高 倩 高增吉

1.烟台市建筑设计研究股份有限公司 山东 烟台 264000

2.烟台金洋土木工程技术开发有限公司 山东 烟台 264006

某大厦共32层，地下室3层。地下室层高2.8米。净深8.4米，再加地下室底板厚度，基坑总深10米。建筑主体四周只有20米的施工面。

该工程位于海滩上，地下水与海水相通。土层自上而下为细砂、粉质粘土和风化岩。细砂厚12米，粉质粘土厚6米，粉质粘土下面为风化岩。

该基坑工程如果采用现行《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）》中推荐的常规支护方法如喷锚支护法、单排钢板桩法、单排灌注桩支护法、双排钢板桩法等难度较大。由于细砂没有粘聚力，不能采用喷锚支护法；因为基岩埋深较浅并且要抵抗水压力，采用单排钢板桩支护法、单排灌注桩支护法和双排钢板桩支护法桩底端无法稳定。

根据上述水文、地质和工作面的特殊情况，本工程参照《干船坞设计规范》和《格形钢板桩结构设计施工手册》采用格形钢板桩支护法效果较好。

格形钢板桩一般由单根0.4米宽的直腹钢板桩连接围成格形。格内充填砂石料，依靠本身的重量产生的摩擦力抵抗外侧的土压力和水压力。格体的宽度根据基坑的深度和水文、地质条件确定。由于能够自身稳定，可以沿钢板桩格的内侧垂直开挖，具有其它支护方法没有的优越性。

格形钢板桩支护结构在设计时需要进行抗滑稳定计算、抗倾稳定计算、抗拔稳定计算、锁口拉力计算、地基稳定计算和整体稳定计算。

一、格形选择

格形钢板桩的平面形状有圆格形、扁格形、四分格形、扁圆格形等，如图1所示。

图1 格形钢板桩平面形状

各种格形钢板桩支护结构的特点如下：

1、圆格形

优点：可以先做主格，后做辅格，施工中格体稳定性较好，并且钢板桩的用量与圆格的直径无关。

缺点：圆格直径受到钢板桩锁口极限拉力的限制，不能做得太大，并且填充时只能先填充主格再填充辅格，要求的挖掘机臂较长。

2、扁格形

优点：钢板桩用量最省，且格形结构的宽度不受锁口极限拉力的限制，可以做得较宽。

缺点：施工中各格需要同时填充，施工难度较大。

3、四分格形

优点：各格允许单独填充，结构宽度不受钢板桩锁口极限拉力的限制，施工中格体的稳定性较好。

缺点：钢板桩用量较大。

4、扁圆格形

优点：可以连续做格体，逐个填充。

缺点：锁口拉力较大，格体宽度受锁口极限拉力的限制。

本工程基坑深度约10米，对于这种支护结构来说不是很深，并且原始地面为海滩，可以先做钢板桩支护结构后开挖基坑，不必填充。所以，采用圆格形较合理。本例平面和剖面如图2所示。

图2 钢板桩支护结构平面和剖面图

二、主要设计方法和参数

（一）结构安全等级

本钢板桩支护结构属于临时建筑物，属于Ⅲ级。

（二）设计条件

1、设计水位（按当地理论最低潮面计算）

极端高水位：+2.66

设计高水位：+1.83

设计低水位：+0.03

极端低水位：-1.45

2、工程地质

从设计地面往下依次为细砂12米厚，粉质粘土6米厚，粉质粘土下面为风化岩。各层土的性质如表1。

表1 各层土特性表

3、地震

本地区抗震烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g。

（三）荷载分析和计算方法

1、自重：按照圆格换算宽度和填料容重计算，水下采用浮容重或者饱和容重。

2、土压力：按照库伦理论计算。

对于无粘性土：

（1）土自重产生的土压力：eaH=γhKa

（2）地面匀布荷载产生的土压力：eaqH=qKa

Ka=tan2(45°-Φ/2)

对于粘性土：

（1）土自重产生的土压力：eaH=γhKa-2cKa0.5

（2）地面匀布荷载产生的土压力：eaqH=qKa

Ka=tan2(45°-φ/2)

