双排桩在深基坑工程中的应用

双排桩在深基坑工程中的应用

介绍双排桩的基本知识，分析讨论双排桩的作用机理，介绍双排桩支护结构计算模型以及支护体系结构特点，结合实际工程进行双排桩支护结构的设计计算。

标签： 双排桩;基坑工程;变形;稳定性

引言：

双排桩支护结构作为一种新型的支护形式，在基坑开挖工程应用中取得了良好的效果。这种支护结构是由前、后两排平行的钢筋混凝土桩以及压顶梁、前后排桩桩顶之间的连梁（或板）形成类似门架的空间结构，属于悬臂式空问组合支护结构。与单排桩悬臂式支护结构相比，双排桩支护结构具有更大的侧向刚度、可以明显减小基坑的侧向变形，不需架设支撑、挖土方便、施工速度快等优点口I。因此，具有较高的应用价值.特别适用于基坑空间较大、不适于采用内支撑而又对水平位移要求较为严格的工程。

本文以某超大基坑工程为例，介绍了双排桩的设计和应用。

1 双排桩的基本概念

双排桩是一种空间组合类悬臂支护结构。将原来密集设置的单排悬臂桩改为前后两排均设置悬臂桩，呈平行结构形式，并在桩顶设置联系梁将前后桩体连在一起，沿着基坑边线方向布置的双排桩支护的空间结构体系。

双排桩一般是两排钻孔灌注桩，顶部钢筋混凝土横梁连结，必要时对桩间土进行加固

处理。使用双排桩可在一定程度上弥补单排悬臂桩变形大支护深度有限的缺点，适宜的开挖深度应视变形控制要求经计算确定;当设置锚杆和内支撑有困难时可考虑双排桩;坑底以下有厚层软土，不具备嵌固条件时不宜采用。

双排桩的支护形式非常灵活，常见形式有梅花形、丁字式、双三角形式、矩形格式、连拱式等，双排桩连梁的形式也是多种多样，有整体板式圈梁、横梁与纵梁连接形成的格栅式等。

2 双排桩的计算模型

（1）土压力的空间效应

由于两侧坑璧对中间土体的约束作用，作用在支护结构上的土压力随着距坑角的距离的减小而减小，其分布形式在距离坑角B范围内假定为抛物线，如图1所示。土压力空间效益的影响范围，土压力空间效应影响系数为：

图1 土压力空间分

（2）冠梁对双排桩的约束作用

冠梁的空间协调作用在双排桩支护结构中的作用是明显的，对于整个双排桩支护结构的稳定性起到重要的作用，计算模型中考虑冠梁的空间协调作用是必要的。为了在计算模型中便于实现，在此将冠梁的作用分解为两个部分，一是协调前排桩桩顶的位移，假定为联系前后排桩桩顶的刚性梁;二是空间变形协调作用假定为在双排桩刚架结构顶端的水平支撑。

基本假设：①冠梁只发生平动，不发生转动，冠梁的空间作用部分转化为水平支撑弹簧;②冠梁对前后排桩的联系作用假定为刚性梁，与前后排桩桩顶刚性连接;③桩底嵌固。

弹性地基梁法是现行规范推荐的，其最大优点是能够考虑土与结构的相互作用。考虑到滑移面的存在使得桩间土作用在前后桩体上的土压力存在差异，针对双排桩通常的工作状态提出一种双排桩弹性地基梁法计算模型，如图2（a）所示：

图2 双排桩弹性地基梁法计算模型

土压力分布情况：前排桩土压力在坑底以上呈三角形分布，最大值为PA，可由式（2）求得，坑底以下桩问土作用与前排桩上的土压力呈矩形分布;后排桩桩后侧主动区土压力在Z0以上呈三角形分布，最大值为PB，可由式（3）求得，在Z0以下至桩底呈矩形分布，Z0为按库仑土压力理论确定的滑移面与后排桩相交处的深度。基坑内侧土体对前排桩的抗力用土弹簧来模拟，桩间土Z0深度以下土体对后排桩的抗力也用土弹簧来模拟，前后排桩桩体视为竖直放置的弹性地基梁，地基基床系数按“m”法来确定：

前桩土压力：

后桩土压力：

式中：Ka为主动土压力系数;Ksp为土压力空间效应影响系数;H为基坑深度;q为作用后排桩桩外土体表面的附加荷载;α为比例系数，按后排桩靠基坑侧滑动土体占整个滑动土体的重量比例确定。需要说明的是对于粘性土，在计算Z0和L0时，内摩擦角φ应该用等效摩擦角ΦD来代替。

