双排桩支护结构土压力研究

　　摘要：针对深基坑中双排桩支护体系进行研究，对前、后排桩的土压力进行了分析，同时进一步研究了土压力的修正，总结了前后排桩桩距对支护结构受力的影响，从理论上对双排桩的受力机理进行了较为详细的研究，得出了一些可供工程参考的结论。
　　关键词：深基坑，双排桩，环梁
　　
　　双排支护结构是一种新型的支护结构，它是由两排平行的钢筋混凝土桩及桩顶连梁以及环梁形成的空间门式刚架支护结构体系，这种支护结构具有较大的侧向刚度，可有效的减少支护土体的侧向变形，因而其支护深度比单排悬臂支护结构要深［1］。目前双排桩支护结构在一些地区已经采用并取得成功，对双排桩的受力与变形的理论虽然进行了一些研究，但还不够完善，前后排桩的土压力分布、结构的内力与位移的计算方法、基坑支护中各因素对结构侧向变形及内力的影响等问题都有待进一步研究。
　　1双排桩支护结构的受力机理
　　双排桩支护结构体系可理解为将密集的单排悬臂支护桩中的部分桩向后移，并在桩顶用刚性连梁把前、后排桩连接起来，沿基坑长度方向形成双排支护的空间支护结构体系。双排桩支护结构体系属于悬臂类空间组合支护结构。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，并与桩土协同工作，达到保持坑壁或坡体稳定、控制变形、满足施工和相邻环境安全的目的。在双排桩支护结构中，前、后排桩均分担主动土压力，但有主次；后排桩兼起支挡和“拉锚”双重作用；双排桩支护结构充分利用桩土共同作用中的土拱效应，改变土体侧压力分布，增强支护效果。
　　双排桩支护体系因由刚性连梁与前、后排桩组成一个超静定结构，整体刚度大；加上前后排桩均能产生与侧土压力反向作用的力偶，使双排桩的位移明显减小，而单排悬臂桩是完全依靠弹性嵌入基坑土内的足够深度来承受桩后的侧压力并维持其稳定性的，坑顶位移和桩本身变形较大。同时双排桩的最大内力值也有所下降，并变成交变内力，提高了桩身的安全性。工程实践表明，该支护方法施工简便、速度快、投资省。
　　国内曾做过一些双排桩支护结构的模型试验和实际工程的测试分析，总结了一些规律。中国建筑科学研究院地基研究所和浙江大学地基所都曾对双排桩做过专门的模型试验及研究［2-3］。研究结果表明：当前后排桩距b＜＝1.5ｄ（ｄ为桩径）时，双排桩支护结构空间效应差，围护结构的位移模式与单排桩相似，侧向位移仍较大；当排距b＞8d时，双排桩支护结构空间效应较差，后排桩基本上只起拉锚作用，前后排桩也不能较好的共同抵抗侧向变形；当排距在1.5d＜b＜8d时，前、后排桩能较好的共同作用。当然其支护效果还与支护高度、开挖顺序、工程地质情况、邻近建筑物等很多因素有关。
　　2土压力的计算模型
　　2.1体积比例系数法
　　根据双排桩前、后排桩之间的滑动土体占桩后滑动土体总量的体积比例关系确定前、后排桩所受的侧土压力［2］。该法计算时对支护结构体系作了如下基本假定：
　　(1)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刚架门式结构；
　　(2)盖梁为没有变形的绝对刚体；
　　(3)基坑开挖后，在土压力作用下，盖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；
　　(4)土压力的计算采用朗肯土压力理论。
　　
　　图1双排桩土压力传递
　　
　　图2的确定方法
　　对于前、后排桩为矩形（并列式）排列的情况（图1），由于前、后排桩相对，基坑开挖后，主动土压力可假定仅作用在后排桩上，桩间土压力仍取值为，则前、后排桩的主动土压力分别为：
　　=，=（1-）（2－1）
　　=（2－2）
　　式中，（2－3）
　　验证两种极限情况：
　　(1)当前、后排桩重叠，即无桩间土时，因L＝0，故：，＝0；
　　(2)排距L=L0，此时后排桩在滑动面之外，即,。
　　同样，被动土压力可取值为，。
