排桩结构设计原理

1、.07201010638 丁鹏飞排桩支护结构设计问题探讨丁鹏飞（安徽建筑工业学院，安徽 合肥 230601）摘要: 在进行排桩支护结构设计和计算中, 因设计人员采用的方法不同, 得出的设计计算结果有较大差别。笔者对排桩支护结构的计算方法和参数的取用进行了初步的探讨,结合某隧道基坑工程实例的数据分析认证, 提出一些意见, 以便有关技术人员在进行支护结构设计时更好地把握。关键词: 深基坑; 排桩; 支护; 结构设计On Designing Problems of Timber ing Structur al with Bent Pileding peng fei（Anhui university

2、of architecture,Hefei,Anhui,230601,China）Abstrac: Pile retaining structure during the design and calculation, the result of different methods used by designers, the design obtained results were quite different. On the structure of the piles supporting the calculation method and parameters of access

3、to carry out a preliminary study, combined with the tunnel excavation example of the data analysis certification, offer some advice to the technical staff when carrying out design of support structures to better grasp.Key Words：Deep Foundation; Pile; Support; Structural Design1. 概述排桩是基坑支护工程中最常用的支护结构

4、之一,在进行排桩支护结构设计和计算中, 因设计人员采用的方法不同, 得出的设计计算结果也有较大差别。笔者在对广东某隧道工程基坑支护桩的验算过程中, 对排桩的计算产生了较大的疑惑和不解, 本文通过该基坑工程的算例对排桩设计计算的几个问题进行了初步的分析探讨。2.弹性法和经典法的选择弹性法是指排桩和地下连续墙等支护结构按竖向弹性地基梁用有限单元法计算内力和位移, 也称弹性地基梁法, 一般只能用电算手段进行计算。经典法是指对排桩和钢板桩等支护结构按等值梁用静力极限平衡法计算内力, 也称无法静力平衡等值梁法, 该方法不能计算位移, 可以采取手算的方式计算。当前, 各种基坑计算软件越来越完善, 基坑设计

5、人员一般都会选择采用“弹性法”来进行设计, 而经典法会越来越少用。2.1 设计计算依据国家行业标准建筑基坑支护技术规程( JGJ120- 99) 条文说明中指出:1) 工程实践证明, 当嵌固深度合理时, 具有试验数据或当地经验确定弹性支点刚度时, 用弹性支点方法确定支护结构内力及变形较为合理, 应予以提倡。2) 考虑不具备弹性支点法计算条件及不同分析方法对简单结构计算误差影响甚小的事实, 故规程中保留了悬臂式结构按极限平衡法及单层支点结构按等值梁法的计算方法。2.2 弹性法和经典法计算结果对比表1为广东某隧道工程2个控制设计地段的桩身内力计算结果对比。表1 不同地段桩身内力计算结果对比由表1

6、看出:1) 经典法计算出来的桩身内力过大, 过于保守, 易造成浪费。相对来讲, 弹性法更加符合实际。2) 经典法无法计算桩顶最大水平位移、桩身最大水平位移、地面最大沉降量等指标。2.3 深基坑支护桩计算方法负责该隧道深基坑支护工程的设计院, 由于对多雨软土地区基坑工程的设计经验较少, 从安全角度出发, 采用了“经典法”计算方式, 结果导致支护桩配筋较大, D120 桩配筋为28!32、30!28、48!28; D150 桩配筋为52!32。支护桩主筋截面配筋率普遍在2 %以上, 有的甚至达到2.6 %。在基坑施工方案专家审查中, 较多专家指出: 不应采用“经典法”, 而应该采用“弹性法”计算。

7、因为隧道所在市的基坑工程普遍采用的是弹性法计算方式, 并取得了大量的成功实例。但由于工期非常紧张, 在基坑方案专家审查时, 支护桩已施工相当一部分, 考虑到采用经典法设计的支护桩并不会危害基坑施工安全,反而对基坑安全有利, 在综合考虑基坑安全、工期等要求的条件下, 最终支护桩的设计仍按经典法设计,没有变更。从后来基坑开挖的情况来看, 支护桩的钢筋确实有配筋偏多的嫌疑。3.基本参数的确定桩的水平荷载时, 直接影响荷载值大小的就是土层参数的选取, 其中影响最大的土层参数主要有: 黏聚力c、内摩擦角。1）黏聚力c、内摩擦角通过三轴剪切仪试验或直接快剪仪试验得出。由于直剪操作方法有缺点, 正有逐渐被淘

