，应符合下式要求：

γ_o×S_d≤R_d；

式中：

γ_o——结构重要性系数；

S_d——作用基本组合的效应（轴力、弯矩等）设计值；

R_d——结构构件的抗力设计值。

作用基本组合的效应设计值应按下式确定：

R_d=γ_F×S_k；

式中：

γ_F——作用基本组合的综合分项系数；

S_k——作用标准组合的效应。

2）、整体滑动、隆起失稳、钢板桩推移或倾覆等稳定性计算，应符合下式要求：

R_k/S_k≥K；

式中：

R_k——抗滑力、抗滑力矩、抗倾覆力矩等抗力标准值；

S_k——滑动力、滑动力矩、倾覆力矩等作用标准值的效应；

K——安全系数，应按现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》GJ120第4.2节的规定取值。

B、正常使用极限状态

应符合下式要求：

S_d≤C

式中：

S_d——作用标准组合的效应（位移、沉降等）设计值；

C——支护结构位移、支撑构件变形、基坑周边沉降的限值。

1.6、钢板桩支护结构按承载能力极限状态设计时，作用基本组合的综合分项系数γ_F不应小于1.25。

1.7、钢板桩支护结构的内力设计值可采用下列公式表示：

轴向力设计值：N=γ_o×γ_F×N_k；

弯矩设计值：M=γ_o×γ_F×M_k；

剪力设计值：V=γ_o×γ_F×V_k；

式中：

N——轴向力设计值（kN)；

N_k——作用标准组合的轴向力值（kN)；

M——弯矩设计值（kN·m)；

M_k——作用标准组合的弯矩值（kN·m)；

V——剪力设计值(kN)；

V_k——作用标准组合的剪力值（kN)。

1.8、土的抗剪强度指标选取应符合现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120第3.1.14条的规定。当勘察报告提供的膨胀土的抗剪强度指标为直剪试验指标时，宜根据支护结构的安全等级对粘聚力进行折减，且粘聚力取值不宜大于60kPa。

1.9、钢板桩支护结构应根据具体类型及受力、变形特性等采用下列分析方法：

A、桩锚式钢板桩支护结构，可将整个结构分解为钢板桩、锚杆（索）结构分别进行分析；钢板桩宜采用平面杆系结构弹性支点法进行分析；作用在锚杆（索）结构上的荷载应取钢板桩分析时得出的支点力；

B、内支撑式钢板桩支护结构，可将整个结构分解为钢板桩、内支撑结构分别进行分析；钢板桩宜采用平面杆系结构弹性支点法进行分析；内支撑结构可按平面结构进行分析，钢板桩传至内支撑的荷载应取钢板桩分析时得出的支点力；对钢板桩和内支撑结构分别进行分析时，应考虑其相互之间的变形协调；

C、悬臂式钢板桩支护结构，宜采用平面杆系结构弹性支点法进行结构分析；

D、当有可靠经验时，圆形支护工程可采用空间结构分析方法对钢板桩支护结构进行整体分析或采用数值分析方法对钢板桩支护结构与土体进行整体分析；

E、当基坑平面或空间不规则时，在按本条1~3款原则计算的基础上，宜采用空间结构分析方法对支护结构进行整体分析。有可靠经验时，对于简单规则对撑也可按轴对称结构采用平面杆系弹性支点法进行结构分析。

1.10、钢板桩支护结构应按土方分层开挖、加撑（锚）、拆换撑（锚）等各工况进行结构分析，并应按其中最不利作用效应进行结构构件设计。

1.11、钢板桩承受竖向荷载时，应进行承载力和沉降计算，并分析对支护结构的影响。

二、钢板桩计算

2.1、钢板桩截面计算应满足下式要求：

[M/（ξ×β×W_x）]+N/A≤f；

式中：

M———弯矩设计值（N·mm)；

N——作用在钢板桩上的轴心压力设计值（N)，由竖向荷载产生；

W_x——钢板桩的截面模量（mm²），按第4.2.2条规定采用；

β——截面模量折减系数，按第4.2.3条规定采用；

ξ——重复利用折减系数，对于首次使用的新钢板桩，取值1.0，对于旧钢板桩，无相关数据经验时，根据重复利用次数，可取0.85~0.95；

f——钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值（N/mm²）。

2.2、U型钢板桩墙的每米板面截面模量按附录A采用。组合型钢板桩墙每米板面截面模量可按平行移轴公式计算截面惯性矩和截面模量；若考虑作用效应全部由H型钢、钢管承受，可按柱列式排桩计算。

2.3、如不设置冠梁或整体围檩，钢板桩墙的截面模量折减系数β取0.6；当设置冠梁或整体围檩时，β可取0.9。对于组合型钢板桩墙，若考虑作用效应全部由H型钢、钢管承受，不论是否设置冠梁或整体围檩，H型钢、钢管的截面模量折减系数β均取1.0。

2.4、钢冠梁的受弯、受剪承载力应按现行国家标准《钢结构设计标准》GB50017计算；钢筋混凝土冠梁用作支撑、锚杆（索）的传力构件或按空间结构设计时，其承载力应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010进行计算，同时满足构造要求。

