悬臂工字钢支护结构设计计算书.doc

悬臂式工字钢支护结构设计计算书 计算依据： 1、建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012 2、建筑施工计算手册江正荣编著 3、实用土木工程手册第三版杨文渊编著 4、施工现场设施安全设计计算手册谢建民编著 5、土力学与地基基础 一、参数信息 1、基本参数支护桩材料钢桩支护桩间距ba(m)0.3支护桩嵌入土深度ld(m)6基坑开挖深度h(m)4基坑外侧水位深度ha(m)0.8基坑内侧水位深度hp(m)1.2支护桩在坑底处的水平位移量(mm)12承压水含水层顶面至坑底的土层厚度D(m)4.3承压水含水层顶面的压力水头高度hw(m)6 2、土层参数土层类型土厚度h(m)土重度(kN/m3)粘聚力c(kPa)内摩擦角(°)饱和土重度sat(kN/m3)水土分算填土219101220否粘性土321151822是粘性土1322161822是 3、荷载参数类型荷载q(kpa)距支护边缘的水平距离a(m)垂直基坑边的分布宽度b(m)平行基坑边的分布长度l(m)作用深度d(m)满布荷载3/条形局部荷载3.544/0矩形局部荷载45562 4、计算系数结构重要性系数01综合分项系数F1.25嵌固稳定安全系数Ke1.2圆弧滑动稳定安全系数Ks1.3突涌稳定安全系数Kh1.1 二、土压力计算土压力分布示意图附加荷载布置图 1、主动土压力计算 1）主动土压力系数 Ka1=tan2(45°- 1/2）= tan2(45-12/2)=0.656； Ka2=tan2(45°- 2/2）= tan2(45-12/2)=0.656； Ka3=tan2(45°- 3/2）= tan2(45-18/2)=0.528； Ka4=tan2(45°- 4/2）= tan2(45-18/2)=0.528； Ka5=tan2(45°- 5/2）= tan2(45-18/2)=0.528； Ka6=tan2(45°- 6/2）= tan2(45-18/2)=0.528； 2）土压力、地下水产生的水平荷载 第1层土：0-0.8m H1'=0h0+q1/i=0+3/19=0.158m Pak1上 =1H1'Ka1-2c1Ka10.5=19×0.158×0.656-2×10×0.6560.5=-14.229kN/m2 Pak1下 =1(h1+H1')Ka1-2c1Ka10.5=19×(0.8+0.158)×0.656-2×10×0.6560.5=-4.258kN/m2 第2层土：0.8-2m H2'=1h1+q1/sati=15.2+3/20=0.91m Pak2上 =sat2H2'Ka2-2c2Ka20.5=20×0.91×0.656-2×10×0.6560.5=-4.26kN/m2 Pak2下 =sat2(h2+H2')Ka2-2c2Ka20.5=20×(1.2+0.91)×0.656-2×10×0.6560.5=11.484kN/m2 第3层土：2-4m H3'=2h2+q1/sati=39.2+3/22=1.918m Pak3上 =sat3H3'-w(h2-ha)Ka3-2c3Ka30.5+w(h2-ha)=22×1.918-10×(2-0.8)×0.528-2×15×0.5280.5+10×(2-0.8)=6.144kN/m2 Pak3下 =sat3(H3'+h3)-w(h2-ha)Ka3-2c3Ka30.5+w(h2-ha)=22×(1.918+2)-10×(4-0.8)×0.528-2×15×0.5280.5+10×(4-0.8)=38.816kN/m2 第4层土：4-5m H4'=3h3+q1+q1b1/(b1+2a1)/sati=83.2+3+1.167/22=3.971m Pak4上 =sat4H4'-w(h3-ha)Ka4-2c4Ka40.5+w(h3-ha)=22×3.971-10×(4-0.8)×0.528-2×15×0.5280.5+10×(4-0.8)=39.432kN/m2 Pak4下 =sat4(H4'+h4)-w(h3-ha)Ka4-2c4Ka40.5+w(h3-ha)=22×(3.971+1)-10×(5-0.8)×0.528-2×15×0.5280.5+10×(5-0.8)=55.768kN/m2 第5层土：5-7m H5'=4h4+q1+q1b1/(b1+2a1)/sati=105.2+3+1.167/22=4.971m