学文网摘要：该文介绍了钢板桩支护的设计，根据钢板桩的实际受力状况建立力学模型，通过理论计算，确定钢板桩的实际受力及支护结构的稳定性，以确保支护结构的精确性和安全性，从而满足工程需要。
Abstract: This paper introduces steel sheet pile support design, according to the stress condition of establishing mechanical model of steel sheet pile is actual, through theoretical calculation, determine the stress and stability of the supporting structure of steel sheet pile is actual, to ensure that the supporting accuracy and safety of the supporting structure, so as to meet the needs of engineering.
关键词：钢板桩；支护
Keywords: steel sheet pile; support
TU94+2
1、前言
基坑的支护形式和所选材料种类很多，应根据项目的具体情况采用合理的支护方案，本
文着重通过对钢板桩支护的受力分析，整理了一套比较完整的基坑支护计算方法及步骤，以供参考。
2、主要计算内容
钢板桩支护设计中主要进行以下计算：
(l）钢板桩内力计算。
(2）支撑系统内力计算。
(3）稳定性验算。
各项计算内容又包含多个子项，下面逐个阐述其计算方法及步骤。
3、计算方法及步骤
3.1钢板桩内力计算
对钢板桩进行内力分析的方法很多，设计时应根据支护的构造形式选择合适的分析方法，本文仅对等值梁法进行介绍，计算步骤如下。
（l）计算反弯点位置。
假定钢板桩上土压力为零的点为反弯点，设其位于开挖面以下y处，则有：
γ1KKpy=γ2Ka(H+y)，整理得：y=γ2KaH /(γ1KKp-γ2Ka) ①，此计算公式未考虑粘聚力，偏安全。
式中，γ1，γ2—坑内外土层的容重加权平均值；H—基坑开挖深度；Ka—主动土压力系数；Kp—被动土压力系数；K—被动土压力修正系数。
（2）等直梁法计算板桩的最大弯矩和支点反力，计算简***如下。
（3）钢板桩的最小入土深度计算。
由等值梁BG求算板桩的入土深度，取MG=0，则Qb x-(γ1KKp-γ2Ka)x³/6=0,
因此x=sqrt[6 Qb/(γ1KKp-γ2Ka)] ②,此计算公式未考虑粘聚力，偏安全。
桩的最小入土深度：t0=y+x, 如桩端为一般的土质条件，应乘以系数1.1，若板桩后面为填土，取乘以系数1.2，即t= （1.1～1.2）t0 ③
对于多层支点的支护体系，常采用等弯矩布置的形式,这种布置是将支撑布置成使板桩各跨度弯矩相等，且等于板桩的允许抵抗弯矩，以便充分发挥板桩的抗弯刚度，并使板桩材料最经济，其计算步骤为：
a、根据施工条件选定一种板桩，通过板桩允许抵抗弯矩计算板桩顶部的最大允许悬臂跨度h：
④
式中，f—钢板桩抗弯强度设计值；
W—截面抗弯模量；
、Ka—同前
b、根据下表确定下部各层支撑的的跨度（即支撑的间距）。
表1
***2 板桩等弯矩支撑间距布置***
c、若算出的支撑层数过多或过少，可另外选择板桩的规格，按上述同样步骤重新计算各跨跨度。
（4）将钢板桩从反弯点截取，按等直梁法计算钢板桩最大弯矩Mmax，可根据下式对钢板桩进行选型或判断现有钢板桩受力是否满足要求：
σmax=Mmax/W≤[f] ⑤
式中，—桩身最大应力；Mmax—桩身最大弯矩值；W—钢板桩截面抵抗矩；β—抵抗矩折减系数，对于小企口钢板桩，当设有整体围擦和冠梁时，β取1. 0；不设冠梁或圈梁分段设置时，β取0.7。
3.2内支撑受力计算
内支撑计算主要是分析圈梁和撑杆的内力，板桩受力计算时取每米宽板桩进行计算，得出圈梁支撑位置的作用力作为计算圈梁受力的荷载，圈梁为受均布荷载作用的连续梁。
（1）圈梁和撑杆建立整体模型计算受力，圈梁为梁单元，撑杆按杆单元计算，通过模型中的计算结果直接确定圈梁和撑杆受力是否满足规范要求，然后再将撑杆的计算结果除以的杆件的受压稳定系数φ，验算撑杆受压稳定性是否满足规范要求。
（2）圈梁和撑杆分别进行受力分析，以撑杆为圈梁的支撑点，圈梁为受均布荷载作用的连续梁，按连续梁模型计算得到圈梁最大弯矩Mmax和各支撑点作用力N，将计算得到的支撑点作用力N作为计算撑杆受力的荷载。
3.3稳定性验算
钢板桩的入土深度除保证自身的稳定外，还应保证基坑底部在施工期间不会出现隆起和管涌现象。
（1）基坑底的隆起验算。基底抗隆起稳定性验算的方法较多，本文仅介绍“同时考虑c、Φ的抗隆起验算法”。结构底平面作为求极限承载力的基准面，其滑动面形状如***3。