　　2.2桩间土刚塑体法
　　按土的极限平衡理论分析墙后土体的主动土压力，是根据极限平衡理论导出的土体破坏面从墙底开始，沿角展开的剪切面（如图3），土压力强度沿剪切面呈线性分布，由于后排桩的存在，改变了土的剪切破坏面，由于滑动土体形状的改变，滑动体的破坏面夹角不再是定值，而是个变量，因而双排桩的土压力与无后排桩的情况不一样。桩间土刚塑体法考虑了这些问题［4］。
　　1.主动土压力
　　假定后排桩连续分布，根据经典的朗肯土压力理论，双排桩的桩间土可以看作独立的刚塑性体进行分析，桩间土受力状态如图3a所示。对有后排桩的土体和无后排桩影响的土体相比可知：
　　两者相同之处有：
　　(1)土体均为刚塑性体，均不考虑土体与桩间的摩阻力；
　　(2)主动土压力的计算方法相同，均按土体的极限平衡原理计算。
　　两者的不同之处在于：
　　(1)剪切破坏面不同，由于后排桩的影响将使剪切角发生改变；
　　(2)桩排距b的大小对值产生的影响而导致主动土压力的变化影响是显著的。
　　
　　（a）双排桩（b）单排桩
　　图3双排桩与单排桩土体受力分析
　　如图3a所示，桩间土受三个方向的力E、R、W的作用，当土体处于极限平衡状态时三力平衡，根据几何关系得，桩间土体的主动土压力为：
　　（2－4）
　　式中：为每延米土体的总重，（2－5）
　　2.3桩后土刚塑体法
　　该法认为桩间土体对支护桩作用很小，土压力以后排桩桩后土压力为主，将桩后土体作为独立的刚塑体进行分析（图4），具体计算如下［5］。
　　
　　图4双排桩桩后土体受力分析
　　1.后排桩主动土压力计算
　　（2－6）
　　式中为每延米土重（2－7）
　　（2－8）
　　式中：为后排桩前后土体面积之比：（2－9）
　　2.前排桩主动土压力
　　(1)双排桩三角形布置：
　　(2)双排桩矩形布置：
　　3.被动土压力
　　前、后排桩被动土压力均按郎肯土压力计算，其中桩间土视为后排桩被动区。
　　2.4有限元法
　　运用有限元法对双排桩支护结构体系的二维平面应力分析，可以考虑土体的非线性特征，追踪开挖施工的全过程，土体的应力路径和支护结构与土体共同作用，获取土体的开挖扰动应力场、位移场［6］。目前已有的研究成果表明：用有限元法可以对影响双排桩支护结构性状的各影响因素进行参数敏感性分析，并可根据前期开挖的实测资料，用反分析方法确定计算参数，对后期开挖进行预测和指导，进而对双排桩支护体系进行优化设计。
　　有限元方法可以精确的分析支护结构所受的土压力以及在侧土压力作用下产生的侧向变位及地面沉降等。该方法所需参数较多，目前受试验测试技术的限制难以得到具有较高可靠性的土性参数，加之基坑工程存有明显的空间效应，用平面二维去模拟与实际相差较大，且对桩土接触面的模拟与实际情况有较大出入，因此在工程中还不能取得很好的实际应用效果。
　　3双排桩支护结构的土压力修正
　　3.1修正系数法
　　修正系数法为早期设计双排桩时常采用的方法，考虑连梁与前、后排桩铰接的情况，运用经验系数调整前后排桩所受的侧土压力［7］。该法在计算上比较简单，但其假定与工程实际有较大偏差。主要因为不能考虑桩顶处的力偶作用，且通过此假定的计算结果并不能反映双排桩支护结构体系作为超静定结构在多变外力情况下对内力的自动调节作用，加之经验系数具有较大的地域局限性，较难推广，因此现阶段设计时已较少采用。但当前、后排桩排距较大，盖梁与前后排桩连接刚度较小时，运用该计算模型还是可行的。其要点如下：
　　1．计算基本假定：
　　(1)考虑双排桩的整体刚度及其对土体的约束作用。近似地将前、后排桩之间的土体视为受侧向约束的无限长弹性土体，故作用于前排桩背的土压力为：
　　（3－1）
　　式中：为桩背土的泊松比。
　　(2)作用于前排桩桩前的侧向力介于静止土压力与被动土压力之间，为计算方便，通常对被动土压力予以折减，表达式为：
　　（3－2）
　　式中，K1为被动土压力折减系数，它是桩土变形的函数。一般取0.5～0.7。
