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双排桩设计和结构内力计算

409 2021-03-16 16:29:30


双排桩(double-row-piles wall)是指沿基坑侧壁排列设置的由前、后两排支护桩和梁连接成的刚架及冠梁所组成的支挡式结构。其支护结构示意图见图5.50。


在某些特殊条件的基坑工程中,锚杆、土钉、内支撑可能受到限制无法实施,采用单排悬臂桩又难以满足承载力和基坑变形的要求,或者采用单排悬臂桩造价明显不合理,此时,可选择双排桩刚架结构作为基坑支护结构。与常用的支挡式支护结构如单排悬臂桩结构、锚拉式结构、支撑式结构相比,双排桩刚架支护结构有以下特点∶

1、与单排悬臂桩相比,双排桩本质上也是一种悬臂式支挡结构,但因为桩顶有刚架梁的连接,使其成为了结构力学中的刚架结构。刚架梁起到协调前后排桩的变形作用,并对内力进行重分配,使两排桩的内力分布明显优于悬臂结构,双排桩刚架结构的桩顶位移明显小于单排悬臂桩。在相同的材料消耗条件下,其安全可靠性、经济合理性优于单排悬臂桩。


2、与支撑式支挡结构相比,由于基坑内不设支撑,不影响基坑开挖和地下结构施工,同时省去设置、拆除内支撑的工序,大大缩短了工期。


3、与锚拉式支挡结构相比,双排桩刚架结构可避免锚拉式支挡结构难以克服的缺点。如∶

(1)在拟设置锚杆的部位有已建地下结构、障碍物,锚杆无法实施;(2)拟设置锚杆的土层为高水头的砂层(有隔水帷幕),锚杆无法实施或实施难度、风险大;(3)拟设置锚杆的土层无法提供要求的锚固力;(4)拟设置锚杆的工程,地方法律法规规定支护结构不得超出用地红线。

此外,双排桩还具有施工工艺简单、不与土方开挖交叉作业、工期短等优势,在可以采用悬臂桩、支撑式支挡结构、锚拉式支挡结构条件下,当地下室外墙与规划红线之间具有足够的空间尺寸时,也可考虑选用双排桩支护方案。


双排桩结构内力计算

前后排桩、刚架梁和冠梁组成的双排桩支护结构,是一个空间超静定结构。规程JGJ120采用了简化模型,即以图 5.51 所示的平面刚架结构模型进行内力计算。

上述结构分析模型是将桩和刚架梁视为直杆,≤ 桩顶与刚架梁的连接为刚接,桩底设置为弹性支座,形成的一个静定平面刚架的简支刚架,只要将作用在其上的荷载确定后,即可按结构力学的方法计算其内力(弯矩、剪力和轴力)以及桩底反力(支座反力)。


作用在简支刚架结构上的荷载主要是土压力和土反力,结构两侧的土压力和土反力与单排桩相同,作用在后排桩上的主动土压力按第3.2.2节的要求计算,前排桩嵌固段上的土反力按第4.1.1节的要求计算,至此,关键是要确定前后排桩之间土体的反力与变形关系。


为解决此问题,刚架结构模型采用土的侧限约束假定,认为桩间土对前后排桩的土反力与桩间土的压缩变形有关,将桩间土视为水平向单向压缩体,采用在前后排桩之间设置弹性约束,并按土的压缩模量确定水平刚度系数。同时,考虑基坑开挖后桩间土应力释放后仍存在一定的初始压力,计算土反力时应反映其影响,其初始压力按桩间土自重占滑动体自重的比值关系确定。具体按以下计算∶


上述计算中,挡土结构计算宽度与土反力的计算宽度见图5.52,挡土结构计算宽度为排桩间距b,土反力的计算宽度为b,具体取值要求见表4.2。


刚架的几何不变性一般依靠结点的刚性连接来维持,因此上述平面刚架计算模型要求刚架梁与桩顶的连接为刚性连接;另外,桩的下部应有一定的嵌固深度,嵌固条件应满足铰接要求。如桩下部约束条件按固定支座(如桩嵌入基岩内一定深度),这时的平面刚架就不是一个简支刚架,而应按三次超静定结构进行计算。