深基坑排桩支护结构

第二节 深基坑排桩支护结构
基坑开挖时，对不能放坡或由于场地限制而不能 采用搅拌桩支护，开挖深度在6~10米左右时，即 可采用排桩支护。排桩支护可采用钻孔灌注桩、 人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩。
图3-5 排桩支护的类型
• 排桩支护结构可分为： • （1）柱列式排桩支护：当边坡土质尚好、地下水位 较低时，可利用土拱作用，以稀疏钻孔灌注桩或挖孔 桩支挡土坡，如图3-5a所示。 • （2）连续排桩支护（图3-5b）：在软土中一般不能 形成土拱，支挡结构应该连续排。密排的钻孔桩可互 相搭接，或在桩身混凝土强度尚未形成时，在相邻桩 之间做一根素混凝土树根桩把钻孔桩排连起来，如图 3-5c所示。也可采用钢板桩、钢筋混凝土板桩，如图 3-5d、e所示。 • （3）组合式排桩支护：在地下水位较高的软土地区 ，可采用钻孔灌注排桩与水泥土桩防渗墙组合的方式 ，如图3-5f所示。
• 多层锚杆支护结构是超静定问题，根据实际支护中 的实测资料可按下列假定将超静定问题简化为静定 问题进行计算： （1）各层锚杆所在点均为不动支点； （2）支护桩的下端按简支端考虑； （3）在自上至下逐层计算过程中，某一层锚固 力一旦确定，在后续的计算中保持不变。 • 如图3-12所示，对于第i层支撑（锚杆）计算如下： • 对i点取矩，令ΣMi=0，则有：
• 二、有支撑排桩支护结构 • 有支撑排桩支护结构常见的有顶端支撑的排桩支护 结构和桩锚式支护。在实际工程应用中，后者更为 普遍。 • 顶部支撑的排桩支护结构（计算简图如图3-9）的计 算与悬臂桩相比，其不同在于顶部支撑（桩）墙的 计算需要求顶支撑的内力TA。 • 桩锚式支护由支护排桩，锚杆及围檩等组成，用以 支挡坑壁土压力并限制坑壁的侧向位移。锚杆平面 位置应在两个桩之间空隙穿过。 • 锚杆由锚头，拉杆和锚固体组成，根据支护深度和 土质条件锚杆可设置一层或多层，其锚固段应置于 较好的粘性土或粉土、粉细砂层中。条件允许时， 可在基坑边缘以外（超过潜在滑动面）设置锚定板 ，锚块或锚桩，用拉杆与桩排联结成顶层拉锚。
• 按基坑开挖深度及支挡结构受力情况，排桩支护 可分为一下几种情况。 • （1）无支撑（悬臂）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）单支撑结构：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）多支撑结构：当基坑开挖深度较深时，可 设置多道支撑，以减少挡墙的压力。
图3-7 悬臂式桩排计算图
• （二）计算步骤 • 1.土压力计算包括主动和被动压力和超载影响的计 算。桩的入土深度为未知，可设为Dmin，这部分 的土压力暂以包含Dmin的式子表示。 • 2.力矩平衡计算分别计算主、被动土压力对C点的 力矩，再按照力矩平衡条件，列出平衡方程，一般 为Dmin的三次方程。 • 3.解方程，得出Dmin。 • 4.求剪力为零点深度，对该深度截面计算弯矩，即 为最大弯矩Mmax。 • 5.根据Dmin确定桩的设计入土深度，根据Mmax 确定适当的桩径、桩距和桩的配筋。
单层桩锚式支护结构计算方法可以根据桩入土深 度的不同采用静力平衡法（见图 3-10 ）和等值梁 法（见图3-11）来计算。
图3-9 顶部支撑桩墙的计算简图
图3-10 单支点排桩支护的静力平衡计算简图
图3-11 单支点排桩支护等值梁法 计算简图
• 当基坑比较深、土质 较差时，单支点支护 结构不能满足基坑支 挡的强度和稳定性要 求时，可以采用多层 支撑的多支点支护结 构。支撑层数及位置 应根据土质、基坑深 度、支护结构、支撑 结构和施工要求等因 素确定。如图 3-12 为 多支点支撑（锚杆） 计算模型。
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式中及图中： Hi——设置第i+1层支撑（锚杆）时的开挖深度（m） Di——所计算阶段满足力矩平衡的计算入土深度（m） Ea1i， Ea2i——分别为Hi深度下的开挖底面上下主动土 压力合力（kN ） Epi——Di深度范围内的被动土压力合力（kN） MEa1i， MEa2i， MEpi——各项土压力对Ⅰ点的力矩（ kN.m） ——第i至第i-1层支撑（锚杆）力对i点的力矩（kN.m） 在上式（3-16）中，含有Di，解出后从（3-17）式中可算 出第i层支撑（锚杆）力Ti（kN）。 对最下一层支撑（锚杆）计算得出的Di值可作为桩的最小 入土深度Dmin。 支护桩的设计长度D按下式确定： D=H+Kd· Dmin （土质好时Kd=1.2，反之Kd=1.4） 按此设计的入土深度，尚应满足整体稳定性验算要求 。
图3-6 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.悬臂板桩计算图 d. Blum 计算图式
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悬臂桩支护结构静力计算主要目的有二个： （1） 悬臂桩桩身插入基底面以下的最小入土深度Dmin； （2） 桩身最大弯矩及所在位置，以计算桩身的截面和配筋。 （一）结构静力计算模型 钢筋混凝土桩插入基底面以下的深度可以根据静力平衡条件确定 ：如图3-7所示，通过主被动两侧土压力对C点的力矩平衡，解 式（3-12），即可得最小入土深度Dmin。 M M M 0 （3-12）
• （四）钢筋混凝土悬臂桩排结构设计要求 • 1.悬臂钢筋混凝土桩的配筋应按钢筋混凝土受弯构件 计算和配筋，并应按规定采取构造措施。圆形截面桩 宜均匀配筋，在土质较好或采用人工挖孔桩确有施工 保证可采用不均匀配筋，将抗弯钢筋集中布置在受拉 边的弯矩作用平面左右各45°范围内，以增大抵抗力 矩。 • 2.钢筋混凝土锁口梁厚度一般可为400～500mm，平 面上外包桩体并突出50～100mm，沿基坑周边形成 封闭结构。锁口梁按水平面内作用有正负弯矩的受弯 构件配筋，每侧不宜少于3φ16，梁截面的总配筋率 不小于0.4%，角撑可按构造设计为钢构件或钢筋混 凝土构件。 • 3.支护的钢筋混凝土桩采用疏排布置时，在各桩中间 的空隙部位或桩背后适当布置止水桩，防止渗水和土 体从桩间流失。也可在基坑开挖过程中逐步砌筑砖拱 防渗。无论采用何种方式，其强度和构造应保证能可 靠地将土水压力传递给桩身。

