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某基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)安全分析

文檔作者：李治國(guó) 文檔來(lái)源：鹽城市公路管理處		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年10月14日
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某基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)安全分析
李治國(guó)
(鹽城市公路管理處，江蘇鹽城224001)
[摘要] 基坑工程因?yàn)橹ёo(hù)不"-3，容易發(fā)生安全事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。為了確?；又ёo(hù)的安全，文章結(jié)合
“7．5”事故支護(hù)方案存在問(wèn)題，重新擬定了幾種支護(hù)方案，并進(jìn)行安全分析，以期對(duì)今后的基坑支護(hù)工程方案設(shè)計(jì)起到借鑒作
用。
[關(guān)鍵詞] 鋼板樁；基坑支護(hù)；基坑設(shè)計(jì)；安全性分析；懸臂式支護(hù)
[中圖分類號(hào)]TU473．12【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)-]1005—6270{2017}03—0083—03
Safety Analysis of Retaining and Protection Scheme for Excavations
LI Zhi-guo
(Public Roads Administration of Yancheng，Yancheng Jiangsu 224001 China)
Abstract·Safety accidents，with casualties and financial losses，occurred frequently when support failed．In
order to improve security，the causes of the”7．5”accident were concluded．Based on the conclusion，several
support schemes were made and checked，which will be worthy of attention for similar programming design of
projects．
Key words： steel sheet pile；retaining and protection for excavations；design for excavations；safety analysis；
cantilever retaining structure．
1 “7．5”事故及事發(fā)前支護(hù)設(shè)計(jì)方案介紹
2015年7月5日下午5時(shí)30分左右．某市內(nèi)環(huán)高架
二期工程N(yùn)標(biāo)108#墩承臺(tái)基坑施工過(guò)程中．原北側(cè)路面
結(jié)構(gòu)層和部分路基突然發(fā)生坍塌．造成臨時(shí)防護(hù)樁和正在
加固的模板向南側(cè)傾倒．將正在施工的一位農(nóng)民工擠壓在
擋土板和混凝土樁基之間．造成人員胸部骨折．內(nèi)臟嚴(yán)重受
傷．經(jīng)搶救無(wú)效死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失約120萬(wàn)元(以下簡(jiǎn)稱
“7．5”事故)。
108#墩承臺(tái)基坑開(kāi)挖深度h=3m，邊長(zhǎng)lOm(正方形)．
周圍土體的重度平均值為1=18(kN／m3)，內(nèi)摩擦角平均值：
qb=22．50．粘聚力C=0，土質(zhì)均勻．地下水位位于基坑開(kāi)挖深
度以下。施工方案采用小型挖機(jī)垂直挖掘．渣土車在基坑北
側(cè)原路面運(yùn)輸。支護(hù)采用竹膠板+立柱組成支護(hù)結(jié)構(gòu)．構(gòu)件
尺寸、布置間距如表l所示。
2事故原因分析
表1 施工方案中的構(gòu)件類型、布置間距
除了施工單位、監(jiān)理單位沒(méi)有對(duì)施工人員進(jìn)行技術(shù)交
底．施工人員違規(guī)操作，沒(méi)有采取必要的防護(hù)措施．施工過(guò)
程中沒(méi)有進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測(cè)之外．造成事故的
原因主要有以下幾個(gè)方面：
(1)原有防護(hù)措施沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)算．原有支撐防護(hù)不能滿
足穩(wěn)定性要求(詳見(jiàn)本文3．4節(jié))。(2)實(shí)際施工時(shí)樁的用量
為方案數(shù)量的70％．且一半用竹樁代替．削弱了支撐防護(hù)性