8、汰的趋势, 重要工程都用三轴剪切仪试验。三轴剪切试验相对于直剪试验, 更能模拟土体实际受力状态以及能够严格控制排水条件, 故其结果更为可靠。但由于直剪仪试验简单、快捷, 在对该地区工程地质有一定勘察经验的前提下, 也有采用直剪试验的,如本文讨论的隧道工程的地质勘察就是采用直剪试验。2）在正式的“工程地质勘察报告”中, 一般都有各种土层的“土( 岩) 层物理力学性质指标及工程设计参数表”, 表中有各种土层的物理力学性质的试验统计数据。表2为地质勘察单位给出的本文讨论的隧道工程的土层实验参数。3）非沿海软土地区。目前, 国内非沿海地区基坑设计人员在进行深基坑土压力计算时, 大都采用固结不排水剪所得

9、出的c、值指标作为设计依据, 并且较流行的做法是用固结不排水剪c、值指标乘以0.7 折减系数。 4）沿海软土地区。我国沿海地区广泛分布厚层海相淤泥、淤泥质土等软土, 这类软土地区基坑土体c、值应选用不固结不排水剪指标, 同时应注意软土在进行不固结不排水试验前, 应在自重应力下进行预固结。这样可避免土样扰动给试验结果带来的影响, 使土样尽可能恢复原来的应力状态。但目前试验人员在进行不固结排水剪试验时, 通常忽略这一点, 没对试样进行预固结, 使c、值指标偏小, 给设计带来困难。表2 土层试验参数说明: 表中, 在“参数取用的报告建议”一栏中, 标有“*”标记的数据可能是报告笔误。为从确保安全起见

10、按“笔者建议”一栏取值。5）广东省建筑基坑工程技术规程(DBJ/T 15-20- 97) 中指出, 土体的抗剪强度指标应按下列规定选取: 一般情况下, 应采用直接快剪或三轴不固结、不排水抗剪强度指标; 基坑外长时间降水时, 可采用固结、不排水抗剪强度指标。4.土水平抗力比例系数的确定在用“弹性法”中的“m 法”进行支护结构计算时,基坑开挖底部以下的土层水平抗力系数的比例系数m 是最至关重要的因素。按开挖面以下土的水平抗力系数的比例系数m 应根据单桩水平荷载试验结果按式( 1) 计算( 见规程JGJ 120- 99) :当无试验资料或缺少当地经验时, 第i 土层水平抗力系数的比例系数mi 可按下

11、列经验公式计算:式中:ik 为第i 层土的固结不排水( 快) 剪内摩擦角标准值( °) ; cik 为第i 层土的固结不排水( 快) 剪黏聚力标准值( kPa) ; 为基坑底面处位移量(mm) , 应按地区经验取值, 无经验时可取10。本文讨论的隧道土层水平抗力系数m计算及取值对照, 见表3。 由表3 看出: 1) 水平抗力系数的比例系数m 应根据单桩水平荷载试验结果按进行计算而得, 但对于一般的基坑工程, 特别是城市明挖隧道工程, 很少进行单桩水平荷载试验, 这样就必须充分利用当地的工程经验进行水平抗力系数的比例系数m 值的估算和确定。一般在城市隧道工程中, 当地的工程经验有较详细

12、的资料,可以进行类比。 2) 水平抗力系数的比例系数m 一般不是根据经验公式而求得的, 经验公式只能估算黏性土的m 值,对砂土、岩层等是不能简单地应用经验公式的。5.冠梁作用在支护桩设计中的考虑在实际的基坑支护设计中, 一般将冠梁作为一种安全储备而不加以考虑。有些科研人员根据圈梁对支护桩的约束和变形协调, 给出一种考虑圈梁协同作用的支护桩的简化计算方法( 见图1) 。“理正深基坑支护结构设计软件F- SPW”在单元计算中对冠梁的作用在“弹性法”计算中有一些考虑, 在“经典法”计算中无法考虑。式中: L 为矩形基坑的单边边长; EI 为冠梁截面刚度;a 为所求支护桩的中心距矩形基坑角点的距离。对

13、于平面形状为矩形的基坑, 笔者认为该估算公式有一定的合理性; 但对于不封闭的长条形基坑, 如城市明挖隧道, 两端为开口段, 没有形成平面闭合的支护桩, 就无法估算出冠梁的刚度。冠梁对支护桩内力的影响一般都作为安全系数来考虑, 对于长条形基坑可以忽略冠梁的作用。 笔者以本文讨论的隧道工程排桩Zk29 地质钻孔处的计算为例, 冠梁刚度取2 种比较极端的假定数,分别取0.022 MN/m 和21.5 MN/m, 以下为在不同冠梁刚度情况下采用“理正软件”对D 120 cm 支护桩进行内力计算的结果对比, 见表4。表4 不同冠梁刚度采用“理正软件”对支护桩内力计算结果对比 由表4 得出: 在单元计算中

