深基坑排桩支护结构

第二节深基坑排桩支护结构基坑开挖时，对不能放坡或由于场地限制而不能采用搅拌桩支护，开挖深度在6~10米左右时，即可采用排桩支护。排桩支护可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩。图3-5排桩支护的类型•排桩支护结构可分为：•（1）柱列式排桩支护：当边坡土质尚好、地下水位较低时，可利用土拱作用，以稀疏钻孔灌注桩或挖孔桩支挡土坡，如图3-5a所示。•（2）连续排桩支护（图3-5b）：在软土中一般不能形成土拱，支挡结构应该连续排。密排的钻孔桩可互相搭接，或在桩身混凝土强度尚未形成时，在相邻桩之间做一根素混凝土树根桩把钻孔桩排连起来，如图3-5c所示。也可采用钢板桩、钢筋混凝土板桩，如图3-5d、e所示。•（3）组合式排桩支护：在地下水位较高的软土地区，可采用钻孔灌注排桩与水泥土桩防渗墙组合的方式，如图3-5f所示。•按基坑开挖深度及支挡结构受力情况，排桩支护可分为一下几种情况。•（1）无支撑（悬臂）支护结构：当基坑开挖深度不大，即可利用悬臂作用挡住墙后土体。•（2）单支撑结构：当基坑开挖深度较大时，不能采用无支撑支护结构，可以在支护结构顶部附近设置一单支撑（或拉锚）。•（3）多支撑结构：当基坑开挖深度较深时，可设置多道支撑，以减少挡墙的压力。•一、无支撑排桩支护结构•无支撑排桩支护结构也亦即悬臂式桩排支护结构（悬臂板桩的变位及土压力分布图见图3-6），可由多种桩型组成，本节只涉及相间或密排插入基坑底面以下一定深度的钢筋混凝土桩，桩顶设置钢筋混凝土锁口梁，桩体承受水平推力，锁口梁调节各桩受力和水平位移的支护结构体系。挡土深度视地质条件和桩径而异，一般不宜超过6m。图3-6悬臂板桩的变位及土压力分布图a.变位示意图b.土压力分布图c.悬臂板桩计算图d.Blum计算图式•悬臂桩支护结构静力计算主要目的有二个：（1）悬臂桩桩身插入基底面以下的最小入土深度Dmin；•（2）桩身最大弯矩及所在位置，以计算桩身的截面和配筋。•（一）结构静力计算模型•钢筋混凝土桩插入基底面以下的深度可以根据静力平衡条件确定：如图3-7所示，通过主被动两侧土压力对C点的力矩平衡，解式（3-12），即可得最小入土深度Dmin。•（3-12）•式中MEa1，MEa2——分别为基底以上及以下主动土压力之合力对C点的力矩（kN.m）；•MEP——被动土压力对C点的力矩（kN.m）。•桩的设计长度应按下式确定：•（3-13）•式中H——基坑开挖深度（m）；•——增大系数，基坑底以下土质较好时取1.2；反之取1.4120EaEaEpMMMmindDHKD'dK图3-7悬臂式桩排计算图•（二）计算步骤•1.土压力计算包括主动和被动压力和超载影响的计算。桩的入土深度为未知，可设为Dmin，这部分的土压力暂以包含Dmin的式子表示。•2.力矩平衡计算分别计算主、被动土压力对C点的力矩，再按照力矩平衡条件，列出平衡方程，一般为Dmin的三次方程。•3.解方程，得出Dmin。•4.求剪力为零点深度，对该深度截面计算弯矩，即为最大弯矩Mmax。•5.根据Dmin确定桩的设计入土深度，根据Mmax确定适当的桩径、桩距和桩的配筋。（三）算例：某工程基坑支护拟采用悬臂桩结构，主要参数如图3-8（a）所示。试计算桩的设计长度，桩身最大弯矩及所在位置。•一、土压力计算•根据本题题意，公式（3-3）和（3-11）可以推导出公式（3-14）和（3-15），计算结果如表（3-5）和（3-6）所示。•（3-14）••（3-15）0()2ajkmjjaiikaiezqkck0()2pjkmjjpiikpiezqkck•主动区力矩合计：•1.55Dmin3+25.83Dmin2+143.35Dmin+265.2•被动区力矩合计：•6.46Dmin3+14.28Dmin2•根据平衡条件可得：•4.91Dmin3-11.55Dmin2-143.35Dmin-265.2=0•解之，得:Dmin=7.33m桩的设计嵌入深度取:1.2Dmin=8.8m≈9m•桩的总长为:6+9=15m3.