深基坑工程——第七章排桩1-悬臂桩

1、第七章排桩支护设计,1,主要内容,第一节概述第二节悬臂桩设计计算第三节单层支撑（锚拉）桩设计计算第四节多层支撑（锚拉）桩设计计算第五节排桩设计的构造要求第六节排桩支护结构变形计算第七节排桩的施工与检验,2,3,第一节概述,一、排桩围护结构的概念二、排桩的类型及止水三、排桩围护结构的应用,4,排桩围护结构：是采用连续的柱列式排列的桩体形成的围护结构。根据排桩中单个桩体的成桩工艺的不同，可分为：钻孔灌注桩、预制混凝土桩、挖孔桩、压浆桩、SMW工法（型钢水泥土搅拌桩）等。横截面形状主要有圆形和板状两大类。,一、排桩围护结构的概念,5,挖孔桩-钢支撑,5,6,板桩支护板桩有钢板柱、木板桩与钢筋混凝土板

2、桩数种。钢板桩的种类很多，常见的有U板桩与Z板桩,锁口形成整体，具有较好的隔水能力。,7,常用钢板桩截面形式(a)Z型;(b)U型;(c)一字型;(d)组合型,钢板桩水平支撑,U型钢板桩插打入土U型板桩相互连接,8,9,9,10,10,11,SMW工法（劲性水泥土搅拌桩）-板式支护-钢板桩,11,12,12,型钢,深层搅拌桩,SMW工法桩组合支护,13,14,15,16,17,18,19,根据单个桩体的平面排列方式不同，排桩可分为：分离式、咬合式、双排式、相切式、交错式、格栅式等。,二、排桩的类型及止水,20,分离式排桩,二、排桩的类型及止水,分离式排桩是工程中排桩围护墙最常用，也是较简单的围

3、护结构形式。排桩外侧可结合工程的地下水控制要求设置相应的隔水帷幕。,21,分离式排桩特点,二、排桩的类型及止水,1.施工工艺简单、工艺成熟、质量易控制、造价经济。2.噪声小、无振动、无挤土效应，施工时对周边环境影响小。3.可根据基坑变形控制要求灵活调整围护桩刚度。4.在基坑开挖阶段仅用作临时围护体，在主体地下室结构平面位置、埋置深度确定后即有条件设计、实施。5.在有隔水要求的工程中需另行设置隔水帷幕。其隔水帷幕可根据工程的土层情况、周边环境特点、基坑开挖深度以及经济性等要求的综合选用。,22,分离式排桩适用性,二、排桩的类型及止水,1.软土地层中一般适用于开挖深度不大于20m的深基坑工程。2.

4、地层适用性广，对于从软粘土到粉砂性土、卵砾石、岩层中的基坑均适用。,23,双排式排桩,二、排桩的类型及止水,为增大排桩的整体抗弯刚度和抗侧移能力时，可将桩设置成为前后双排，将前后排桩桩顶的冠梁用横向连梁连接，就形成了双排门架式挡土结构。,24,双排式排桩特点,二、排桩的类型及止水,1.抗弯刚度大，施工工艺简单、工艺成熟、质量易控制、造价经济。2.可作为自立式悬臂支护结构，无需设置支撑体系。3.围护体占用空间大。4.自身不能隔水，在有隔水要求的工程中需另设隔水帷幕。,双排式排桩适用性,适用于场地空间充足，开挖深度较深，变形控制要求较高，且无法内支撑体系的工程。,25,咬合式排桩,二、排桩的类型及

