双排桩计算理论及支护结构设计

2023-11-21 理论教育版权反馈

【摘要】：此外，双排桩稳定性计算包括整体滑动稳定性验算、嵌固稳定性计算等。双排桩桩径及桩距一般根据结构内力计算确定，需要满足强度及使用要求。软土地区双排桩支护往往会采用桩间土加固。桩间土加固可减小双排桩位移及桩身弯矩。

3.2.2.1　双排桩计算理论

双排桩受力及变形的设计计算一般采用平面刚架结构模型，该模型示意如图3－9所示。采用该模型时，作用在后排桩的土压力一般按主动或静止土压力取值。该模型的核心内容是桩间土对前、后排桩压力的计算。根据《规程》，桩间土对桩侧土压力（Pc）可按式（3－1）计算：

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式中　kc——桩间土的水平刚度系数（kN／m3）；

　　　Δν——前后排桩水平位移差值（m）；

　　　Pc0——桩间土对桩侧初始压力（kPa）；

　　　Es——计算深度处，桩间土的压缩模量（kPa）；

　　　sy——双排桩的排距（m）；

　　　d——桩的直径（m）；

　　　Pak——支护结构外侧，第i层土中计算点的主动土压力强度标准值（kPa）；

　　　h——基坑深度（m）；

　　　φm——基坑底面以上各土层按厚度加权的等效内摩擦角平均值（°）；

　　　α——计算系数，当其值大于1时，取α=1。

此外，双排桩稳定性计算包括整体滑动稳定性验算、嵌固稳定性计算等。其中，整体滑动稳定性一般采用圆弧滑动条分法进行验算。嵌固稳定性计算模型如图3－10所示，计算公式如下：

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图3－10　双排桩抗倾覆稳定性验算

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式中　Ke——嵌固稳定安全系数；规范要求，安全等级为一级、二级、三级的双排桩，Ke分别不小于1.25，1.2，1.15；

　　　Eak，Epk——基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力标准值（kN）；

　　　aa，ap——基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力合力作用点至双排桩底端的距离（m）；

　　　G——双排桩、刚架梁和桩间土的自重之和（kN）；

　　　aG——双排桩、刚架梁和桩间土的重心至前排桩边缘的水平距离（m）。(www.chuimin.cn)

3.2.2.2　双排桩支护结构设计

一般双排桩支护结构形式如图3－11所示。其结构主要组成部分包括前排桩、后排桩、前后排桩顶部的冠梁、连接前后排桩的连梁、桩间土体和基坑被动区土体的加固区域等构成。因此，双排桩支护结构的设计内容主要包括前后排桩的设计、前后排桩中心间距（即排距）的确定、前后排桩桩间土及基坑被动区土体加固设计、坑外卸载影响及土层计算参数选取等。

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图3－11　双排桩典型结构形式

1.前后排桩设计

双排桩的前后排桩作为主要承受坑外水土压力的结构构件，是双排桩设计的核心部分。前后排桩设计包括前后排桩桩长、桩径、桩距的确定，前后排桩布置及配筋计算。前后排桩桩长一般由稳定性及变形要求控制。稳定性计算包括整体稳定性计算和抗倾覆稳定性计算等。对于一般黏性土和砂土，双排桩结构的嵌固深度不宜小于0.6倍基坑开挖深度。嵌固深度对双排桩变形的影响随着嵌固深度的减小而减低。双排桩桩径及桩距一般根据结构内力计算确定，需要满足强度及使用要求。

前后排桩布置可根据需要采用对齐布置、梅花形交错布置、前后排不等桩距布置和格栅形布置等形式。前后排桩桩长也可采用非等长设计。例如，双排桩变形满足要求而稳定性不足时，为节约造价，可仅增加前排桩或后排桩桩长，以提高稳定性。

2.排距确定及连梁设计

前后排桩的排距是决定双排桩和桩间土共同作用效果的关键参数。以最极端情况为例，当双排桩排距为0时，双排桩便退化为悬臂单排桩，其受力及变形特性与悬臂单排桩类似。当双排桩排距过大时，后排桩对前排桩的作用类似于拉锚桩的效果。浙江省《建筑基坑工程技术规程》（DB33／T 1096—2014）规定：当前后排桩排距超过一定范围时，前排桩可按顶部锚拉型排桩进行内力变形分析，而后排桩按锚桩要求设计。一般来说，排距越大，双排桩位移越小。但随着排距增加，位移减小趋势逐渐变缓。前后排桩排距对桩身弯矩的影响比较复杂。随着排距增加，前排桩弯矩有所增加，而后排桩弯矩逐渐减小。因此，根据变形及受力情况，双排桩排距应在一定范围内取值。一般建议双排桩排距宜取桩径的2～5倍。但对于基坑稳定性来说，排距越大，越有利于双排桩基坑的整体稳定性及抗倾覆稳定性。

在目前规范采用的双排桩计算理论中，双排桩的连梁（即钢架梁）与前后排桩按刚接考虑。根据双排桩平面刚架计算模型可以得到连梁受力情况。连梁截面应根据其高跨比按普通受弯构件或深受弯构件进行设计。连梁截面宽度可根据排桩间距设置成与桩径相同或略大于桩径，也可以直接采用连板形式。连梁截面高度一般可取排距的1／6～1／3。

3.土体加固设计

软土地区常用的土体加固方式包括水泥土搅拌桩、高压喷射注浆和压密注浆等类型。实际工程中，应根据基坑初步变形计算结果确定是否需要采用土体加固。确实需要进行加固的，根据基坑周边环境、场地土质条件及施工和造价等因素，选取合适的加固方法。土体加固的作用在于改善加固土体的物理力学性质。在基坑计算中，加固体参数应在原状土层参数基础上适当提高。对加固体参数有当地经验时，可根据当地经验或规范要求取值。

双排桩基坑土体加固设计包括桩间土加固及被动区土体加固两部分。对于大规模基坑，被动区土体加固可采用裙边加固形式。裙边加固深度根据计算确定，对上海软土地区一般不小于3m。加固宽度则根据经验及规范要求的最小宽度要求确定。数值模拟计算结果表明，对于相同截面面积的裙边加固，加固宽度略大于加固高度时，基坑变形的控制效果最明显。被动区加固对基坑稳定性的提高也有显著效果。加固体的无侧限抗压强度是原始土体的数十倍，因而加固体产生剪切破坏所需剪应力远大于原土体。研究表明，基坑整体稳定性安全系数随被动加固体宽度增加而增加。

软土地区双排桩支护往往会采用桩间土加固。桩间土加固可减小双排桩位移及桩身弯矩。很多工程中，桩间土加固既作为减小变形的手段，也起到基坑止水作用。桩间土加固可根据需要加固桩间一定范围的土体，如图3－12所示。随着桩间土加固高度（L0）的增大，双排桩位移和桩身弯矩均减小。当加固高度达到开挖面以下一定深度后，L0对双排桩位移及弯矩的影响显著降低。该深度位置与不采用桩间土加固时的双排桩桩身弯矩的反弯点位置基本一致。由于双排桩桩身弯矩的反弯点一般在开挖面以下的较小深度范围里，因此建议桩间土加固深度应超过开挖面深度并至少向下延伸3～5m。此时，桩间土加固对于双排桩变形及弯矩的减小是最有效的。

与桩身相比，桩顶附近的桩间土加固对双排桩影响相对较小。当桩顶附近土质条件较好或对桩顶位移控制要求并不十分严格时，桩顶以下2～4m 的土体可不予加固，如图3－12所示。

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