pjk
mj
j
0
pi
ik
pi
• 主动区力矩合计： • 1.55Dmin3+25.83Dmin2+143.35Dmin+265.2 • 被动区力矩合计： • 6.46Dmin3+14.28Dmin2 • 根据平衡条件可得： • 4.91Dmin3-11.55Dmin2-143.35Dmin265.2=0 • 解之，得: Dmin=7.33m 桩的设计嵌入深度取: 1.2Dmin=8.8m≈9m • 桩的总长为: 6+9=15m
Ea1 Ea 2 Ep
• 式中 MEa1，MEa2——分别为基底以上及以下主动土压力之合 力对C点的力矩（kN.m）； • MEP——被动土压力对C点的力矩（kN.m） 。 • 桩的设计长度应按下式确定： • D H K D （3-13）
d min
• 式中 H ——基坑开挖深度（m）； K 'd——增大系数，基坑底以下土质较好时取1.2； 反之取1.4 •
（三）算例：某工程基坑支护拟采用悬臂桩结构，主 要参数如图3-8（a）所示。试计算桩的设计长度，桩 身最大弯矩及所在位置。
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一、土压力计算 根据本题题意，公式（3-3）和（3-11）可以推 导出公式（3-14）和（3-15），计算结果如表 （3-5）和（3-6）所示。 • e （3-14） ( z q ) k 2 c k ajk mj j 0 ai ik ai • • （3-15） e ( z q )k 2c k
3.求最大弯矩 设剪力零点位于基底以下x处，该点以上主动土压力合力为： （51.66×5.55）／2+51.66x+0.5（γ·x·Ka）x =4.655x2+51.66x+143.35 该点以上被动土压力合力为： 28.56x+0.5（γ·x·Kp）x=19.38x2+28.56x 令两者相等，得： 14.725x2-23.1x-143.35=0 解得 x=4.0m 对该截面求矩即得最大弯矩Mmax Mmax=143.35×（5.55／3+4）+51.66×4×4／ 2+4.655×42×4／3-28.56×4×4／2-19.38×42×4／ 3=709.4kNm 至此计算完毕，接着可按最大弯矩选择适当的桩径、桩距和配 筋。但尚应注意计算所得Mmax是每延米桩排的弯矩值，应乘以 桩距，并乘以荷载分项系数1.25之后，才是单桩弯矩设计值。
• 一、无支撑排桩支护结构 • 无支撑排桩支护结构也亦即悬臂式桩排支 护结构（悬臂板桩的变位及土压力分布图 见图3-6），可由多种桩型组成，本节只 涉及相间或密排插入基坑底面以下一定深 度的钢筋混凝土桩，桩顶设置钢筋混凝土 锁口梁，桩体承受水平推力，锁口梁调节 各桩受力和水平位移的支护结构体系。挡 土深度视地质条件和桩径而异，一般不宜 超过6m。

• 图3-13 多层锚杆支护工况图 • 多层锚杆的设置是随着开挖不 同工况逐层向下开挖而分次设 置的，见图3-13。 • 根据实测资料这样设置的多层 锚杆有如下一些现象： • （1）下道锚杆设置之后，上道 锚杆的轴向力只有微小的变化 ，锚杆所在点可以看作是不动 点； （2）下道锚杆支点以上的 墙体变位，大部分是在下道横 撑设置前产生的。