双排桩支护结构设计计算方法探讨

张富军

(四川省交通勘察设计研究院有限公司,四川成都 610000)

双排桩支护结构具有较大的侧向刚度，可有效限制支护结构的变形，其支护深度比一般支护结构深，同时有不设支撑、受力条件和整体稳定性好以及节约造价等优点，逐渐成为深基坑支护结构的优选方案之一。

目前由于其设计计算方法还不够成熟，工程试验数据不多，受力机理不够清楚，尤其是在有些地方的基坑工程中还出现了很多事故问题，因此很有必要对其进行更为深入的研究。

1 双排桩支护结构常用设计方法及评价

1.1 Winkler地基梁法

采用Winkler假定的计算模型进行分析,即以Winkler假定为基础,考虑桩与土的共同作用确定出前、后排桩在开挖面以上的土压力荷载及地基土的水平基床系数,按照弹性地基梁和结构力学分析的方法为基础即可求出门式刚架结构的内力。

此法在一定程度上考虑了支护结构与土体的相互作用,用压缩刚度等效的土弹簧模拟地层对支护结构变形的约束,理论上比极限平衡法更合理,而且还考虑支护结构的变形,但是它仍然无法考虑土体的本构特性;尤其是在水平位移较大的情况下,其不合理性更为突出。

1.2 土体积比例系数法

将前后排桩与桩顶连梁看作一个底端嵌固,顶端为直角刚结点的门式刚架结构；连梁为没有变形的绝对刚体;基坑开挖后,在土压力作用下,连梁不产生转角只能平移,并且前后排桩在连梁标高处的水平位移相等。

在上述假定基础上考虑桩间土对土压力的传递作用，依据后排桩两侧滑动土体重量的比例关系确定土压力传递系数，进而确定前后排桩受到的土压力后按结构力学进行受力分析。

该方法概念较明确,现阶段为较多设计者所采用。但在某些情况下,前后排桩土压力尤其是被动土压力分配过于悬殊,对桩长和最大弯矩的确定有较大影响。

1.3 系数修正法

考虑到两排桩的整体刚度及其对土体的约束作用,近似地将桩间土视为受侧向约束的无限长弹性土体,同时考虑到顶部圈梁作用,认为一定深度处相对于水平位移而引起的横向应变为零。在上述基础上确定作用在前排桩桩背上的土压力并对前排桩桩前抗力按被动土压力折减、后排桩桩背土压力进行修正,按桩顶拉结、下端简支的挡土支护结构进行受力计算。

该法计算较简单,但由于提出的经验系数具有较大的地域局限性,较难推广。

1.4 有限元分析法

主要采用平面应变非线性弹性有限元法对双排桩支护结构体系的内力和变形特征进行分析计算。

此法可精确分析支护结构所受土压力以及产生的侧向变位、地面沉降等。虽然能考虑桩土共同作用的复杂性,但需考虑整体系数、本构模型、施工过程模拟、材料间的接触模拟、土体系数等,因而未得到大面积应用。

2 双排桩支护结构修正计算方法

考虑以上几种计算方法的优劣,提出以下双排桩支护结构计算方法。

2.1 土压力分析

2.1.1 计算基本假定

(1)将前后排桩与桩顶连梁看作一个底端铰接、顶端为直角刚结点的门式刚架。

(2)连梁为没有变形的绝对刚体。

(3)基坑开挖后,在土压力作用下,连梁不产生转角只能平移,并且前后排桩在连梁标高处的水平位移相等。

2.1.2 计算土压力(梅花形布桩)

后排桩的主动土压力Pab为Pab=(1-α)σα

前排桩的主动土压力Paf为Paf=(1+α)σα

2.2 双排桩支护结构的计算模型

根据上述计算假定，按门式刚架求出桩顶弯矩和连梁作用力(计算时将前后排桩分开进行)。

2.2.1 最小嵌固深度

将双排桩结构及桩间土视为整体，依据水平方向上的静力平衡条件来确定最小嵌固深度t′。设计计算时取最小嵌固深度t=Kt′(K为安全系数)。

2.2.2 前排桩计算分析

将前排桩上端刚结、下端简支，则：

连梁轴力R可以通过静力平衡计算求得:R=Eaf-Epf

为了满足稳定要求,对下端简支点抵抗倾覆力矩应为倾覆力矩的KH(为抗倾覆系数)倍。对于永久支护，KH≥1.5；对于临时支护，KH≥1.2。

前排桩任意桩身截面z处的弯矩可表达为:

2.2.3 后排桩计算分析

通过水平方向上静力平衡Eab+R-Epb=0,易求得h′。

后排桩桩身截面z处的弯矩为:

2.2.4 整体稳定验算

式中：My为稳定力系对墙趾的总力矩，M0为倾覆力系对墙趾的总力矩。

3 实例计算

现运用本文中提出的修正方法对双排桩支护结构体系进行分析计算,计算方案中桩径1 m，桩间距2.4 m，前后排桩排距2 m，基坑开挖深度10 m，桩长15 m；单排桩方案桩间距1 m。

计算结果分析如下。

(1)相同总桩数条件下,双排桩所受最大弯矩比单排桩最大弯矩小得多,且分布均匀，见图1。

图1 单排桩与双排桩桩身弯矩对比

(2)图2和图3显示了双排桩支护结构排距增大时,桩身弯矩的变化曲线。前排桩桩身弯矩在开挖面以上有一定程度的减小,但在开挖面以下有较大程度的增大,其增大程度要比减小幅度大得多。对于后排桩桩身弯矩,发生了更大的改变,不仅在弯矩的大小上,形状也有极大改变。当排距增大到6d(d为桩径)时,双排桩支护效果接近于顶部支撑桩,而在排距为2～4d时,双排桩有着良好的调整桩身弯矩的作用。

图2 不同排距时前排桩桩身弯矩变化

图3 不同排距时后排桩桩身弯矩变化

(3)双排桩支护结构桩身所受弯矩大致呈S形,且其在前后排均存在反弯点。后排桩桩身弯矩一般在桩顶处最大,这一弯矩由前后排桩所受的土压力和桩顶连梁以及圈梁的约束共同作用产生的,这就从另一个方面说明了在一定条件下加强前后排桩与桩顶连梁以及圈梁连接刚度的必要性。

4 结论

(1)提出的修正的计算方法较合理地将被动土压力分配到前后排桩上，较真实的反映了支护结构的实际受力状况。

(2)在相同总桩数条件下,双排桩桩身所受最大弯矩值要比单排桩桩身所受最大弯矩小得多,并且分布较均匀。

(3)加强前后排桩与桩顶连梁及圈梁连接刚度十分必要。

(4)排距的改变对后排桩桩身弯矩的影响远大于对于前排桩桩身弯矩的影响,尤其是当排距增大到6d时,双排桩支护效果接近于顶部支撑桩;而当排距为2d～4d时,双排桩结构本身有着良好的调整桩身弯矩的作用。