14、, 冠梁水平刚度的大小( 甚至有无冠梁) 对支护桩的结构内力影响不大。冠梁水平刚度增加较大时, 第1 道内支撑轴力减小较明显, 第2 道内支撑轴力及桩身弯矩、桩身剪力等基本不变, 桩顶水平位移明显减小, 桩身最大水平位移、地面沉降也有轻微减少。总之, 在城市隧道基坑中, 冠梁的设置满足规范( 或规程) 的构造要求, 是必须设置的, 特别在南方多雨软土地区, 冠梁是增加基坑安全储备的一项重要措施。另外对于在冠梁处设内支撑的基坑, 此时冠梁为支撑型冠梁, 是必须进行抗弯和抗剪验算的受力构件。6支点水平刚度系数的确定“弹性法”计算中, 支撑体系( 含具有一定刚度的冠梁) 或其与锚杆混合的支撑体系水平

15、刚度系数KT应按支撑体系与排桩的空间作用协同分析方法确定。 1) 规范规定建筑基坑支护技术规程( JGJ 120- 99) 规定: 对于设内支撑的排桩支护, 当基坑周边支护结构荷载相同、支撑体系采用对撑并沿具有较大刚度的腰梁或冠梁等间距布置时, 水平刚度系数KT 可按式( 3) 计算:式中: KT 为支撑结构水平刚度系数; 为与支撑松弛有关的系数, 取0.81.0; E 为支撑构件材料的弹性模量; A 为支撑构件断面面积; L 为支撑构件的受压计算长度; s 为支撑的水平间距; sa 为支护桩的计算宽度。2) 计算实例广东某隧道工程支护桩横撑采用D=600 mm, t=16 mm 的Q235

16、钢管。对深度10 m 的普通地段横支撑间距s=5 m, 支撑构件的受压计算长度取32.6 m, 支护桩计算宽度sa=1.35 m; 对于深度13.5 m的泵房位置横支撑间距s=3 m, 支撑构件的受压计算长度取43.85 m, 支护桩计算宽度sa=1.65 m。上述的受压构件的计算长度为整条横支撑的长度, 忽略了格构柱的影响, 其实真正的计算长度要比整条钢支撑的长度小, 此处仅从安全角度考虑, 粗略取其计算长度。对基坑深度10 m 的普通段KT 为:对基坑深度13.5 m 的泵房段KT 为: 如果在支撑构件的受压计算长度中考虑中间格构柱的影响, 对基坑深度10 m 的普通段, 其支撑构件的计算

17、长度不再是32.6 m, 而大约为20 m。此时, 其支点水平刚度系数KT 为125 MN/m。同样对基坑深度13.5 m 的泵房段, 如其支撑构件计算长度取20 m, 则支点水平刚度系数KT 为254 MN/m。在桩、土条件完全相同的情况下, 我们对10 m 深普通段分别取KT=76.7、KT=125, 对13.5 m 深泵房段取KT=116、KT=254 来进行桩身内力计算, 结果对比见表5表5 不同基坑深度不同地段桩身内力计算结果对比表从表5 看出, 当增加支点水平刚度系数时, 第2道内支撑轴力明显增加, 第1 道内支撑的轴力、桩身内力等变化较小, 桩顶水平位移明显减小。7.施工工况的选

18、择及土方超挖对10 m 深基坑, 按设计图纸中规定的施工步骤,其计算工况见表6。从表6 看出, 基坑设计计算中只需设置工况1工况7, 而工况8 和工况9 可以省略不计。按设计图纸, 土方超挖深度为0.5 m, 表6 中的工况就是根据设计要求而拟定的。但在实际施工过程中是无法做到这一点的。因为土方超挖深度过小, 钢支撑安装后, 挖掘机无法伸臂挖掘新安装的钢支撑与原钢支撑下的土方( 两钢支撑的间距为35 m) 。据笔者的经验, 采用“台阶法”反铲挖掘机倒退挖土时, 土方的超挖深度至少需要2 m 以上, 局部地段( 上下两台阶之间的距离) 需达到3 m。这是在进行基坑工程设计时应给予考虑的, 否则, 容易造成基坑安全事故。表6 计算工况广东某隧道工程因工期非常紧, 在基坑土方开挖过程中, 施工队为施工方便, 土方的超挖深度普遍在34 m, 严重超挖现象普遍存在。但经过现场技术人员计算复核, 这