钢管 Hat钢板桩新型组合支护结构研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:杜冰(),男,山西运城人,高级工程师,主要从事公路道路与地质方向勘察设计,基坑工程、软土地基处理、边坡工程等方向研究。:(),通讯作者:丰土根(),男,浙江金华人,教授,博导,主要从事岩土工程教学和科研工作。:钢管 钢板桩新型组合支护结构研究杜冰,方浩宇,靖守臣,张箭,丰土根(中交第一公路勘察设计研究院有限公司,西安 ;河海大学 岩土工程科学研究所,南京 ;江苏筑森建筑设计有限公司徐州分公司,徐州 )摘要:为解决传统拉森钢板桩支护刚度不足的问题,提出一种由钢管与 型钢板桩交叉组合使用的新型组合支护结
2、构(,简称 ),其既有钢管桩抗弯刚度大的优势,又有钢板桩止水挡土的优点。同时,针对 支护结构可能存在的问题,展开了截面刚度、结构选型、施工工艺等方面研究,并以马鞍山某基坑工程为算例,得出桩顶水平位移与地表最大沉降值的偏差在 左右,表明该组合支护结构设计合理。最终总结了钢管 型钢板桩的刚度计算、等效截面计算和桩体选型方法,提出组合支护结构的施工工艺和注意事项,对提高地下工程施工质量和安全具有一定意义,也为该组合支护结构的实际应用与推广提供参考。关键词:组合支护结构;基坑开挖;数值模拟;中图分类号:文献标识码:文章编号:()基坑作为当今建筑工程尤其是地下空间工程不可缺少的一部分,发挥着越来越重要的
3、作用,为地下工程施工开挖创造了条件。随着各类高效环保的新型施工技术与材料的推广使用,拉森钢板桩凭借其施工速度快、防水性能好、施工费用低、环境适应性强等优点 ,广泛应用于基坑支护、围堰工程 、地下管线迁改 、航道放冲加固等方面,其特点十分契合现代社会发展的理念和趋势 。相较而言,传统 型钢板桩因为其截面模量较小,进行支护时抗弯刚度不足引起基坑变形过大,降低施工质量,影响工程安全。为了解决传统拉森钢板桩支护刚度不足的问题,通常采用组合钢板桩增加截面刚度并提高基坑可挖深度,因此诞生了各种由不同桩型搭配组成的新型组合钢板桩支护形式。孙发明等 为拓宽钢板桩应用范围,创新性地提出一种由块 型钢板桩和块条形
4、板焊接成的箱体式钢板桩结构,此箱体式截面组合结构制造方便,截面模量大,承载能力强,打桩不易弯曲扭转,可用于各地质条件的工程,极大地解决了钢板桩刚度不足带来的工程应用问题。李仁民 提出了一种 型钢 钢板桩的组合支护结构,钢板桩后方设有扣件固定 型钢,提高了组合桩的截面模量,改善钢板桩的抗弯性能,降低了打桩难度,提高了组合桩的垂直度和整体协调性,既利用了钢板桩止水效果好、成本低、施工方便的优势,又发挥了 型钢截面模量高、抗弯性能好的特点,两者结合在一起共同发挥作用,提高支护效果。目前,钢管 型钢板桩以及钢管 型钢板桩的组合支护结构已开始逐渐应用于实际工程中,但钢管 型钢板桩的组合结构形式还没有实际
5、工程应用或报道。本文提出一种将钢管与帽型钢板桩沿支护方向交叉排列使用的一种新型组合形式,钢管与 型钢板桩通过锁口联结,兼具管桩刚度大、钢板桩成本低的优势,其结构形式如图 所示。水道港口第 卷第 期图 钢管 型钢板桩组合示意图 与传统单纯钢板桩相比,钢管 组合钢板桩具有更大的刚度来控制基坑变形沉降,减少基坑开挖对周边建筑物的影响。与纯钢管支护相比,由于 型钢板桩的交叉使用,可以有效降低钢材用量,节约材料降低成本,提高了支护结构刚度,同时止水挡土效果良好。考虑到目前对于此类组合支护结构形式研究较少,且鲜有实际工程应用的案例,本文以 组合钢板桩支护结构为研究对象,对该新型组合支护结构的刚度计算、等效
6、截面计算、桩体选型方法等关键问题进行研究,并以安徽马鞍山某基坑工程为工程案例,对 钢板桩进行桩型选择以及强度验算。最后,总结出新型组合支护结构施工工艺和注意事项。组合钢板桩支护结构刚度计算方法对于钢板桩尤其是此 组合结构刚度的变化,相关理论研究与试验较少,本节将针对 组合钢板桩的刚度问题,利用平行移轴公式对 钢板桩墙的刚度和截面模量进行初步简化分析,由传统钢板桩的刚度计算方法得出钢管 型钢板桩的抗弯刚度计算方法以及整体等效刚度。组合钢板桩支护结构的受力工作状态分为两种极端情况,一种锁口间无剪力传递的单桩独立承载工作状态和一种锁口间完全剪力传递的理想钢板桩墙工作状态。其截面弯曲的中性轴分别位于单
7、根桩横截面形心处和锁口中心处,而实际的工作状态处于这两种情况之间,即锁口处有剪应力并有相对滑移,实际工作状态的刚度小于理想工作状态的刚度。因此本节对两种工作状态的组合钢板桩刚度分别进行分析 。无剪力传递的单桩承载状态单独承载工作时,中性轴为各单根桩形心处,分别对钢管和 型钢板桩进行计算。此时,采用材料力学中的弯曲刚度计算公式来计算钢管和 型钢板桩的刚度。钢管刚度计算钢管的横截面形状是对称的,因此中性轴可近似看作位于钢管横截面形心处,采用式()式()计算钢管的抗弯刚度。()槡()()()式中:为钢管对形心轴的截面惯性矩;为钢管外直径;为钢管壁厚;为钢管内直径;为钢管的抗弯刚度;为钢管的弹性模量。
