双排桩支护工法1

双排预应力混凝土管桩深基坑支护结构设计工法
天津二十冶建设有限公司
朱桁刘槐刚王晓东
1.前言
在工业建筑中，很多软土地区深基础需要设计安全可靠的支护结构。

因为软土地基具有地质变化复杂、开挖难度大、施工周期长，且容易出现坍塌、管涌、流砂威胁等影响基坑边坡的施工事故。

因此，深基坑支护系统的好坏，直接影响到施工人员的安全、工程质量、造价和周边环境。

施工现场常规使用的工厂预制预应力混凝土管桩具有施工周期短、不需桩体混凝土养护的施工优越性。

其缺点是桩体本身的抗弯、抗剪性能较差，如果需要对接加长使用，接头部位性能更为薄弱，易出现断裂。

而水泥土搅拌咬合桩本身具有一定截水功能，其抗剪能力随着厚度的增加而相应增加。

钢构件具有受力性能好、传力均匀、可提前预制、循环利用等多项优点。

基于以上认识，经过和其它支护方案比较，依据相关参考资料，经过周密理论计算，我们设计了“非连续布置预应力管桩夹截水帷幕+钢结构“冠梁””的支护方案。

本技术通过天津市科委专家组鉴定，达到“国内领先水平”。

2.工法特点
该技术包括：①深基坑支护采用非连续布置双排预应力砼管桩夹截水帷幕技术。

首先，通过对施工地基砼预处理，改变土壤力学参数，提高土壤被动土压力，从而减少支护结构埋设深度。

其次，采用了预制桩非连续布置，减少支护桩的数量。

因为不需要养护，冠梁施工结束即可土方作业。

②采用顶部钢结构冠梁的支护技术。

将传统的砼冠梁改为可提前预制、循环使用的钢结构冠梁，消除了砼冠梁拆除后的渣土污染，节约资源，缩短工期。

3.适用范围
适用于工期要求紧、环境要求高、工程造价要求低的软土地区深基坑支护。

4.设计原理
支护桩采用双排非连续布置预应力混凝土管桩，即支护桩为间隔布桩，桩与桩间距大于3个桩的直径之和，接头处以经过特殊处理的预应力混凝土管桩连接。

“冠梁”采用钢结构桁架结构，钢桁架节点与每个预应力混凝土管桩的顶部通过专用连接装置固接，腹杆采用角钢制作。

两排预应力混凝土管桩之间是
兼作截水帷幕的水泥土搅拌咬合桩。

同时，为提高基坑坑底被动土压力，改善土壤力学参数，在基底部工程桩之间的缝隙增加水泥土搅拌咬合桩，在预应力混凝土管桩的顶部设有钢结构桁架做“冠梁”，传递前后排管桩内力。

通过双排预应力混凝土管桩中间夹水泥土搅拌桩及顶部钢结构桁架冠梁组合结构共同承力，构成全新的软土地区门式刚架悬臂式挡土墙深基坑支护结构。

5.设计流程
5.1 支护技术方案确定
1-预应力管桩；
2-截水帷幕；
3-顶部冠梁；
4-基底水泥土搅拌桩。

图1 支护结构布置图
5.2 支护结构分析与计算模型 1．建立计算模型
将支护结构等效为延基坑长边方向的门式刚架进行建模计算,计算单元门式刚架见图2.图中单侧支护结构采用双排预应力混凝土管桩夹水泥土搅拌桩兼做截水帷幕，双排桩净距取（2d+1）m=2.2m ，d=0.6m 、b=2.2m ，x a =1m （见图3 门式刚架单侧支护结构布置），顶部连梁采用钢结构桁架，依据建筑工业出版社出版的《建筑施工计算手册》中模型试验，设固定端在基底以下1/5～1/3处，本方案取1/3处。

