浅析排桩支护作为地下室外墙结构的设计与计算

陈 波，黄 杰，彭 科

(中节能建设工程设计院有限公司，四川成都610052)

随着成都地区高大建筑物的迅速增加，深基坑工程的发展也越来越快，基坑支护手段越来越多，排桩作为常见的支护手段广泛用于深基坑工程。然而，随着城市土地的稀缺，建筑用地越来越紧凑，向地下延伸拓展空间迫在眉睫。在这种情况下深基坑支护结构不仅仅只作为临时性工程使用，而是必须超越使用期限作为地下室结构的一部分使用，即基坑支护结构作为永久性结构使用，这样不仅节约了工程造价，而且大大地利用了地下空间，提升了城市土地的利用率，也降低了工程造价。基坑支护结构作为永久性结构现有的设计规范没有明确地给出设计计算方法。

1 浅析设计计算方法

排桩支护作为地下室外墙结构时的设计计算方法传统采用的是土压力理论设计方法，该法是在传统的基坑支护设计方法基础上适当加大配筋量，这种方法的设计计算在《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120－99)里已经叙述的很清楚，这里不再详述。

根据边坡设计理论，提出一种新的排桩支护作为地下室外墙结构的设计方法即潜在滑坡推力理论设计方法，该法是基于永久性边坡支护设计而提出的。对土质基坑，首先是假设基坑外侧土体产生浅层滑动，潜在滑动面破裂角为45°+ψ/2，或为按照瑞典条分法搜索的最不利滑动面;对半土半岩基坑，潜在滑动面假定为岩土分界面，然后利用极限平衡理论计算出潜在滑坡推力，把计算出的推力作为水平荷载作用于排桩，最后按照抗滑桩设计方法进行设计计算。

1.1 结构模型受力分析

排桩支护作为永久性结构其承受的主要荷载为:上部结构产生的竖向荷载、潜在滑动产生的推力、锚固段被动土压力、地下室底板产生的支撑力、桩锚固段土体的侧摩阻力R以及桩端地层产生的端阻力等。

1.2 潜在滑坡推力计算

推力计算应根据潜在滑动面形式的不同而采用不同的计算公式，常见的滑动面有单一平面、圆弧面或折线形，具体的计算公式详见《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219－2006)附录A中的公式，计算出的推力作用点位于排桩L1/2(L1为悬臂段长)处。在计算推力时，设计安全系数Ks建议取值1.05～1.1，而真正意义上的滑坡推力设计安全系数Ks一般取值1.1～1.3。

1.3 锚固深度计算

潜在滑坡推力理论设计方法中锚固深度的计算规范无具体计算公式，一般是根据经验取值，对于土层或软岩层为1/3～1/2桩长，对于完整或较坚硬的岩层为1/4桩长，同时还必须满足排桩竖向承载力计算中需要的锚固深度。

传统的土压力理论锚固深度是由被动土压力产生的抗倾覆力矩除以主动土压力产生的倾覆力矩不小于1.2安全系数计算得到的，这与潜在滑坡推力理论锚固深度的计算是不一样的。

1.4 结构内力、变形计算

滑坡推力理论设计方法结构内力、变形计算与传统的土压力理论支护结构内力、变形计算方法一样，都采用弹性支点法进行设计计算，具体详见《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120－99)附录 B。

1.5 结构配筋计算

结构受弯、受剪配筋计算是依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010－2010)附录E.0.4及《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120－99)附录D进行计算的，这与传统的土压力理论受弯、受剪配筋计算是一样的。不同的是潜在滑坡推力理论设计方法结构配筋计算中必须考虑桩竖向荷载作用下的结构受压配筋，这部分配筋量在传统的土压力理论设计方法中是不考虑的。