5、止水,因场地狭窄等原因，无法同时设置排桩和隔水帷幕时，可采用桩与桩之间咬合的形式，形成可起到止水作用的咬合式排桩围护墙。咬合式排桩围护墙的先行桩采用素混凝土桩或钢筋混凝土桩，后行桩采用钢筋混凝土桩。,26,咬合式排桩特点,二、排桩的类型及止水,1.受力结构和隔水结构合一，占用空间较小。2.整体刚度较大，防水性能较好。3.施工速度快,工程造价低。4.施工中可干孔作业,无须排放泥浆,机械设备噪音低、振动少,对环境污染小。5.对成桩垂直度要求较高，施工难度较高。,咬合式排桩适用性,1.适用于淤泥、流砂、地下水富集的软土地区。2.适用于邻近建构筑物对降水、地面沉降较敏感等环境保护要求较高的基坑工程。,

6、27,二、排桩的类型及止水,最常见的止水帷幕是采用水泥搅拌桩（单轴、双轴或多轴）相互搭接、咬合形成一排或多排连续的水泥土搅拌桩墙，由于搅拌均匀的水泥土渗透系数很小，可作为基坑施工期间的止水帷幕。,28,按基坑开挖深度及支挡结构受力情况，排桩支护可分为以下几种情况：可将排桩分为：悬臂桩支护结构、单层支撑（锚拉）桩支护结构、多层支撑（锚拉）桩支护结构。,二、排桩的类型及止水,（1）悬臂桩支护结构：当基坑开挖深度不大，即可利用悬臂作用挡住墙后土体。（2）单层支撑（锚拉）桩支护结构：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）多层支撑（锚拉）桩支护

7、结构：当基坑开挖深度较深时，可设置多道支撑，以控制挡墙的位移。,悬臂桩支护结构,悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土排桩、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩等型式。悬臂式支护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构的安全。悬臂式结构对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，对相邻建(构)筑物产生不良影响。,悬臂式支护结构适用于土质较好、开挖深度较浅（一般在6m以内）的基坑工程。,29,单(多)层支撑（锚拉）桩支护结构,单(多)层支撑（锚拉）桩支护结构是指在基坑开挖面以上的任何位置上提供单个或多个支点与挡土结构结合而成的混合支护结构。混合支护结构有内撑式支护结构和拉锚式支护结构。,混合支护结

8、构适用于基坑较深，悬臂式支护结构无法满足强度与变形要求的工程。,30,内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成。支护结构体系常采用钢筋混凝土排桩。内撑体系根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑及多层水平支撑。,单支撑支护结构多支撑支护结构空间支护体系,图43图44图45,31,锚拉式支护结构由支护结构体系和锚固体系两部分组成。支护结构体系同于内撑式支护结构。锚固体系可分为锚杆式（图1）和地面拉锚式（图2）两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、多层锚杆。,图1双层锚杆图2地面拉锚,32,锚拉（支撑）支护结构的破坏形式(1)支锚结构系统破坏；(2)桩墙底部向基坑内侧移动；(3)桩墙弯

9、曲破坏；(4)整体圆弧滑动；(5)隆起、管涌。,33,34,第二节悬臂桩设计计算,一、悬臂桩的设计计算内容二、悬臂桩的设计计算原理三、悬臂桩的设计计算步骤四、桩身截面尺寸与配筋验算,(1)悬臂桩嵌固深度的确定。(2)支护结构体系的内力分析和结构强度计算。(3)基坑的稳定性验算。(4)基坑底抗渗流稳定验算。(5)基坑的变形计算，内容包括支护结构的侧向位移、坑外地面的沉降和坑底隆起等项目。,35,一、悬臂桩的设计计算内容,悬臂桩主要依靠嵌入土内的深度，来平衡自重应力、地面荷载及渗流等形成的侧压力。因此首先要计算嵌固深度。其次还要计算桩所承受的最大弯距，以便核算钢板桩的截面及灌注桩直径和配筋。悬臂桩