3、水压力：按照水深和比重计算。

4、地面匀布荷载：取q=60kpa

应注意的是由于圆格形钢板桩支护结构无底，其所受的扬压力仅为钢板桩本身受到的扬压力，可忽略不计。

（四）结构计算

1、圆格形支护结构直径的确定

参照《干船坞设计规范》中的《第二篇 水工结构 （JTJ 252-87）》中的《第九章 围堰与基坑》，取圆格直径D=0.8H (H为钢板桩高度，本例中H=18米)。因钢板桩每块宽度为0.4米，圆格直径应是0.4米的倍数，取D=14.77米，每个圆格由116根0.4米宽的钢板桩组成。

2、抗滑计算

参照《干船坞设计规范》中的《第二篇 水工结构 （JTJ 252-87）》中的《第九章 围堰与基坑》，第9.1.8条，以钢板桩底端为滑动面，抗滑安全系数按下式计算：

Ks=(Gtanφ+BC+Ep)/H≥1.2

式中：

Ks-抗滑安全系数，

G-圆格结构的自重，包括填料自重（KN/m）,

2.3 尿酸盐溶液的酸碱度 在生理pH值状态下，MSU结晶的主要组成成分是尿酸盐离子。尿酸盐溶解度在pH值≤6或≥10时最大，在pH值为7～8时最小[10]。这可能与不同pH值条件下尿酸存在的形式不同有关：在37℃溶液中，当pH值较低时是以尿酸为主；在较高pH值时，以尿酸盐离子为主。另一项研究[11]发现，在37℃过饱和溶液中，pH值<5.62时，尿酸的浓度最高；pH值为5.62时，尿酸盐离子的浓度最高；pH值接近9时，尿酸盐离子开始转变为重尿酸盐离子。因此，通过改变尿酸盐溶液的酸碱度，可以对MSU结晶产生影响，微碱性环境促进痛风石的形成。

H-作用于滑动面以上除Ep以外的所有水平力的合力（KN/m），

B-计算滑动面的宽度（m），取B=0.85D,

C-计算滑动面上的粘聚力（kpa），

φ-计算滑动面上土的内摩擦角（°），本例中滑动面为桩底端，土层为粉质粘土，取φ=24.2°，

Ep-内侧钢板桩覆盖土的被动土压力（KN/m），取30%计算值。

本例计算结果如下：

（1）设计高水位：+1.83m时

图3 设计高水位支护结构受力图

表2 抗滑计算成果表（设计高水位时）

（2）设计低水位：+0.03m时

图4 设计低水位支护结构受力图

表3 抗滑计算成果表（设计低水位时）

根据以上计算结果，在设计高水位和设计低水位时，圆格形支护结构抗滑安全系数均大于1.2，抗滑安全性足够。

3、抗倾计算

采用重力法，以钢板桩内侧底端为支点，钢板桩折算宽度按B=0.85D计算，计算结果如表4和表5。

（1）设计高水位：+1.83m时

表4 力矩计算表（设计高水位时）

（2）设计低水位：+0.03m时

表5 力矩计算表（设计低水位时）

4、抗剪稳定性计算

格形钢板桩结构的抗剪计算模型和理论有很多种，有各种理论计算方法。本例桩端位于岩基，可参照《干船坞设计规范》中的《第二篇 水工结构 （JTJ 252-87）》中的《第九章 围堰与基坑》，第9.1.9条，以基坑底平面的钢板桩格中心取力矩进行计算。抗剪安全系数按下式计算：