***3
抗隆起安全系数计算公式：
Ks=(γ2tNq+CNc)/[γ1(H+t)+q]，Nq=kp*，Nc=（Nq-1）/tg ⑥
式中，γ1，γ2—坑内、外土层的容重加权平均值；C—桩底处地基土粘聚力；q—坑外地面荷载；H—基坑开挖深度；t—钢板桩入土深度；、—地基承载力系数；Φ—桩底处地基土内摩擦角；—抗隆起安全系数，根据基坑重要性取值，一般不小于1.2。
（2）基坑底的管涌验算。管涌主要是由于水头差引起的，当板桩插入透水性和粘聚力较小的饱和土中，如粉砂、淤泥等，施工采用坑内明排水时，则有可能发生管涌或流砂现象。为了安全施工，应验算防止这种现象的发生，造成底部管涌稳定性破坏，因此，验算管涌稳定性也是十分必要的，可通过下式对其进行验算：
K=(h’+2t)γ’/h’γw≥1.5 ⑦
式中γw—地下水的重度；γ’—土的浮重度；t—板桩的入土深度；h’—坑内外水头差；K—抗管涌安全系数，一般取1.5～2.0，砂土、粉土时取大值。
4、构造要求
(l)为防止接缝处漏水，在打钢板桩前应在锁口处嵌填黄油、沥青或其他密封止水材料。
(2)在基坑转角处的支护钢板桩，应根据转角的平面形状做成相应的异形转角板桩。
5、工程实例
河南某在建铁路连续梁主墩承台施工时基坑开挖较深，采用SKSP-IV型钢板桩进行支护，圈梁采用双I40a型钢，支撑1、2采用双[28b型钢。具体工程情况和详细计算过程如下。基坑开挖示意***如***4、5所示。
***4***5
5.1设计资料
（1）桩顶高程H1：93.606m，施工水位H2：90.700m。
（2）地面标高H0：93.306m；基坑低标高H3：87.306m；开挖深度H：6m。
（3）坑内、外土的天然容重加全平均值，均为：18KN/m3；内摩擦角加全平均值Φ：20°；粘聚力加权平均值为10KN/m2。
（4）地面超载q:20.0KN/m2。
5.2内力计算
（1）Ka＝tan2（45°- /2）＝0.49；Kp＝tan2（45°+ /2）＝2.04，K*Kp=3.264。
板桩外侧均布荷载换算填土高度h0,h0=q/γ=20.0/18=1.111m。
作用于板桩上的土压力强度及压力分布见***6。
***6 ***7
（2）根据式①：y=γ2KaH /(γ1KKp-γ2Ka)=1.06m。
因此，按等直梁法，钢板桩的受力简***如***7。 R=67.44KN，Q=92.95KN，Mmax=140.25KN·m。根据式②：x=sqrt[6 Q/(γ1KKp-γ2Ka)]=3.342m。因此，入土深度t=（y+x）×1.2=5.282m，板桩实际入土深度5.7m，满足要求。
（3）根据式⑤：σmax=Mmax/βW=140.25×1000/0.7/2270=61.8Mpa≤[f]，满足要求。
5.3、支撑系统计算
由上面板桩等直梁法计算结果知：圈梁受力为67.44KN/m。以下为采用大型通用有限元软件对圈梁及内支撑进行整体分析计算的结果。
圈梁最大应力：σmax＝107.6Mpa≤[σ]＝160MPa，满足要求。
内支撑最大应力：σmax＝69.8MPa≤[σ]＝160MPa，满足要求。
内支撑的受压稳定性检算：采用2[28b对扣，间距80mm，ix=105mm，iy=106.9mm，
λmax=l/ix=6916/105=65.9，查表得φ=0.7794，σ＝69.8/0.7794=89.6Mpa≤[σ]＝200MPa，满足要求。
5.4、稳定性验算
（1）基坑底的隆起验算。
根据式⑥：Nq=kp*= 2.04*=6.4，Nc=（Nq-1）/tg=5.4/tg20=14.836
Ks=(γ2tNq+CNc)/[γ1(H+t)+q]=(18×5.7×6.4+10×14.836)/[18×（6+5.7）+20]
=3.49＞1.2，满足要求。
（2）基坑底的管涌验算。
根据式⑦:K=(h’+2t)γ’/h’γw=(3.394+2×5.7) ×8/3.394/10
=3.5＞1.5，满足要求。
6、结语
钢板桩支护施工现已广泛应用在各类桥梁、城镇建设的基础施工中，施工单位中常常忽视基坑安全问题，需支护的地段常常凭感觉或草率参照其他项目的支护方案，对基坑进行粗略支护。这种做法往往会因工作人员经验不足、现场地质情况复杂而出现意外，对工程质量及生命财产造成威胁。因此，对基坑进行科学、合理地支护，是保证工程质量，维护人身安全，减少财产损失的必要措施。
7、参考文献
（1）龚晓南、高有潮，深基坑工程设计施工手册，中国建筑工业出版社，1998。
（2）建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）。
（3）江正荣、朱国梁，简明施工计算手册（第3版），中国建筑工业出版社，2005。
（4）钢结构设计规范（GB50017-2003）。