10、看似一端固定的悬臂梁，实际上二者有根本的不同之处。首先是悬臂桩难以确定固定端位置，因为桩在两侧土压力作用下，每个截面都会发生水平方向的位移和转角变形。其次，嵌入坑底以下部分的作用力很复杂，难于确定。因而期望以悬臂梁为基本构件体系，考虑桩墙和土体的变形一致来进行解题将是非常复杂的。现行的计算方法均是：先对构件两侧荷载的分布作一些假设，然后简化为静定的平衡问题来进行解题。,二、悬臂桩的设计计算原理,36,目前悬臂桩的计算方法有：静力平衡法，Blum法，平行杆系弹性支点法，杆系有限单元法，共同变形法和有限单元法。静力平衡法简单而近似，在工程设计计算中被广泛应用。悬臂桩支护结构静力计算主要目的有二个：

11、一是悬臂桩桩身插入基底面以下的最小嵌固深度Dmin；二是桩身最大弯矩及所在位置，以计算桩身的截面和配筋。对于悬臂桩的内力（弯矩、剪力）计算规范中推荐采用平行杆系弹性支点法，主要是因为该方法不仅可以计算内力，还可以计算支护结构的变形（位移）。而静力平衡法只能计算内力，不能计算变形。,37,38,1、桩径、桩距的确定2、土压力计算3、嵌固深度及内力计算4、基坑稳定性验算5、桩身正截面受弯承载力计算,三、悬臂桩的设计计算步骤,39,1、桩径、桩距的确定：按照地区经验取值。一般桩径D0.6m，可取0.6m、0.8m、1.0m等。桩的中心距不宜大于2D；有地下水时，桩中心距可取（1.21.5）D；砂土和

12、软土取小值，粘性土取大值。无地下水、降水或者土质较好时，桩中心距2D。2、土压力计算：按照规范法计算土压力、经验土压力或实测土压力。,三、悬臂桩的设计计算步骤,悬臂式支护结构嵌入坑底的深度不同，其变形情况有所不同。第一种情况：若嵌固深度较深，支护结构向坑内倾斜较小时，下端B处没有位移。第二种情况：若支护结构嵌固深度较浅，当达到最小嵌固深度Dmin,它的上端向坑内倾斜较大，下端B向坑外位移，若嵌固深度小于Dmin，支护结构丧失稳定，顶部向坑内倾斜。,三、悬臂桩的设计计算步骤,3、嵌固深度及内力计算：,40,（1）规范法嵌固深度计算,规范法中悬臂桩嵌固深度的计算采用嵌固稳定性验算确定。,41,悬臂

13、支护结构的嵌固稳定性验算,42,43,当确定悬臂式支护结构嵌固深度设计值（构造要求）,当基坑底为碎石土及砂土，基坑内排水且作用有渗透压力时，嵌固深度设计值还应满足下式抗渗稳定条件：,44,45,嵌固深度计算嵌固深度设计值hd按下式计算：hpEpj-1.20haEai0式中Epj桩底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值epjk的合力之和；hp合力Epj作用点至桩底的距离；Eai桩底以上基坑外侧各土层水平荷载标准值eajk的合力之和；ha合力Eai作用点至桩底距离；0建筑基坑侧壁重要性系数，按安全等级，一级0=1.1；二级0=1.0，三级0=0.9。,99规范法嵌固深度计算,最大弯矩计算,悬臂桩桩身最

14、大弯矩发生在在基坑底面以下剪力为零处，该点到坑底的距离为x，令该点为o点，即该点以上的主、被动土压力合力相等：由该式可求得x；o以上和对点o力矩的代数和，即最大桩身计算弯矩。,46,注意，该值系指沿桩身在基坑侧壁每延长米上所承受的最大弯矩，其单位为，而每根桩桩身所受最大弯矩，还需将该值乘以桩的间距d即式中，的单位为；而每根桩桩身所受最大弯矩设计值为：,47,例题,【例】某二级基坑开挖深度为10m，采用悬臂桩支护结构，土层为黏性土，c=20kPa，=30，=18kN/m3，桩间距为2m，试按2012规范计算支护结构的嵌固深度，及最大弯矩设计值。,48,49,50,令最大弯矩点为o点，即该点以上的