8、型钢板桩的刚度计算 型钢板桩的横截面中性轴位于截面中心且平行于主板,其截面属性可根据 冷弯钢板桩 查得,一根 型钢板桩的截面惯性矩可由每延米惯性矩乘以单根桩体的宽度计算。此时,采用式()式()计算其抗弯刚度。()()式中:为 型钢板桩对形心轴的惯性矩;为 型钢板桩每延米惯性矩;为 型钢板桩的有效宽度。完全剪力传递的理想钢板桩墙状态随着受力的不断持续,钢板桩的变形也在逐渐增大,锁口间咬合得更加紧密,锁口开始传递剪应力,并且产生相互摩擦力使得钢管和 型钢板桩协同工作。此时,按中性轴位于锁扣中心计算截面惯性矩与刚 年 月杜冰,等钢管 钢板桩新型组合支护结构研究度,利用材料力学中平行移轴定理计算 型钢
9、板桩的刚度。钢管桩刚度计算钢板桩墙横截面的中性轴位于锁口中心连线上,与原中性轴的位置变化可以忽略,因此钢板桩的刚度可认为不变,由材料力学中圆管的惯性矩公式可以计算出钢管的刚度,即采用式()进行计算。()式中:为钢板桩的抗弯刚度;为材料的弹性模量;为横截面对中性轴的惯性矩。型钢板桩刚度计算由平行移轴公式计算帽型钢板桩横截面对位于锁口中心处的中性轴的截面惯性矩,单根桩体横截面积可由每延米横截面积乘以有效宽度计算,然后乘以弹性模量得到其抗弯刚度,即采用式()式()进行计算。()()()式中:为 型钢板桩对锁扣中心所在直线的刚度;为 型钢板桩对锁扣中心处中性轴直的惯性矩;为每延米横截面积;为截面有效高
10、度。一个单元的组合型钢板桩刚度计算一个组合钢板桩单元由一根钢管和一根 型钢板桩组成,在忽略锁扣宽度的条件下,一个 组合结构单元的刚度由钢管和钢板桩的刚度叠加而成,如式()所示。()组合钢板桩桩体选型对于新型的组合钢板桩基坑支护结构的内力计算方法还没有统一明确的规范,因此,本文参考已有的普通钢板桩支护结构设计流程及相关规范,进行 支护结构关键问题分析,整理出一套适用此钢管 型钢板桩组合支护结构的桩体选型方法,包括土压力计算、内力计算、桩体尺寸参数选择方法,供实际工程借鉴使用。支护结构土压力计算土压力的大小和分布形式与诸多因素有关,如土体的力学特性、支护结构的形式、支撑的刚度、水文地质条件、施工方
11、法等 。本文采用计算简便适用范围广的传统极限状态土压力计算方法。支护结构内力计算图 平面弹性地基梁法计算简图 静力平衡法和等值梁法均为古典计算法,均是将钢板桩看作理想刚体,忽略桩体的变形,因古典法无法计算桩体的变形量,对于钢板桩这种柔性支护结构,刚度不足的问题尤为突出,设计计算时被当作理想刚体会使计算结果产生很大误差。根据 建筑基坑支护技术规程,对于支撑式支挡结构,宜用平面杆系弹性支点法计算挡土支护结构的内力与变形以及支点力值 ,计算简图如图 所示。根据土层分布不同,即 值大小不同,综合考虑挖深、内支撑条件等因素,利用式()式()挠曲线微分方程进行计算。其中使用的计算刚度为式()计算的等效刚度
12、。()()()()()()()式中:为支护结构单位计算宽度的刚度;为支护结构的侧向位移;为计算点处深度;为深度 处的主水道港口第 卷第 期动土压力;为土的水平反力系数的比例系数;为抗力计算宽度;为第 步开挖深度。支护结构桩体参数选择由组合钢板桩支护结构内力计算的桩体最大弯矩 ,根据材料强度验算对钢管和 型钢板桩进行构件选型,选择合适的尺寸和截面模量。钢管、型钢板桩的弯矩设计值、计算首先计算 组合结构最大弯矩设计值,根据计算的桩体最大弯矩 ,分别乘以基坑重要性系数和作用基本组合的综合分项系数,得到弯矩设计值,如式()所示。()式中:为计算求得的最大弯矩值;为基坑重要性系数;为按承载能力极限状态荷
13、载基本组合的综合分项系数,取值应不小于 。然后将计算的最大弯矩设计值 进行修正,因为上文计算的桩体最大弯矩 是每米桩墙宽度的最大弯矩值,而按照弯矩按刚度分配的原则,要计算一个 组合钢板桩结构单元的宽度上的弯矩值,因此要对最大弯矩设计值 进行调整。一个 组合钢板桩结构单元由一根钢管和一根 型钢板桩组成,为 型钢板桩的有效宽度,;为钢管的有效宽度,即为钢管的外径;为调整后的最大弯矩设计值,采用式()进行计算。()()根据组合钢板桩承受的荷载按刚度分配的原则,分别计算钢管和 型钢板桩的最大弯矩设计值 与。钢管的截面惯性矩 和 型钢板桩的截面惯性矩 可根据材料力学截面惯性矩计算公式以及钢管、钢板桩型号
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