双排桩排距L的大小直接影响到作用在前后排桩上的土压力的分配关系。当双排桩的排距大于时，双排桩支护结构类似于拉锚结构，如图2（b）所示，此时α=l。这也就意味着在排距L己经确定的基坑开挖过程中，当开挖深度小于时，滑移面在前后桩体之间，此时主要是前排桩

起到挡土作用;当开挖深度大于时，此时的前后桩体才共同承担挡土作用。

3 双排桩支护结构的工程实例

3.1工程概况

某拟建城市广场工程，场地北侧南侧为城市主干道，东侧为居民区，设计标准为大型综合性城市公共广场，包括地面景观、市政广场和商业建筑、地下商业及地下停车场3大功能。

广场规划用地94000m.地上总建筑面积108400m，其中商业建筑面积为86400m2，地下停车库为2层，建筑面积为22680m。基坑平面形状呈梯形，挖深为5.90m～9.70m.周边长约1400m。北侧及东侧挖深较大，南侧较浅。场地范围内土层起伏较大。

设计采用吴淞高程系统，标高在5.0m～l1.0m之间，底板厚800mm，垫层厚100mm。

基坑支护影响范围内各土层参数见表1。

表1 各土层物理力学指标

重度 固快指标 渗透系数

土层

序号 土层名称 γ

/Kn/m3 Ck

/kPa Φk

/度 KvKH

/×10-6（cm/s）

①～2 素填土 18.0 17 12.0 3.0 3.0

②～1 粉质粘土 18.5 28 15.0 2.0 2.0

②～2 淤泥质粉质粘土 17.5 14 11.0 0.5 0.5②～3 粉砂混粉土 18.5 — — 100 100

③～1 粉质粘土 19.2 38.0 18.0

3.2基坑设计

基坑挖深为5.9m～9.7m.工程开挖面积较大，达95000m2，平面形状呈梯形，基坑对边相距较大，最大处为300m多，北侧及东侧挖深较大，若采用排桩内支撑支护形式.造价高，因此不宜采用，另外，场地土层②一2层为淤泥质粉质粘土，因此不适宜采用锚杆支护。所以，为控制基坑变形采用双排桩支护结构形式。

3.2.1双排桩结构参数

围护结构内力计算采用简化的平面刚架的支护形式进行内力分析。土压力按弹性法土压力进行计算。围护结构上部土体按均布超载计算。

假定支护结构在基础面下3m为固定端。

根据相关规范计算支护桩设计参数，并考虑施工现场不利因素的影响.排桩桩型选为钻孔灌注桩800mm.混凝土等级C30。前后排桩中心距2.8m，桩间距为l200mm。主筋按圆形截面均匀配筋选用14φ20，HRB335级钢。

3.2.2计算结果分析

（1）桩体位移和弯矩的分布特征

图3及4分别给出随着开挖深度H的增大（H=0.3m，1.6m，4.6m，6.0m），桩体位移和弯矩沿着桩身的分布。

图3 双排桩桩体位移

注：蓝色曲线为前排桩曲线，红色曲线为后排桩曲线

图4 双排桩桩体截面弯矩

注：蓝色曲线为前排桩曲线，红色曲线为后排桩曲线

从图3看出，随着开挖过程进行，桩体呈现较大的向基坑内的水平位移趋势。一般情况下，在支护结构底部位置水平位移应较小，在支护结构顶部由于冠梁的作用限制了顶部位移的发展，位移相对较小，几乎为零，前排最大位移在基坑底部，后排在基坑中部，从图中还可以看出，开挖面以下后排桩的位移相对前排桩较小。

从图4中看出，随着开挖深度增加，前后两排桩的弯矩逐渐增大，同时反弯点也在逐渐下移。前排弯矩明显大于后排桩体弯矩。

本例中可以看出此种设计的主要受力结构为前排桩，后排没有贡献太大的作用，此方案还需改进，以达到两者的协调受力。

（2）稳定性验算

按重力式挡墙结构计算的抗倾覆稳定性系数：Kq=1.52〉1.2，满足要求;整体稳定性系数K=1.34〉1.3，满足要求。因此，组合结构满足稳定性要求。

4 小结

双排桩支护结构有很多优点，由于现在实际应用的不多，目前对双排桩的受力机理还有待于进一步研究，对双排桩的土压力传递模式和计算方法还有不同的看法和观点，所以现场的测试和测量工作显得十分重要。

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作者简介：赵华：1962.10，男，副高，宜昌夷陵区建设工程质量监督站