1
3z H H =+ 1
8.98.93=⨯+
11.87m =
d —管桩直径 b —前后排桩中心距
x a —同排相邻桩中心距
H —土方开挖深度 nh —支护结构嵌固深度 z —支护结构长度
2.荷载计算（按照门式刚架分析单侧支护结构荷载）
根据《天津轧一冷薄板有限公司90万吨/年冷轧厂工程岩土工程勘察报告》取支护结构有效深度内各参数加权平均值如下：
22
1(45)22
a E Z tg ϕγ=••︒-勘勘
=22
127.32011.87(45)2
2
tg ︒
⨯⨯⨯︒- =522.73KN/m
式中a E -用郎金公式计算的主动土压力
3
20/27.315.4kN m c kpa γϕ==︒=、、（取自勘察报告）
———c γϕ勘察报告中土体重度
勘察报告中土体内摩擦角勘察报告中土体粘聚力
为增强土壤的抗剪强度,提高被动土压力，通过在支护结构基底搅喷水泥土咬合桩，对地基土做技术处理，改变地基土的内摩擦角和内聚力及重度等重要计算参数。

经现场取样，几组数据求平均值得出如下试验数据：
2
(45)2
p E Z tg ϕ
γ=••︒+
=2
32.12511.87(45)2
tg ︒
⨯⨯︒+ =969.78KN/m
式中p E -用郎金公式计算的被动土压力
3
25/32.116.8kN m c kpa γϕ==︒=、、（取自几组试验数据平均值）
———j c γ试验得出土体重度
试验得出土体内摩擦角试验得出土体粘聚力
图4支护结构受力图
5.3 内力计算（按照门式刚架计算单侧支护结构内力）
根据基坑两侧桩顶水平位移相等、钢冠梁上轴向力相等以及基坑两侧桩柱刚度相同等条件，将一侧双排桩整体作为桩顶受支座反力、底端固定的计算简图，桩顶支座反力、固定端最大弯矩及剪力计算如下：
2
22b 2()3()3()M 415245p a E nh E z nh nh z z ⎛⎫=--+ ⎪
⎝⎭
2222522.7311.87969.78 2.973 2.973 2.974152411.87511.87⎛⎫
⨯⨯⨯⨯=--+ ⎪⨯⎝
⎭ 3765.25KN m =•
3a 2()()1108z 5a P E z E nh nh F z •⎛⎫
=-- ⎪⎝⎭
32
522.7311.87969.78 2.97 2.97110811.87511.87⨯⨯⎛⎫
=-- ⎪⨯⨯⎝⎭
599.07KN =
23b 234()()()41085a P E z E nh nh nh F z z ⎛⎫
•=--+ ⎪⎝⎭
23234522.7311.87969.78 2.97 2.97 2.97410811.87511.87⎛⎫
⨯⨯⨯=--+ ⎪⨯⎝⎭
23234522.7311.87639.67 2.97 2.97 2.97410811.87511.87⎛⎫
⨯⨯⨯=-•-+ ⎪⨯⎝⎭
1062.32KN =
b M —b 端弯矩 即为最大弯矩max M b F — b 端固定端反力 a F — a 端支座反力
5.4 支护结构选型及验算：
支护桩拟选用预应力管桩（PHC AB 600⨯110）,冠梁拟选用HW250⨯250。

（1）支护桩弯矩值验算：
双排预应力管桩等效为桩直径Φ1200mm ，A=4.52⨯1062
mm ，混凝土采用C60，cm f =29 2
N
mm ，
采用配筋26Φ10.7（预应力主筋），s A =2336.82
mm ，y f =14202
N
mm ，进行验算：
解：将计算式整理后，令b=
y s cm f A f A
得
1sin 2(1.25)132b πα
απ
=
++ 将b 代入上式，并用试算法求得α=0.70
由式 1.252t αα=- 因α=0.70>0.625 取t α=0
代入式3sin sin 2sin 3t cm y s s M f A r f A παπαπα
γππ
+=•••+••
36
2sin 126sin126029 4.521060014202336.85503ππ
︒︒+=⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯ =9312KN m •>max =3765.25M KN m •
验算结果满足要求！
式中:M —标准荷载下的弯矩
cm f —砼抗弯强度设计值 r —桩圆形截面半径
A —桩截面面积
y f —钢筋抗拉强度设计值
S A —全部纵向钢筋截面积 S r —纵向钢筋所在圆周的半径
α—受压区砼截面面积的圆心角（rad ）与2π的比值
t α—纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当α>0.625时，取t α=0
（2）双排支护预应力管桩与水泥土搅拌桩组合抗剪验算： a 、单根预应力管桩剪力计算
2tI Q S τ=
•
02tI S =
式中：Q -抗剪强度
t -PC 或PHC 管桩壁厚 I
-混凝土截面相对中心轴的附加力矩，440()4
I r r π=-
0r -管桩外半径 r -管桩外半径
0S -相对中心轴以上截面中心轴的截面净距， 33002()3
S r r =
- τ-产生斜拉裂缝时的剪切强度 ce δ-有效预应力, 查得 5.772
N mm
Φ-0.5
δ-混凝土抗拉强度，对PHC 桩可取5.392
N mm
即：440()4
I r r π
=
-
=443.14
(300190)
4-
84
53.410()mm =⨯ 33002
()3
S r r =
- 332
(300190)3
=
- 63
13.410()mm =⨯
代入式
Q 02tI S =
86
211053.41013.410⨯⨯⨯=⨯ 478KN = b 、水泥土搅拌桩剪力计算
水泥土抗剪强度随抗压强度的增加而提高，当＝0.30～4.0MPa 时，其粘聚力 =0.10～1.0MPa ，其内摩擦角变化在20°～30°之间。