能。(3)施工過(guò)程中，土方垂直開(kāi)挖在前。支撐防護(hù)在后，施
工工藝流程倒置。(4)施工過(guò)程中，挖機(jī)和渣土車與基坑邊
緣距離不足1m．附加荷載對(duì)邊坡土體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影
響。(5)施工期間多雨，基坑開(kāi)挖后長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有支護(hù)，且沒(méi)有
澆筑．導(dǎo)致基坑支護(hù)穩(wěn)定性下降。
3支護(hù)方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)算
為了確保基坑安全性．本文擬定車輛與邊緣距離不小
于3m，取附加荷載△捌=10kPa。參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)
程JGJl20—2012))(本文以后簡(jiǎn)稱“規(guī)程”)3．1．6節(jié)規(guī)定，取安
全等級(jí)為一級(jí)，作用基本組合的綜合分項(xiàng)系數(shù)’產(chǎn)1．25，結(jié)
[收稿日期]2017．02．24
【作者簡(jiǎn)介】李治國(guó)，(1989一)，鹽城市公路管理處，從事工程管理I作。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
R4 江蘇建筑2017年第3期(總第183期)
構(gòu)重要性系數(shù)叮廬1．1，進(jìn)行基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)。計(jì)算；K?K。i-分別為第i層土的主動(dòng)土壓力系數(shù)、被動(dòng)土
3．1鋼板樁支護(hù)方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)算壓力系數(shù)，依據(jù)公式3．4．2—2，公式3．4．2—4計(jì)算得K。=
依據(jù)規(guī)程，保證本方案安全必須滿足兩個(gè)條件：(1)支0．446?K=2．24；Ci、中i一第i層土的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角
護(hù)方案滿足穩(wěn)定性要求，即嵌固深度符合嵌固穩(wěn)定性要求， (o)；P。一支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，第i層土中計(jì)算點(diǎn)的被動(dòng)土壓力強(qiáng)
計(jì)算見(jiàn)規(guī)程公式4．2．1。(2)承載能力極限狀態(tài)滿足要求．即度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。
彎矩抗力設(shè)計(jì)值大于彎矩設(shè)計(jì)值，計(jì)算見(jiàn)規(guī)程公式3．1．5-1 (5)土中豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值(仃矗、盯吐)應(yīng)按下式計(jì)算：
和3．1．7-l。
3．1．1公式及參數(shù)介紹
本方案涉及的計(jì)算公式、參數(shù)如下：
(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過(guò)材料強(qiáng)度或過(guò)度變形
的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)．應(yīng)符合下式要求：
惱d≤玳(3．1．5—1)
‰一支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S。一作用基本組合的效應(yīng)
(軸力、彎矩等)設(shè)計(jì)值；R廣結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。
(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)重要參數(shù)計(jì)算公式
①對(duì)于鋼板樁而言，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與作用基本
組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值的乘積(10sd)可采用彎矩設(shè)計(jì)值M表
示：
M='Vo'VvMk (3．1．7-1)
M。c_按作用標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的彎矩值(kN·In)；1。，_作用
基本組合的綜合分項(xiàng)系數(shù)。依據(jù)規(guī)程3．1．6節(jié)規(guī)定，取1．1。
3．2章中水平擋土板、立柱以及3．3章中的竹樁驗(yàn)算也使用
本公式。
②對(duì)于3．3章中的橫撐而言，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與