求最大弯矩设剪力零点位于基底以下x处，该点以上主动土压力合力为：（51.66×5.55）／2+51.66x+0.5（γ·x·Ka）x=4.655x2+51.66x+143.35该点以上被动土压力合力为：28.56x+0.5（γ·x·Kp）x=19.38x2+28.56x令两者相等，得：14.725x2-23.1x-143.35=0解得x=4.0m对该截面求矩即得最大弯矩MmaxMmax=143.35×（5.55／3+4）+51.66×4×4／2+4.655×42×4／3-28.56×4×4／2-19.38×42×4／3=709.4kNm至此计算完毕，接着可按最大弯矩选择适当的桩径、桩距和配筋。但尚应注意计算所得Mmax是每延米桩排的弯矩值，应乘以桩距，并乘以荷载分项系数1.25之后，才是单桩弯矩设计值。•（四）钢筋混凝土悬臂桩排结构设计要求•1.悬臂钢筋混凝土桩的配筋应按钢筋混凝土受弯构件计算和配筋，并应按规定采取构造措施。圆形截面桩宜均匀配筋，在土质较好或采用人工挖孔桩确有施工保证可采用不均匀配筋，将抗弯钢筋集中布置在受拉边的弯矩作用平面左右各45°范围内，以增大抵抗力矩。•2.钢筋混凝土锁口梁厚度一般可为400～500mm，平面上外包桩体并突出50～100mm，沿基坑周边形成封闭结构。锁口梁按水平面内作用有正负弯矩的受弯构件配筋，每侧不宜少于3φ16，梁截面的总配筋率不小于0.4%，角撑可按构造设计为钢构件或钢筋混凝土构件。•3.支护的钢筋混凝土桩采用疏排布置时，在各桩中间的空隙部位或桩背后适当布置止水桩，防止渗水和土体从桩间流失。也可在基坑开挖过程中逐步砌筑砖拱防渗。无论采用何种方式，其强度和构造应保证能可靠地将土水压力传递给桩身。•二、有支撑排桩支护结构•有支撑排桩支护结构常见的有顶端支撑的排桩支护结构和桩锚式支护。在实际工程应用中，后者更为普遍。•顶部支撑的排桩支护结构（计算简图如图3-9）的计算与悬臂桩相比，其不同在于顶部支撑（桩）墙的计算需要求顶支撑的内力TA。•桩锚式支护由支护排桩，锚杆及围檩等组成，用以支挡坑壁土压力并限制坑壁的侧向位移。锚杆平面位置应在两个桩之间空隙穿过。•锚杆由锚头，拉杆和锚固体组成，根据支护深度和土质条件锚杆可设置一层或多层，其锚固段应置于较好的粘性土或粉土、粉细砂层中。条件允许时，可在基坑边缘以外（超过潜在滑动面）设置锚定板，锚块或锚桩，用拉杆与桩排联结成顶层拉锚。单层桩锚式支护结构计算方法可以根据桩入土深度的不同采用静力平衡法（见图3-10）和等值梁法（见图3-11）来计算。图3-9顶部支撑桩墙的计算简图图3-10单支点排桩支护的静力平衡计算简图图3-11单支点排桩支护等值梁法计算简图•当基坑比较深、土质较差时，单支点支护结构不能满足基坑支挡的强度和稳定性要求时，可以采用多层支撑的多支点支护结构。支撑层数及位置应根据土质、基坑深度、支护结构、支撑结构和施工要求等因素确定。如图3-12为多支点支撑（锚杆）计算模型。•图3-13多层锚杆支护工况图•多层锚杆的设置是随着开挖不同工况逐层向下开挖而分次设置的，见图3-13。•根据实测资料这样设置的多层锚杆有如下一些现象：•（1）下道锚杆设置之后，上道锚杆的轴向力只有微小的变化，锚杆所在点可以看作是不动点；（2）下道锚杆支点以上的墙体变位，大部分是在下道横撑设置前产生的。•多层锚杆支护结构是超静定问题，根据实际支护中的实测资料可按下列假定将超静定问题简化为静定问题进行计算：（1）各层锚杆所在点均为不动支点；（2）支护桩的下端按简支端考虑；（3）在自上至下逐层计算过程中，某一层锚固力一旦确定，在后续的计算中保持不变。•如图3-12所示，对于第i层支撑（锚杆）计算如下：•对i点取矩，令ΣMi=0，则有：•式中及图中：•Hi——设置第i+1层支撑（锚杆）时的开挖深度（m）•Di——所计算阶段满足力矩平衡的计算入土深度（m）•Ea1i，Ea2i——分别为Hi深度下的开挖底面上下主动土压力合力（kN）•Epi——Di深度范围内的被动土压力合力（kN）•MEa1i，MEa2i，MEpi——各项土压力对Ⅰ点的力矩（kN.m）•——第i至第i-1层支撑（锚杆）力对i点的力矩（kN.m）•在上式（3-16）中，含有Di，解出后从（3-17）式中可算出第i层支撑（锚杆）力Ti（kN）。•对最下一层支撑（锚杆）计算得出的Di值可作为桩的最小入土深度Dmin。•支护桩的设计长度D按下式确定：•D=H+Kd·Dmin（土质好时Kd=1.2，反之Kd=1.4）按此设计的入土深度，尚应满足整体稳定性验算要求。