通过对现场水泥土进行剪切试验，初步确定水泥土搅拌桩抗剪强度值为
1MPa 。

2•1 2.20.6-3.140.31037.4F A KN
τ==⨯⨯⨯=水泥土（）
式中：F -水泥土水泥土搅拌桩的抗剪值 τ-水泥土搅拌桩的抗剪强度值 综合上述，得
组合抗剪值为1037.4+478×2=1993.4KN>F b =1062.32KN 满足施工要求 c 、顶部连梁强度验算：
3
a 22y 2
599.071064.99f =21592.1810
F N N mm mm A δ⨯===<⨯ 满足要求 式中：a F -a 端支座反力
A -连梁型钢截面面积 δ-连梁所受应力 y f -钢材抗拉强度设计值
6.应用效果
本支护结构充分利用预应力混凝土管桩有较好的抗压强度和水泥土搅拌咬合桩具有较好的抗剪强度，与具有较大刚度的钢结构桁架组合形成悬臂式挡土墙，共同承力，由于桩是非连续间断布置和传统的支护方式可节约2/3的桩量，减少了资源的消耗。

由于使用了较大刚度的钢结构桁架做“冠梁”可重复多次使用，即使报废仍可回炉重新冶炼，充分体现循环经济节约资源理念。

而传统钢筋混凝土冠梁只能使用一次，拆除时废弃混凝土除污染环境外还浪费资源。

通过在基底土体上施工水泥土搅拌咬合桩，对地基土做技术处理，改变地基土力学参数，提高土壤的抗剪强度,提高了被动土压力；最重要是采用的预应力混凝土管桩与其顶部钢结构桁架冠梁包括连接节点均为预制、可循环利用构件，与传统支护结构形式比较，管桩无需桩体养护时间，支护结构施工完即可进行土方开挖，能够大大缩短施工周期，并节约资源，同时满足低碳节能环保要求。

7. 效益分析
本支护结构“双排非连续布置预应力砼管桩夹截水帷幕+顶部钢冠梁”的软土地基深基坑支护方法与传统的基坑灌注桩连续布置支护或连续墙支护方法相比，具有的工程造价低、施工工期短、碳排放量小、废渣土排放少等优点（见下图）。

本工法的研究成果符合目前国内常用的设计、施工技术及施工条件，发展和完善了工业建筑软土地基关键施工技术。

该项施工技术是环渤海地区、长三角地区、珠三角地区等软土地区投资大型冶金、化工的地下结构施工的发展方向，该技术的成功运用，将大大缩短施工工期，降低施工风险，减少工程的投资。

推广应用该技术，将发展和完善工业建筑软土地基设计技术，对解决软土地基大面积地下结构的投资、设计和施工具有广阔的应用前景，同时也能对软土地区民用、商用建筑的超深超大地基工程的施工具有较大的指导和参考价值。

8.应用实例
实例一、 2009年6月天津冶金轧一搬迁改造工程推拉式酸洗活套基础(-12.6m深基础），应用此支护结构安全优质完成地下基础施工。

实例二、 2009年10月天津冶金轧一搬迁改造工程1#轧机基础(-10.0m深基础），应用此支护结构安全优质完成地下基础施工。

实例三、 2009年11月天津冶金轧一搬迁改造工程2#轧机基础(-10.0m深基础），应用此支护结构安全优质完成地下基础施工。