作用基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值的乘積(吖0Sd)可采用彎矩設(shè)計(jì)
值M表示：
M=1州FMk (3．1．7-1) MI_按作用標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的彎矩值(kN·In)；1F_作
用基本組合的綜合分項(xiàng)系數(shù)。依據(jù)規(guī)程3．1．6節(jié)規(guī)定．取
1．1。水平擋土板驗(yàn)算也使用本公式。
③對(duì)于3．2節(jié)中的橫撐構(gòu)件而言，
N=10■FNk (3．1．7-2)
NI_按作用標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的軸向壓力值(kN)；
(3)鋼板樁截面抗彎能力計(jì)算公式
R,j=o'wI。(1)
叮，一鋼板樁容許彎曲應(yīng)力；Ix-一鋼板樁截面抗彎慣性矩。
(4)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力應(yīng)按下列規(guī)定確定
對(duì)于地下水位以上或水土合算的土層而言作用在支護(hù)
結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、被動(dòng)土壓力強(qiáng)度
標(biāo)準(zhǔn)值宜按下列公式計(jì)算：
Pak=craI(K。一2CiK05 (3．4．2—1)
K“=tan2(450一中。／2) (3．4．2-2)
雌=％K，+2C．K。P5 (3．4．2—3)
K。=tan2(45。+qb／2) (3．4．2—4)
P廠支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，第i層土中計(jì)算點(diǎn)的主動(dòng)土壓力
強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；仃扒盯廠分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)計(jì)算
點(diǎn)的土中豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值(kPal．按本規(guī)程第3．4．5條的規(guī)定
盯al(=盯越+△仃k，1 (3．4．5-1)
盯pk=盯， (3．4．5-2)
式中：盯，支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)計(jì)算點(diǎn)，由土的自重產(chǎn)生的
豎向總應(yīng)力(kPa)；盯，一支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)計(jì)算點(diǎn)，由土的自重
產(chǎn)生的豎向總應(yīng)力(kPa)；Act。．廣支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)第J個(gè)附加
荷載作用下計(jì)算點(diǎn)的土中附加豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。
(6)懸臂式支擋結(jié)構(gòu)的嵌固深度應(yīng)符合下列嵌固穩(wěn)定
性的要求：
E辭。l／(E女z，1)≥K。(4．2．1)
式中：K?！篲嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；按照規(guī)程規(guī)定，由于鋼
板樁安全等級(jí)為一級(jí)，因此K。分別取1．25；E“E。k_基坑
外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力的標(biāo)準(zhǔn)值(kN)：
z。，、z。。一基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作
用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離。
3．1．2鋼板樁支護(hù)方案驗(yàn)算流程
(1)結(jié)合招標(biāo)圖紙、施工規(guī)范及實(shí)地考察，確定基坑開(kāi)
挖尺寸、范圍(開(kāi)挖深度H，開(kāi)挖寬度b等)，土體分層狀況，
力學(xué)性能參數(shù)取值：C，中，1。
(2)參照規(guī)程3．1．3章、3．1．6章及4．2．1章。確定支護(hù)結(jié)
構(gòu)安全等級(jí)，竹，1。，K。，取值。
(3)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)支護(hù)方案：確定鋼板樁長(zhǎng)度H(包括
其中懸臂段長(zhǎng)度h。，人土深度h：)，I。，盯。取值。
(4)計(jì)算出鋼板樁外側(cè)、內(nèi)側(cè)各深度處的土中豎向應(yīng)力
標(biāo)準(zhǔn)值(具體計(jì)算流程與計(jì)算公式見(jiàn)規(guī)程3．4．5、3．4．6節(jié))。
依據(jù)土力學(xué)，計(jì)算出E“E舢z。l、zDlo