15、主、被动土压力合力相等，该点距坑底的距离为X：,则最大弯矩为：,51,解得：,X处的主动土压力为：,X处的被动土压力为：,则最大弯矩设计值为：,静力平衡法认为悬臂桩在主动土压力作用下，将趋向于绕桩上的某一点发生转动，从而使土压力的分布发生变化。桩后土压力由主动土压力转到被动土压力，而桩前土压力则由被动土压力转到主动土压力。,（2）静力平衡法嵌固深度及内力计算,52,静力平衡法计算简图（均质土）,排桩变位,净土压力分布,简化处理后的净土压力分布,（2）静力平衡法嵌固深度及内力计算,53,静力平衡法当悬臂桩桩处于平衡状态，此时所对应的桩的入土深度即是保证板桩稳定的最小入土深度。根据桩的静力平衡条件

16、可以求出该深度。根据作用在桩上的水平力之和等于0，各力距任一点力矩之和等于0的静力平衡条件，建立静力平衡方程。,t,54,布鲁姆法（Blum）布鲁姆法的基本原理如下图，用原来桩底出现的被动土压力以一个集中力Ep代替。,（3）Blum法嵌固深度及内力计算,55,56,图4.3.1-1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.静力平衡法计算图d.Blum计算图式,（3）Blum法嵌固深度及内力计算,(a)图比较接近实际的土压力分布，是实际曲线的初步简化，(b)图是H.Blum的进一步简化，将旋转点以下的被动土压力近似的用一个通过其中心的集中力代替。(a)图中的t0可用(b)图中

17、的x代替，但必须满足绕C点的静力平衡条件。,(a)(b),57,布鲁姆法（均质土）布鲁姆法以一个集中力Ep代替桩底出现的被动土压力，根据该假定建立静力平衡方程，求出入土深度及桩内力。计算桩嵌固深度t对桩底C点取力矩，由Mc=0得到：,58,u可根据净土压力零点处板桩前被动土压力强度与墙后主动土压力强度相等的关系求得（c=0,q=0时），即,上述求出x和u，但由于土体阻力的增加一般不会是线性的，在采用MC=0确定计算深度时，会有一点的误差，因此Blum建议将计算出的x增加20%，因而悬臂桩的嵌固深度：t=1.2x+,59,内力计算最大弯矩发生在剪力Q=0处，如图设O点以下xm处的剪力Q=0，则有

18、：最大弯矩：,60,某二级基坑开挖深度h=4.5m，土层重度=20kN/m3，内摩擦角=20，粘聚力c=0kPa，现拟采用悬臂式排桩支护，试用Blum法确定桩的最小长度和最大弯矩标准值。,例题,61,解沿支护墙长度方向取1延米进行计算主动土压力系数：被动土压力系数：基坑开挖地面处土压力强度：土压力零点据开挖面的距离,62,开挖面以上桩后侧主动土压力：,其作用点距地面的距离：,桩后侧开挖面至土压力零点净土压力：,其作用点据地面的距离：,63,作用于桩后的土压力合力：,其作用点距地面的距离：,将上面计算得到的值代入下式：,经整理得：,解得：,64,取增大系数为1.2，则该悬臂桩的嵌固深度为则桩的最小长度为：,65,最大弯矩点据土压力零点的距离为：最大弯矩为：,66,悬臂桩Blum法的计算步骤,计算坑下土压力强度相为0距坑底的距离u；对桩底C点取力矩，由Mc=0得到土压力强度为0点距桩端的距离x；计算设计桩长t=1.2x+计算剪应力为0点距坑底的距离xm;计算桩身最大弯矩设计值Md;桩身截面尺寸和配筋验算。,题1：某悬臂桩围护结构如图示，试用布鲁姆法计算桩长度及桩内力。,68,解：悬臂桩长度,69,t=1.2x+u=1.24.34+0.57=5.8m板桩长=6+5.8=