深基坑工程围护施工技术空间组合支护桩结构

空间组合支护桩结构在深基坑围护中的应用1.引言空间组合支护桩体系是在原双排支护桩基础上,因开挖深度加大和环境限制而发展形成的新一代支护结构形式。所谓空间组合系指支护桩从平面上看可按需要采用不同排列组合,桩端用连梁拉接。在没有锚杆(或内支撑)的情况下,发挥空间组合桩的整体刚度和空间效应与桩土协同工作,支档因开挖引起的不平衡力,达到保持坡体稳定,控制变形,满足施工和保护相邻环境的要求。常用空间组合支护形式从平面布置上可分为“丁”字形、三角形、“之”字形等(图1)。图1、常用空间组合支护形式采用组合结构进行基坑围护，当对支护结构的变形要求不是十分严格时，5M深以内的基坑采用双排桩可以不设水平支撑，因此，这种支护结构曾在很多几个大型基坑中得到应用，节省了大量的支撑费用与相应的支撑施工及养护工期，并且非常有利于地下室施工。但是，双排桩的设计计算在土压力的分担、桩土相互作用的考虑等方面还较缺乏深入研究，本文对这些问题进行了简单探讨。2.计算模型目前，应用比较普遍的双排桩计算模型是基于室内模型试验和工程实测提出的平面刚架模型。它将双排桩与桩顶连梁看作底端嵌固的刚架结构，如图2，节点A、B视为直角刚节点，连梁作为绝对刚体，在土压力作用下只能平移而不产生转角。基坑开挖后，后排桩迎土一侧受到主动土压力，桩间土体对后排桩也会产生作用力。因桩间土宽度一般很小，认为对前后排桩大小相等，方向相反，则前后排桩所受的主动土压力分别为:前排桩后排桩假定不同深度下与的比值相同，即，则。对于应用较多的双排桩矩形排列方法，比例系数按下式确定:式中，；为土的内摩擦角；为基坑深度；为双排桩排距。图2、平面钢架模型图3、平面杆系模型被动土压力的考虑方法类似，于是双排桩的内力、位移即可按结构力学方法进行计算。在实际工程中，以平面刚架模型为基础，又产生了平面杆系有限元法：主动土压力按一定模式取值并分配作用在各桩上，坑底以下土视为弹性地基，桩体视为竖直放置在弹性地基中的梁，被动土压力由弹性抗力法计算，即在桩体上作用一系列连续的互不相关的弹簧，当支护结构变形时，弹簧对其的反力作用就是桩侧土的抗力，桩端常采用固定铰支座，见图3。但是，图3模型由于人为进行前、后排桩之间土压力分配和在桩底端设置固定铰支座，其实质是将前、后排桩人为分离开，仅靠桩顶连梁连接，不能真实反映土中水平受荷相邻桩的相互作用问题，而且，桩底端设置固定铰支座也将桩身下部的桩土相互作用隔离开了。实质上，双排桩抗倾覆能力之所以强主要是因为它相当于一个插入土体的刚架，能够靠基坑以下桩前土的被动土压力和刚架插入土中部分的前桩抗压、后桩抗拔所形成的力偶来共同抵抗倾覆力矩，桩土之间的相互作用不容忽略。这种相互作用既不可能将坑底以下的双排桩完全固定，也不可能任其自由变形，而是与入土深度、土质好坏等因素密切相关的变量；其次，由于桩间土体的宽度一般很小，可以把前后排桩及桩间土体看作一个整体，则作用在这个整体上的外力包括后排桩受到的主动土压力和坑底以下前排桩受到的被动土压力，这两种土压力在前后排桩之间分配应该取决于双排桩结构自身变形和桩间土体的性质，而常用的假设分配系数的简化方法难以反映这些因素的影响。3．桩距的确定空间组合桩前后排之间的距离(即排距),影响着组合桩工作的性状。排距y的确定与单桩刚度、桩土刚度比、土层性状等因素有关。当排距y﹤3d(d为桩直径)时,只能视组合桩为增加自身刚度的叠合桩,桩土协同作用难以发挥;当排距时(其中H和h的含义见图4，为土的内摩擦角。),则可以认为趋向拉锚桩,后排桩利用土抗力起到锚拉支撑作用,无从谈及桩土协同空间效应;而在两者之间则可作为空间组合支护桩的合理选择范围。根据资料显示,最佳排距范围约在3～6d。在上述最佳桩距范围内的组合桩的受力具有以下特点:①在组合桩中,各桩均分担主动土压力,但有主次,后排桩兼起支档和拉锚双重作用；②形成空间结构或拱,增加桩体自稳性和整体刚度；③充分利用桩土相互作用中的土拱效应,改变侧土压力分布。4.组合支护桩的计算组合支护桩计算通常可按平面刚架计算,计算中应考虑侧土压力分担比、超载分布、桩嵌埋深度及桩底边界条件、桩顶连梁作用与相对刚度等因素。在常规设计计算中,桩侧土压力作为已知荷载条件,其分担比(不计入超载)可按图4所示土压力模式近似计算。图4、土压力分布图中:———理论滑裂面距前排桩的距离；———前、后排桩间距,即排距；———前排桩桩端嵌埋深度,其值对前排桩可按单排悬臂桩计算确定,一般取(0.2～0.3)H；———后排桩嵌埋深度,其值从假定滑裂面以下起算,取值范围为(0.15～0.25),具体依土质而定,对中密以下砂土、软弱粘性土取高值；、———分别为前后排桩的主动土压力强度；、———分别为前后排桩的被动土压力强度。对于“丁”字形组合桩；=(1)=(2)=(3)=(4)对于“三角形”组合桩:=(5)=(6)=(7)=(8)式中:、———分别为根据土压力理论计算的主动、被动土压力强度；———土压力分担比,其值按下式确定(9)其它符合意义同前。5.结束语根据已有的工程实例结果表明,采用的空间组合支护桩在侧土压力作用下的桩顶位移很小,完全达到了预期的控制目标。该