(5)依據(jù)規(guī)程公式4．5．1，進(jìn)行鋼板樁嵌固穩(wěn)定性驗(yàn)算。
如果不合格，則考慮加大鋼板樁入土深度。
(6)截面承載能力驗(yàn)算。計(jì)算出鋼板樁彎矩極值并作為
M。，依據(jù)公式3．1．7—1算出M；根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)公式，?。?I，×
盯。，判斷公式3．1．5—1否成立。如果成立，方案驗(yàn)算合格，如
果不成立．則考慮從以下幾個(gè)角度調(diào)整方案．并將調(diào)整后的
方案代入第(3)步重新按步驟計(jì)算，直至合格：①換用性能
更好的鋼板樁(提高盯。，I，)。②加大挖機(jī)距離基坑邊緣距
離。③鋼板樁加長(zhǎng)，人土深度加深。④加設(shè)圍檁。
3．1．3方案設(shè)計(jì)
選用日本住友金屬旗下SKSP—IV型拉森鋼板樁．鋼板
樁總長(zhǎng)H=9m(懸臂段長(zhǎng)h。=3m，人土深度h函m)。該鋼板樁
容許彎曲應(yīng)力try=210MPa，截面抵抗矩2270cm3／m。兒、P磕沿
樁長(zhǎng)分布如圖1所示。
3．1．4方案驗(yàn)算
(1)嵌固穩(wěn)定性驗(yàn)算
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
江蘇建筑2017年第3期(總第183期)85
主動(dòng)土壓力強(qiáng)度
Rd=W竹立柱×fm立柱215．4kN‘m
添嚷鎵您穰241。90(1wa)強(qiáng)攫椽灌德?6。8強(qiáng)辯》
圖1凡、Pd【分布
根據(jù)土力學(xué)計(jì)算公式，求得沿水平方向每延米E。=
366kN，Epk=726kN，z。l_3．16m，Zpl=2m，E—P1，(Eakzpl)=1．254>
K。，嵌固深度滿足要求。
(2)承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算
材料力學(xué)分析表明，剪力為零(n=E。)處彎矩值為極
值。求得極值點(diǎn)距離地面5．85m(距離樁底3．15m)，彎矩極
值MK=190kN-in，依據(jù)規(guī)程公式3．1．7—1，算得彎矩設(shè)計(jì)值
M=261kN·nl。依據(jù)公式(1)，求得M91，穩(wěn)
定系數(shù)1l，=2800／k2=0．093．橫撐木軸心受壓承載力設(shè)計(jì)值
Rd=塵A正=37kN>N，因此橫撐木安全性可以保證。綜上，本支
護(hù)方案合格。
3．3擋土板一竹樁支護(hù)方案
竹樁抗拉強(qiáng)度容許值L竹樁=80MPa，總長(zhǎng)9m，人土深度
6m．間距0．4m，外徑0．16m．空心率85％。擋土板布置同3．2
節(jié)．此處不再贅述。確保本方案安全，需要保證擋土板、竹樁
承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算合格．且竹樁嵌固穩(wěn)定性滿足
要求．驗(yàn)算流程與鋼板樁大致相同。因?yàn)闃度胪辽疃认嗤?
所以嵌固穩(wěn)定性驗(yàn)算同3．1節(jié)。不同之處在于竹樁承載能
力極限狀態(tài)驗(yàn)算，具體步驟如下：
依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)公式，算出每根竹樁MK=76kN·m，推導(dǎo)出
M=104．5kN·In。Rd=15．4kN·m<104．5kN·m，因此，截面承載
能力無(wú)法滿足需求，本方案不合格。若采用同樣外徑的木
樁，貝0 M木樁=W木樁×f木樁=0．000785398x10％7．8kN·nl<
15．4kN．m<104．5kN．Hi。同樣不合格。與施工方案相比，本方
案竹樁直徑大，人土深度深。樁間距小，但承載力依然不能
滿足需求．因此．原方案更不可能。這也說(shuō)明對(duì)于本基坑工
程而言．水平擋土板一樁方案如果不加設(shè)橫撐．是難以保證
安全性的。
4總結(jié)
本文以“7．5”事故為背景．設(shè)計(jì)并驗(yàn)算了3種不同的基
坑支護(hù)方案．并得出以下結(jié)論：
(1)水平擋土板一立柱一橫撐方案與鋼板樁支護(hù)方案能
夠滿足安全性要求．對(duì)于類似地質(zhì)條件、開(kāi)挖深度3m以內(nèi)
的工程．可以參考。
(2)水平擋土板一立柱一橫撐方案沿水平方向。每延米都
需要設(shè)置橫撐．對(duì)施工有一定影響。與之相比，鋼板樁方案
既能夠滿足支護(hù)安全性要求，對(duì)施工影響也較小，因此推薦
采用鋼板樁方案。
(3)本文中方案驗(yàn)算的前提條件：承臺(tái)開(kāi)挖深度3m，采
用挖機(jī)開(kāi)挖．挖機(jī)、渣土車距離承臺(tái)基坑邊緣3m。如果承臺(tái)
開(kāi)挖深度大于3m或挖機(jī)距離承臺(tái)邊緣小于3m．則應(yīng)當(dāng)考
慮加設(shè)圍檁、橫撐。
(4)本文總結(jié)了3種支護(hù)方案驗(yàn)算的流程，供設(shè)計(jì)者參
考．

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