Ks=(Sc+Ft)/Q

Sc=γH2Kctanφ/2

Ft= FtHKc(H-d)fs

Q=1.5M/B

式中：Ks-抗剪安全系数，大于或等于1.25，

Sc-中性面上填料的总抗剪力（KN），

Ft-中性面上锁口的总抗剪力（KN），

Q-中性面上的总剪力（KN），

γ-填料重力密度（KN/m3）,

φ-填料内摩擦角（°），

Kc-填料侧压力系数，取0.4-0.6，

fs-钢板桩锁口间的摩擦系数，取0.3，

H-基坑深度（m），

d-锁口摩阻力最大处到基坑底的距离，取（1/4-1/2）H（m）,

M-水压力、土压力等外荷载对基坑底平面格形中心的合力矩（KNm）,

B-格形支护结构的折算宽度（m）。

（1）设计高水位+1.83m时，抗剪稳定性计算

图5 设计高水位抗剪计算受力图

在设计高水位时各参数计算如表6。

表6 抗剪计算表（设计高水位时）

Ks=(Sc+Ft)/Q =（290.43+114.58）/325.04=1.25,安全

（2）设计低水位+0.03m时，抗剪稳定性计算

在设计低水位时各参数计算如表7。

表7 抗剪计算表（设计低水位时）

Ks=(Sc+Ft)/Q =（290.43+114.58）/299.36=1.35＞1.25,安全

5、抗拔计算

本例支护结构为岩石地基，可以根据《干船坞设计规范》中的《第

二篇 水工结构 （JTJ 252-87）》附录十五的计算方法计算。结合本例的实际情况，抗拔安全系数为：

K1=[B(Pw+Pa)fgs+Mp+Mw2]/(Mw1+Ma)

式中：K1-岩基上钢板桩抗拔安全系数，

Pw-水压力（KN）,

Pa-主动土压力（KN）,

fgs-填料与钢板桩间的摩擦系数，

B-支护结构的折算宽度，

Mp-内侧被动土压力产生的弯矩（KN.m）,

Mw2-内侧水压力产生的弯矩（KN.m）,

Mw1-外侧水压力产生的弯矩（KN.m）,

Ma-外侧被动土压力产生的弯矩（KN.m）。

（1）设计高水位+1.83时，根据图2受力分析，抗拔稳定性计算如表8。

表8 抗剪计算表（设计高水位时）

抗拔安全系数K1=1.26＞1.2,安全度足够。

（2）设计低水位+0.03时，根据图3受力分析，抗拔稳定性计算如表9。

表9 抗剪计算表（设计低水位时）

抗拔安全系数K1=1.29＞1.2,安全度足够。

6、钢板桩锁口拉力计算

根据《干船坞设计规范》中的《第二篇 水工结构 （JTJ 252-87）》附录十四，圆格形钢板桩在主格圆弧处，t1=PR；在主格与连弧的连接点，t2=PL/cosφ。

式中：P-填料的水平拉力强度（kpa）,按照贮仓压力计算，

R-圆格半径（m），

L-两主格中心距（m）,

t1-主格圆弧处锁口拉力（KN/m）,

t2-主格与圆弧连接点处锁口拉力（KN/m）。

根据本例的受力情况，计算结果如表10。

表10 锁口拉力计算表

从表10中可知，最大锁口拉力t=t2=1783.54 KN/m,本例使用日本钢板桩YSP-F型，锁口极限拉力tu=4500 KN/m,锁口强度安全系数：Kt=tu/t2=4500/1783.54=2.52,安全！

五、地基稳定计算

对于非岩地基尚应进行地基承载力和沉降计算。本例地基持力层为风化岩，不必进行这两项计算。

六、整体稳定计算

对于非岩地基尚应进行地基整体稳定计算。本例地基持力层为风化岩，不必进行整体稳定计算。

七、经济指标

本例中钢板桩购买价8000元/吨，沉桩和拔桩费2500元/吨。钢板桩折旧按15%计算，折旧费1200元/吨。支护结构总造价3700元/吨。经济指标如表11。

表11 经济指标表

八、综合利用

本支护结构在施工期作为基坑支护结构，为大厦基础和地下室的施工创造条件。在施工期结束后，如果不拆除，可以作为地下室的防渗结构。

本工程地下水与海水相通，如果不做防渗结构，地下水量很大，需要由地下室的挡水墙承受水压力，墙体的断面和配筋量会较大，地下室墙的防渗做法要求也高，增加工程总造价。采用本钢板桩支护结构作为永久防渗设施，可以有效降低工程总造价。可以通过方案比选，择优采用。