雙排樁支護結構設計計算方法探討

張富軍

(四川省交通勘察設計研究院有限公司,四川成都 610000)

雙排樁支護結構具有較大的側向剛度，可有效限制支護結構的變形，其支護深度比一般支護結構深，同時有不設支撐、受力條件和整體穩定性好以及節約造價等優點，逐漸成為深基坑支護結構的優選方案之一。

目前由于其設計計算方法還不夠成熟，工程試驗數據不多，受力機理不夠清楚，尤其是在有些地方的基坑工程中還出現了很多事故問題，因此很有必要對其進行更為深入的研究。

1 雙排樁支護結構常用設計方法及評價

1.1 Winkler地基梁法

采用Winkler假定的計算模型進行分析,即以Winkler假定為基礎,考慮樁與土的共同作用確定出前、后排樁在開挖面以上的土壓力荷載及地基土的水平基床系數,按照彈性地基梁和結構力學分析的方法為基礎即可求出門式剛架結構的內力。

此法在一定程度上考慮了支護結構與土體的相互作用,用壓縮剛度等效的土彈簧模擬地層對支護結構變形的約束,理論上比極限平衡法更合理,而且還考慮支護結構的變形,但是它仍然無法考慮土體的本構特性;尤其是在水平位移較大的情況下,其不合理性更為突出。

1.2 土體積比例系數法

將前后排樁與樁頂連梁看作一個底端嵌固,頂端為直角剛結點的門式剛架結構；連梁為沒有變形的絕對剛體;基坑開挖后,在土壓力作用下,連梁不產生轉角只能平移,并且前后排樁在連梁標高處的水平位移相等。

在上述假定基礎上考慮樁間土對土壓力的傳遞作用，依據后排樁兩側滑動土體重量的比例關系確定土壓力傳遞系數，進而確定前后排樁受到的土壓力后按結構力學進行受力分析。

該方法概念較明確,現階段為較多設計者所采用。但在某些情況下,前后排樁土壓力尤其是被動土壓力分配過于懸殊,對樁長和最大彎矩的確定有較大影響。

1.3 系數修正法

考慮到兩排樁的整體剛度及其對土體的約束作用,近似地將樁間土視為受側向約束的無限長彈性土體,同時考慮到頂部圈梁作用,認為一定深度處相對于水平位移而引起的橫向應變為零。在上述基礎上確定作用在前排樁樁背上的土壓力并對前排樁樁前抗力按被動土壓力折減、后排樁樁背土壓力進行修正,按樁頂拉結、下端簡支的擋土支護結構進行受力計算。

該法計算較簡單,但由于提出的經驗系數具有較大的地域局限性,較難推廣。

1.4 有限元分析法

主要采用平面應變非線性彈性有限元法對雙排樁支護結構體系的內力和變形特征進行分析計算。

此法可精確分析支護結構所受土壓力以及產生的側向變位、地面沉降等。雖然能考慮樁土共同作用的復雜性,但需考慮整體系數、本構模型、施工過程模擬、材料間的接觸模擬、土體系數等,因而未得到大面積應用。

2 雙排樁支護結構修正計算方法

考慮以上幾種計算方法的優劣,提出以下雙排樁支護結構計算方法。

2.1 土壓力分析

2.1.1 計算基本假定

(1)將前后排樁與樁頂連梁看作一個底端鉸接、頂端為直角剛結點的門式剛架。

(2)連梁為沒有變形的絕對剛體。

(3)基坑開挖后,在土壓力作用下,連梁不產生轉角只能平移,并且前后排樁在連梁標高處的水平位移相等。

2.1.2 計算土壓力(梅花形布樁)

后排樁的主動土壓力Pab為Pab=(1-α)σα

前排樁的主動土壓力Paf為Paf=(1+α)σα

2.2 雙排樁支護結構的計算模型

根據上述計算假定，按門式剛架求出樁頂彎矩和連梁作用力(計算時將前后排樁分開進行)。

2.2.1 最小嵌固深度

將雙排樁結構及樁間土視為整體，依據水平方向上的靜力平衡條件來確定最小嵌固深度t′。設計計算時取最小嵌固深度t=Kt′(K為安全系數)。

2.2.2 前排樁計算分析

將前排樁上端剛結、下端簡支，則：

連梁軸力R可以通過靜力平衡計算求得:R=Eaf-Epf

為了滿足穩定要求,對下端簡支點抵抗傾覆力矩應為傾覆力矩的KH(為抗傾覆系數)倍。對于永久支護，KH≥1.5；對于臨時支護，KH≥1.2。

前排樁任意樁身截面z處的彎矩可表達為:

2.2.3 后排樁計算分析

通過水平方向上靜力平衡Eab+R-Epb=0,易求得h′。

后排樁樁身截面z處的彎矩為:

2.2.4 整體穩定驗算

式中：My為穩定力系對墻趾的總力矩，M0為傾覆力系對墻趾的總力矩。

3 實例計算

現運用本文中提出的修正方法對雙排樁支護結構體系進行分析計算,計算方案中樁徑1 m，樁間距2.4 m，前后排樁排距2 m，基坑開挖深度10 m，樁長15 m；單排樁方案樁間距1 m。

計算結果分析如下。

(1)相同總樁數條件下,雙排樁所受最大彎矩比單排樁最大彎矩小得多,且分布均勻，見圖1。

圖1 單排樁與雙排樁樁身彎矩對比

(2)圖2和圖3顯示了雙排樁支護結構排距增大時,樁身彎矩的變化曲線。前排樁樁身彎矩在開挖面以上有一定程度的減小,但在開挖面以下有較大程度的增大,其增大程度要比減小幅度大得多。對于后排樁樁身彎矩,發生了更大的改變,不僅在彎矩的大小上,形狀也有極大改變。當排距增大到6d(d為樁徑)時,雙排樁支護效果接近于頂部支撐樁,而在排距為2～4d時,雙排樁有著良好的調整樁身彎矩的作用。

圖2 不同排距時前排樁樁身彎矩變化

圖3 不同排距時后排樁樁身彎矩變化

(3)雙排樁支護結構樁身所受彎矩大致呈S形,且其在前后排均存在反彎點。后排樁樁身彎矩一般在樁頂處最大,這一彎矩由前后排樁所受的土壓力和樁頂連梁以及圈梁的約束共同作用產生的,這就從另一個方面說明了在一定條件下加強前后排樁與樁頂連梁以及圈梁連接剛度的必要性。

4 結論

(1)提出的修正的計算方法較合理地將被動土壓力分配到前后排樁上，較真實的反映了支護結構的實際受力狀況。

(2)在相同總樁數條件下,雙排樁樁身所受最大彎矩值要比單排樁樁身所受最大彎矩小得多,并且分布較均勻。

(3)加強前后排樁與樁頂連梁及圈梁連接剛度十分必要。

(4)排距的改變對后排樁樁身彎矩的影響遠大于對于前排樁樁身彎矩的影響,尤其是當排距增大到6d時,雙排樁支護效果接近于頂部支撐樁;而當排距為2d～4d時,雙排樁結構本身有著良好的調整樁身彎矩的作用。