　　(3)后排桩的侧向力亦按式（3—l）考虑，桩背土压力的大小取决于桩的侧向位移，由于双排桩的侧向刚度较大，因此假定后排桩土位移仍处在弹性范围内，即桩背侧向土压力（称为弹性土压力）介于静止土压力与主动土压力之间，即
　　（3—3）
　　式中，K2为侧向主动土压力修正系数，一般取1.1～1.2。
　　3.2土压力值的经验修正
　　用经典的朗肯土压力和库仑土压力理论计算土压力时，是假定支护结构和土体达到极限平衡状态下求得的，而挡土结构墙背的土体达到主动极限状态以及墙前被动区土体达到被动极限状态需要产生足够大的位移。在实际工程中，主动土压力一般容易达到，而被动土压力值不易达到。这说明在应用朗肯土压力理论计算土体的主、被动土压力时，要求支护结构有一定的变形，如果变形量太小，朗肯理论计算值误差较大。双排桩支护结构往往是在对支护结构要求较高时使用，因此经常需要对主、被动土压力进行修正［8］。
　　1.提高主动土压力系数
　　在距离基坑边缘（1/2）H0的范围内有重要地下管线或建筑物时，取修正主动土压力系数Ka’=K0，在距离基坑边缘（1/2）H0～H0的范围内有重要地下管线或建筑时，取。
　　2.降低被动土压力系数
　　当支护结构不可能或不允许产生足够变位，土体将不能达到被动极限平衡状态时，应降低被动土压力系数，修正后的被动土压力系数为：
　　（3—4）
　　（3—5）
　　（3—6）
　　式中：——修正后的被动土压力系数；
　　——被动土压力折减系数；
　　——被动区土体的允许位移值，根据工程需要确定；
　　——被动极限状态所需要的位移值；取DP=(0.02～0.04)H0；
　　H0——基坑开挖深度；
　　K0——静止土压力系数；
　　KP——被动土压力系数。
　　4结语
　　随着高层建筑和地下结构的快速发展，地下工程规模日趋加大，深基坑支护设计与施工等方面的问题日益突出，双排桩支护结构形式在基坑开挖工程应用中取得了良好的效果。本文通过对双排桩支护结构的受力机理以及工作性状进行分析，并对土压力计算、折减等方面进行进一步的探讨，得出了一些有价值的结论。
　　（1）双排支护桩是由连梁与前后排桩组成一个超静定结构，具有较大的侧向刚度，可有效地限制围护结构的侧向变形。应把桩顶与连梁做成刚性连接，以保证有效地发挥双排桩的支护效果。在基坑开挖过程中，桩间土受到挤压，桩间土与前、后排桩协同作用。
　　（2）双排桩前后排距对土压力的计算影响较大，对双排桩支护结构受力及支护效果影响较大，合理选择排距可获得较好的效果。
　　（3）土体性质对结构桩身变形和弯矩都有较大的影响。土质好，则桩身侧向变形和弯矩值均较小；土质差，则桩身侧向变形和弯矩值均较大。我们可以采用改善土体性质的方法提高基坑的稳定性，但在土体加固时应控制加固效果与加固范围。
　　参考文献：
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　　［2］何颐华,杨斌.双排护坡桩试验与计算的研究［J］.建筑结构学报,1996,17(2):58-66.
　　［3］刘钊.双排支护桩结构的分析及试验研究［J］.岩土工程学报,1992,14(9):116-131.
　　［4］黄强.护坡桩空间简化计算［J］.建筑结构,1995(3).
　　［5］程知言等.双排桩支护结构设计计算方法探讨［J］.地质与勘察,2001,37(2)：88-93.
　　［6］蔡袁强，赵永倩，吴世明等.软土地基深基坑中双排桩式围护结构有限元分析［J］.浙江大学学报,1997,31(4):442-447.
　　［7］张弘.深基坑开挖中双排桩支护结构的应用于探讨［J］.地基处理,1993,4(3)：42-47.
　　［8］李家青.双排桩支护结构受力与变形问题研究[D].东南大学硕士学位论文,2000.

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