双排桩支护结构土压力

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

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