2.5、钢板桩支护结构中钢围檩计算应满足下列要求：

将支护结构单元计算所求出的支锚位置的反力按照均布荷载考虑，把围檩看作由支锚作为支点的简支梁或连续梁进行计算。

A、受弯强度

受弯强度按下式计算：

[M_x/（γ_x×W_nx)]+[M_y/（γ_y×W_ny)]≤ξf；

B、受剪强度

受剪强度按下式计算：

（V×S）/（I×t_w）≤ξf_v；

式中：

M_x、M_y——分别为同一截面处对x轴、y轴的弯矩设计值(N· mm)；

W_nx、W_ny——对x轴、y轴的净截面模量(mm²）；

γ_x、γ_y——对主轴x、y的截面塑性发展系数；

ξ——重复利用折减系数，对于首次使用的新钢支撑，取值1.0；对于旧钢支撑，无相关数据经验时，根据重复利用次数可取0.85~0.95；

f———钢材的强度设计值（N/mm²）；

V——计算截面沿腹板平面的剪力设计值（N)；

S——计算剪应力处以上（或以下）毛截面对中和轴的面积矩（mm²）；

I——构件的毛截面惯性矩（mm‘）；

t_w——腹板厚度（mm）；

f_v——钢材抗剪强度设计值（N/mm²）。

C、局部承压强度

局部承压强度计算应按现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017 计算。

2.6、钢板桩支护结构中钢筋混凝土围檩计算应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的有关规定。

2.7、支撑、锚杆（索）计算应符合行业标准《建筑基坑支护技术规程》GJ120的有关规定，装配式钢支撑计算应符合安徽省工程建设地方标准《装配式钢支撑基坑支护技术标准》DB34/T3466的有关规定。

三、钢板桩的布置与构造

3.1、钢板桩墙的常用截面布置形式如图3.1所示：

图3.1钢板桩常用截面布置形式图

3.2、钢板桩支护结构常用类型为悬臂式、锚碇式、桩锚式、内支撑式，见表3.2—1。

表3.2-1钢板桩支护结构常用类型

3.3、钢板桩基坑支护设计时应根据基坑深度、地质条件、环境条件、拟建主体结构布置、常用钢板桩截面型号及长度、施工条件等确定支护结构类型、截面布置形式和支锚层数。

3.4、钢板桩的桩长、桩顶标高确定应考虑挡土、沉桩及回收工艺并考虑钢板桩的定尺长度。

3.5、钢板桩的平面布置应便于地下结构施工，平面布置形状应尽量平直整齐，避免不规则的转角。

3.6、钢板桩长度小于等于18m时不宜设置接头，如接头不可避免时，应选择桩身受力较小的部位设置，且接头处宜采取等强拼接。桩身接头应错开布置确保在同一高程平面不超过50%，错开的距离不宜小于5m，如图3.6。接头焊缝质量应符合相关规范要求。

图3.6 钢板桩桩身接头布置

3.7、钢板桩冠梁构造应符合下列要求：

A、钢冠梁可采用单根型钢或型钢组合构件，型钢与钢板桩应采用螺栓连接或焊接连接，其构造应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB50017的规定；

B、钢冠梁与钢板桩之间的局部间隙应根据间隙大小加工钢板或型钢垫块顶紧焊牢；

C、钢筋混凝土冠梁钢筋应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010对梁的构造配筋要求。

D、钢筋混凝土冠梁应封闭，冠梁竖向高度不宜小于500mm，冠梁外边缘距离钢板桩外边缘不应小于75mm；

E、钢板桩墙伸入钢筋混凝土冠梁内不宜小于1倍钢板桩墙截面高度且不宜小于梁高；仅起桩间挡土作用的钢板桩伸入钢筋混凝土冠梁内不得小于100mm；

F、钢筋混凝土冠梁兼做支撑、锚杆（索）围檩时，钢板桩与冠梁间不应设置隔离材料。

3.8、钢板桩支护结构中内支撑、锚杆（索）与钢板桩墙宜采用钢围檩连接，钢围檩与钢板桩墙的常用的连接方式如下图所示。

图3.8  钢围檩做法

3.9、钢围檩的构造应符合下列规定：

A、围檩的截面宽度不应小于300mm;

B、围檩宜减少拼接节点，拼接点位置应尽量设置在支撑点附近，并不应超过围檩计算跨度的三分点；围檩分段长度不宜小于支撑间距的两倍；当采用多根型钢组合时，拼接点应错开布置且不宜在同跨内设置；

C、围檩与钢板桩内表面之间的空隙应采用强度等级不低于C30的细石混凝土填嵌，当支撑设置预加轴力时也可采用垫块；

D、安装钢围檩前，应在钢板桩上设置安装钢支架，钢支架与钢板桩可直接焊接连接。安装支架应能承受边跨支撑、围檩及填嵌细石混凝土的重量；

E、与支撑斜交相连的围檩，应有避免围檩产生顺向滑移的抗剪措施；

F、用于竖向斜撑的围檩应设置反向支架。