Pak5上 =sat5H5'-w(h4-ha)Ka5-2c5Ka50.5+w(h4-ha)=22×4.971-10×(5-0.8)×0.528-2×16×0.5280.5+10×(5-0.8)=54.315kN/m2 Pak5下 =sat5(H5'+h5)-w(h4-ha)Ka5-2c5Ka50.5+w(h4-ha)=22×(4.971+2)-10×(7-0.8)×0.528-2×16×0.5280.5+10×(7-0.8)=86.987kN/m2 第6层土：7-10m H6'=5h5+q1+q1b1/(b1+2a1)+q1b1l1/(b1+2a1)(l1+2a1)/sati=149.2+3+1.167+0.5/22=6.994m Pak6上 =sat6H6'-w(h5-ha)Ka6-2c6Ka60.5+w(h5-ha)=22×6.994-10×(7-0.8)×0.528-2×16×0.5280.5+10×(7-0.8)=87.254kN/m2 Pak6下 =sat6(H6'+h6)-w(h5-ha)Ka6-2c6Ka60.5+w(h5-ha)=22×(6.994+3)-10×(10-0.8)×0.528-2×16×0.5280.5+10×(10-0.8)=136.262kN/m2 3）水平荷载 临界深度：Z0=2-Pak2下h2/(Pak2上+Pak2下)=2-11.484×1.2/(4.26+11.484)=1.125m； 第1层土 Eak1=0kN； 第2层土 Eak2=0.5Pak2下Z0ba=0.5×11.484×1.125×0.3=1.938kN； aa2=(2-Z0)/3+h3=(2-1.125)/3+8=8.292m； 第3层土 Eak3=h3(Pa3上+Pa3下)ba/2=2×(6.144+38.816)×0.3/2=13.488kN； aa3=h3(2Pa3上+Pa3下)/(3Pa3上+3Pa3下)+h4=2×(2×6.144+38.816)/(3×6.144+3×38.816)+6=6.758m； 第4层土 Eak4=h4(Pa4上+Pa4下)ba/2=1×(39.432+55.768)×0.3/2=14.28kN； aa4=h4(2Pa4上+Pa4下)/(3Pa4上+3Pa4下)+h5=1×(2×39.432+55.768)/(3×39.432+3×55.768)+5=5.471m； 第5层土 Eak5=h5(Pa5上+Pa5下)ba/2=2×(54.315+86.987)×0.3/2=42.391kN； aa5=h5(2Pa5上+Pa5下)/(3Pa5上+3Pa5下)+h6=2×(2×54.315+86.987)/(3×54.315+3×86.987)+3=3.923m； 第6层土 Eak6=h6(Pa6上+Pa6下)ba/2=3×(87.254+136.262)×0.3/2=100.582kN； aa6=h6(2Pa6上+Pa6下)/(3Pa6上+3Pa6下)=3×(2×87.254+136.262)/(3×87.254+3×136.262)=1.39m； 土压力合力： Eak=Eaki=0+1.938+13.488+14.28+42.391+100.582=172.679kN； 合力作用点： aa= (aaiEaki)/Eak=(0×0+8.292×1.938+6.758×13.488+5.471×14.28+3.923×42.391+1.39×100.582)/172.679=2.846m； 2、被动土压力计算 1）被动土压力系数 Kp1=tan2(45°+ 1/2）= tan2(45+18/2)=1.894； Kp2=tan2(45°+ 2/2）= tan2(45+18/2)=1.894； Kp3=tan2(45°+ 3/2）= tan2(45+18/2)=1.894； 2）土压力、地下水产生的水平荷载 第1层土：4-5m H1'=0h0/i=0/21=0m Ppk1上 =1H1'Kp1+2c1Kp10.5=21×0×1.894+2×15×1.8940.5=41.287kN/m2 Ppk1下 =1(h1+H1')Kp1+2c1Kp10.5=21×(1+0)×1.894+2×15×1.8940.5=81.061kN/m2 第2层土：5-5.2m H2'=1h1/i=21/22=0.955m Ppk2上 =2H2'Kp2+2c2Kp20.5=22×0.955×1.894+2×16×1.8940.5=83.832kN/m2 Ppk2下 =2(h2+H2')Kp2+2c2Kp20.5=22×(0.2+0.955)×1.894+2×16×1.8940.5=92.166kN/m2 第3层土：5.2-10m H3'=2h2/sati=25.4/22=1.155m Ppk3上 =sat3H3'-w(h2-hp)Kp3+2c3Kp30.5+w(h2-hp)=22×1.155-10×(1.2-1.2)×1.894+2×16×1.8940.5+10×(1.2-1.2)=92.166kN/m2 Ppk3下 =sat3(H3'+h3)-w(h2-hp)Kp3+2c3Kp30.5+w(h2-hp)=22×(1.155+4.8)-10×(6-1.2)×1.894+2×16×1.8940.5+10×(6-1.2)=249.26kN/m2 3）水平荷载 第1层土 Epk1=bah1(Pp1上+Pp1下)/2=0.3×1×(41.287+81.061)/2=18.352kN； ap1=h1(2Pp1上+Pp1下)/(3Pp1上+3Pp1下)+h2=1×(2×41.287+81.061)/(3×41.287+3×81.061)+5=5.446m； 第2层土 Epk2=bah2(Pp2上+Pp2下)/2=0.3×0.2×(83.832+92.166)/2=5.28kN； ap2=h2(2Pp2上+Pp2下)/(3Pp2上+3Pp2下)+h3=0.2×(2×83.832+92.166)/(3×83.832+3×92.166)+4.8=4.898m； 第3层土 Epk3=bah3(Pp3上+Pp3下)/2=0.3×4.8×(92.166+249.26)/2=245.827kN； ap3=h3(2Pp3上+Pp3下)/(3Pp3上+3Pp3下)=4.8×(2×92.166+249.26)/(3×92.166+3×249.26)=2.032m； 土压力合力： Epk=Epki=18.352+5.28+245.827=269.459kN； 合力作用点： ap= (apiEpki)/Epk=(5.446×18.352+4.898×5.28+2.032×245.827)/269.459=2.321m； 3、基坑内侧土反力计算 1）主动土压力系数 Ka1=tan2(45°-1/2）= tan2(45-18/2)=0.528； Ka2=tan2(45°-2/2）= tan2(45-18/2)=0.528； Ka3=tan2(45°-3/2）= tan2(45-18/2)=0.528； 2）土压力、地下水产生的水平荷载 第1层土：4-5m H1'=0h0/i=0/21=0m Psk1上 =(0.212-1+c1)h0(1-h0/ld)/b+1H1'Ka1=(0.2×182-18+15)×0×(1-0/6)×0.012/0.012+21×0×0.528=0kN/m2 Psk1下 =(0.212-1+c1)h1(1-h1/ld)/b+1(h1+H1')Ka1=(0.2×182-18+15)×1×(1-1/6)×0.012/0.012+21×(0+1)×0.528=62.588kN/m2 第2层土：5-5.2m H2'=1h1/i=21/22=0.955m Psk2上 =(0.222-2+c2)h1(1-h1/ld)/b+2H2'Ka2=(0.2×182-18+16)×1×(1-1/6)×0.012/0.012+22×0.955×0.528=63.427kN/m2 Psk2下 =(0.222-2+c2)h2(1-h2/ld)/b+2(h2+H2')Ka2=(0.2×182-18+16)×1.2×(1-1.2/6)×0.012/0.012+22×(0.955+0.2)×0.528=73.704kN/m2 第3层土：5.2-10m H3'=2h2/sati=25.4/22=1.155m Psk3上 =(0.232-3+c3)h2(1-h2/ld)/b+sat3H3'-w(h2-hp)Kp3+w(h2-hp)=(0.2×182-18+16)×1.2×(1-1.2/6)×12/12+22×1.155-10×(1.2-1.2)×0.528+10×(1.2-1.2)=73.704kN/m2 Psk3下 =(0.232-3+c3)h3(1-h3/ld)/b+sat3(H3'+h3)-w(h3-hp)Kp3+w(h3-hp)=(0.2×182-18+16)×6×(1-6/6)×12/12+22×(1.155+4.8)-10×(6-1.2)×0.528+10×(6-1.2)=91.829kN/m2 3）水平荷载 第1层土 Psk1=b0h1(Ps1上+Ps1下)/2=0.3×1×(0+62.588)/2=9.388kN； as1=h1(2Ps1上+Ps1下)/(3Ps1上+3Ps1下)+h2=1×(2×0+62.588)/(3×0+3×62.588)+5=5.333m； 第2层土 Psk2=b0h2(Ps2上+Ps2下)/2=0.3×0.2×(63.427+73.704)/2=4.114kN； as2=h2(2Ps2上+Ps2下)/(3Ps2上+3Ps2下)+h3=0.2×(2×63.427+73.704)/(3×63.427+3×73.704)+4.8=4.898m； 第3层土 Psk3=b0h3(Ps3上+Ps3下)/2=0.3×4.8×(73.704+91.829)/2=119.184kN； as3=h3(2Ps3上+Ps3下)/(3Ps3上+3Ps3下)=4.8×(2×73.704+91.829)/(3×73.704+3×91.829)=2.312m； 土压力合力： Ppk=Ppki=9.388+4.114+119.184=132.686kN； 合力作用点： as= (asiPski)/Ppk=(5.333×9.388+4.898×4.114+2.312×119.184)/132.686=2.606m； Psk=132.686kNEp=269.459kN 满足要求！ 三、稳定性验算 1、嵌固稳定性验算 Epkapl/(Eakaal)=269.459×2.321/(172.679×2.846)=1.273Ke=1.2 满足要求！ 2、整体滑动稳定性验算圆弧滑动条分法示意图 Ksi =cjlj+(qjbj+Gj)cosj-jljtanj/(qjbj+Gj)sin cj、j 第j土条滑弧面处土的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)； bj第j土条的宽度(m)； j第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角(°)； lj第j土条的滑弧段长度(m)，取ljbj/cosj； qj作用在第j土条上的附加分布荷载标准值(kPa) ； Gj第j土条的自重(kN)，按天然重度计算； uj第j土条在滑弧面上的孔隙水压力(kPa)，采用落底式截水帷幕时，对地下水位以下的砂土、碎石土、粉土，在基坑外侧，可取ujwhwaj，在基坑内侧，可取ujwhwpj；滑弧面在地下水位以上或对地下水位以下的粘性土，取uj0； w地下水重度(kN/m3)； hwaj基坑外侧第j土条滑弧面中点的压力水头(m)； hwpj基坑内侧第j土条滑弧面中点的压力水头(m)； min Ks1 ，Ks2 ，Ksi，=1.708Ks=1.3 满足要求！ 3、渗透稳定性验算渗透稳定性简图 承压水作用下的坑底突涌稳定性验算： D /(hww) =hii /(hww)=(1×21+3.3×22)/(6×10)=1.56 D /(hww) =1.56Kh=1.1 满足要求！ 四、结构计算 1、材料参数钢桩类型工字钢钢桩型号40a号工字钢钢材的惯性矩I(cm4)21700钢材的截面抵抗矩W(cm3)1090钢材的弹性模量E(N/mm2)206000钢材的抗弯强度设计值f(N/mm2)205钢材的抗剪强度设计值(N/mm2)125材料截面塑性发展系数1.05 2、支护桩的受力简图 计算简图 弯矩图(kN·m) Mk=148.487kN.m 剪力图(kN) Vk=60.58kN 3、强度设计值确定 M=0 F Mk=1×1.25×148.487=185.609kN·m V=0 F Vk=1×1.25×60.58=75.725kN 4、材料的强度计算 max=M/(W)=185.609×106/(1.05×1090×103)=162.175N/mm2f=205N/mm2 满足要求！ S=bh2/8-(b-tw)(h/2-t)2)/2=142×4002/8-(142-10.5)(400/2-16.5)2)/2=626050mm3 max=VS/It=75.725×626050×103/(21700×104×16.5)=13.241N/mm2f=125N/mm2 满足要求！