1.6 桩的竖向承载力计算

潜在滑坡推力理论设计方法受力模型由于局部桩承受了较大的上部结构传递的竖向荷载，这里排桩不仅仅是护壁桩，而且还是承受竖向荷载的工程桩，因此，必须根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94－2008)5.2节进行桩基竖向承载力计算，在计算单桩竖向极限承载力时，桩的有效桩长只取锚固段的长度。

潜在滑坡推力理论设计方法必须进行桩的竖向承载力计算，传统设计方法不进行桩的竖向承载力计算，它只把竖向荷载等效成相应土柱高度，增加土体高度，从而导致主动土压力的增加，最终把竖向荷载产生的效应等效成了水平荷载产生的效应。

1.7 结构整体稳定性计算

两种理论设计方法都必须进行结构整体稳定性计算，不同之处在于整体稳定安全系数取值不同，滑坡推力理论设计方法稳定安全系数一般取1.35，土压力理论设计方法安全系数一般取1.2。

由于滑坡推力理论安全系数比传统理论安全系数高，因此，无论是在配筋量上、桩数量上、桩间距上都与传统理论计算出的不一样。

2 推力理论设计法优势

采用潜在滑坡推力理论设计法进行排桩支护结构作为永久性工程设计计算比采用传统的土压力理论设计法有明显的优势，其具体表现在:(1)计算模型与实际受力形式比较相符;(2)假设基坑外侧土体存在潜在滑动，计算所得的水平外力比采用土压力理论计算所得的外力较大，这为结构的永久使用储备了一定的安全度;(3)进行了桩的竖向承载力计算，从而验证了桩的锚固深度，而传统的土压力理论设计法不进行桩的竖向承载力计算，这存在着一定的风险性;(4)传统土压力理论方法一般只进行基坑开挖过程中的结构计算，而不进行地下室施工过程中的结构受力计算。推力理论设计法首先验算基坑开挖过程中的结构受力计算，然后考虑地下室结构的支撑力再进行结构计算，即同时考虑开挖工况和使用工况下的结构受力，再进行结构配筋。

3 工程实例

拟建高层建筑物位于成都东部膨胀土地区，地上17层，地下2层，高52.5 m，总建筑约2.1×104m2，基础形式为筏板基础，基坑开挖深度8.9 m，基坑壁土体主要为填土、黏土、粉质黏土，基坑支护拟采用排桩支护。由于建筑场地局限性，排桩支护结构必须作为地下室外墙结构使用，此基坑工程的设计采用了潜在滑坡推力理论设计法进行，单考虑基坑开挖过程时，单根桩竖向纵筋配筋量As约8 100 mm2，采用传统土压力理论设计法计算出的单根桩竖向纵筋配筋量As约6 700 mm2，两者相差约20%;当考虑结构使用时地下室筏板及基础梁的支撑力作用，排桩的配筋量将大大减少。锚固段长度比传统设计法长约2 m，整体稳定性安全系数采用1.35，安全储备较高，计算结果得到了审图单位专家的认可，该基坑支护结构可作为永久性结构使用。

4 结论与建议

(1)排桩支护结构作为地下室外墙结构的设计与计算现行规范没有明确给出计算方法，探讨该永久性支护结构的设计与计算对工程建设具有非常重要的现实意义;(2)排桩支护作为地下室外墙结构的设计方法传统采用的是土压力理论设计方法，该法即是在传统的基坑支护设计方法基础上适当加大配筋量;(3)本文提出了一种新型方法计算排桩支护结构作为永久性工程的设计计算法，即潜在滑坡推力理论设计方法;(4)采用潜在滑坡推力理论设计永久性排桩支护结构比采用传统的土压力理论设计有明显的优势。

［1］DZ/T 0219－2006滑坡防治工程设计与施工技术规范［S］

［2］铁道部第二勘测设计院.抗滑桩设计与计算［M］.北京:中国铁道出版社，1985

［3］JGJ 120－99建筑基坑支护技术规程［S］

［4］李海光.新型支挡结构设计与工程实例［M］.北京:人民交通出版社，2004