双排桩支护设计

2010-10-27张义强何小飞

中国科技信息 2010年13期

关键词：管廊标高受力

张义强何小飞

1.中铁建设集团有限公司 100040;2. 北京市机械施工有限公司 100045

双排桩支护设计

张义强1何小飞2

1.中铁建设集团有限公司 100040;2. 北京市机械施工有限公司 100045

本论文以某一具体工程局部支护设计为例，使用同济启明星计算软件计算不同模式下双排桩支护结构，并对计算结果进行比较分析，确定某一比较合理的计算模型或是得到某一范围内的经验系数，同时验证了施工方案的合理性。为今后类似工程的设计和施工，提供一定的参考。

支护结构; 计算模型; 双排桩; 经验数据

1.地理位置

北京奥林匹克公园中心区地下空间（商业）Ⅱ标段位于北京市朝阳区奥林匹克公园中心区内。其总占地面积约8.45公顷，建筑面积16.06万平方米。场区自然地面绝对标高为44.00m，±0的绝对标高为41.70m。基坑开挖深度主要有三种，分别为16.98m、18.64m和18.98m。场区东侧为地下联系通道Ⅱ标段，开挖深度约为16.00m，其正在进行结构施工；西侧为同期施工的下沉花园，开挖深度为12.68m；北侧距大屯路约30m，南侧距中一路约20m。

2.工程地质条件

根据岩土工程勘察报告，场区内土层按其成因年代划分为人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层共3大类。涉及基坑边坡支护的土层参数见表1。

3.水文地质条件

场区内分布的第1层地下水（台地潜水）为天然动态类型，属渗入－蒸发、径流型。其水位年动态变化规律一般为：6月份～9月份水位较高，其它月份相对较低，年变化幅度一般为3～4m。第2层、第3层地下水（层间水）为天然动态类型属渗入－径流型；其水位年变化幅度一般为2m左右。第4层地下水（潜水）为天然动态类型属于渗入－径流型；其水位变化规律一般为：11月份～来年3月份水位较高，其它月份水位相对较低，其水位年变化幅度一般为5～6m。地下水位情况见表2。

表1 土层参数

表2 地下水水位量测情况一览表

4.东南角支护结构

根据结构设计，基坑南侧设置一东西贯通的管廊（其宽度为3.70m），其标高为-7.10（该管廊上部需预留30mm的土层采用人工清除）。

在施工基坑东南角处时发现上部约3.5m范围内存在大量破碎残余管道及其原状结构。原设计中，该处采用上部土钉墙，下部护坡桩＋预应力锚杆进行支护（土钉墙支护高度为11.80m，桩锚支护高度为5.20m）。根据现场的实际情况，该处土钉成孔长度达不到设计要求，原方案无法进行施工。对该处需重新进行设计，具体支护结构如下，管廊的上部3.5m内采用坡度为1：0.3的土钉墙进行支护，3.5m以下采用护坡桩＋一道预应力锚杆支护结构，护坡桩桩顶标高为-0.80。管廊下部采用护坡桩＋两道预应力锚杆支护结构，护坡桩桩顶标高为-7.17（见图1和图2）。管廊上下两排桩预留施工工作面均为1000mm，护坡桩桩径均为600mm，桩间距均为1.20m。

图1 东南角支护结构平面图

图2 东南角支护结构剖面图

图3 东南角支护结构效果图

5.东南角支护结构设计

施工中该区域采用启明星计算软件进行支护结构的设计。将开挖深度分为两部分进行支护结构的计算。第一部分管廊上部基坑开挖深度为9.8m，采用Φ600@1200灌注桩围护结构，桩长为12.8m，桩顶标高为0m。计算时考虑地面超载20kPa，详见图4。

图4 管廊上部支护结构设计模式

第二部分管廊下部7.88米围护结构计算书管廊上部按挖土模式（在计算模式中将管廊上部垂直土层去掉，使得在计算中更接近现实情况）考虑，挖土高度h=9.8m-0.3m(人工清漕)。管廊下部7.88m采用Φ600@1200灌注桩围护结构，桩长为11.88m，桩顶标高为-9.5m。计算时考虑地面超载20kPa，详见图5。基坑附近有附加荷载如图6和表3所示。

图5 管廊下部支护结构设计模式

图6 附加荷载

根据以上计算模式，设置在4m、10m和14m处预应力锚杆水平受力依次为：

管廊下部第一道预应力锚杆为两桩一锚，间距为2.4m，倾角为15°，锚杆的安全系数取1.1。因此得出管廊下部第一道锚杆水平受力为T=89.1×2.4×1.1=235.22KN。根据以往施工经验，在利用同济启明星计算软件计算时因按挖土模式考虑，与实际受力比较偏小。该处水平受力取值为450KN，则所取经验系数为450/235.22＝1.91。

该区域根据以上设计进行施工，效果良好，未出现任何不良现象。

为了确定与工程情况最贴近的计算模型，并验证以上设计的合理性。在查阅同济启明星说明书、相关计算理论工具书下，结合工程实际情况，利用同济启明星软件建立下面所述的4种模式，并利用二分之一分担法进行手工计算加以核算。

5.1 计算模式一

将上部台阶土层按照附加荷载进行折算。附加荷载包含两部分：第一部分：来往人群及车辆等的作用，取荷载P为30kPa；第二部分：台阶上部层厚共计9.5m的土层荷载，该荷载作用宽度b取20米。基坑开挖深度为7.88m，采用Φ600@1200灌注桩围护结构，桩长为11.88m，桩顶标高为0m，详见图7。基坑附近附加荷载情况见图8和表4。

图7 设计模式一

图8 附加荷载

5.2 计算模式二

将开挖深度分成两段，分段上部附加荷载值同计算模式一，但宽度即管廊宽度趋近于零（取0.01m），逼近于同管廊上口护坡桩一体。分段下部7.88m采用Φ600@1200灌注桩围护结构，桩长为11.88m，桩顶标高为0m，详见图9。基坑附近附加荷载情况见图10和表6。

表3 附加荷载相关参数

表4 附加荷载相关参数

图9 设计模式二

图10 附加荷载

5.3 计算模式三

考虑在上部管廊宽度趋近于零的这种极限状态下的情况进行设计计算。假想分段下部7.88m采用Φ600@1200灌注桩围护结构，桩长为11.88m，桩顶标高为-9.5m。计算时考虑地面超载20kPa，详见图11。基坑附近附加荷载情况见图12和表6。

5.4 计算模式四

假想管廊宽度为零，双排桩趋近于一排桩。基坑开挖深度为17.38m，采用Φ600@1200灌注桩围护结构，桩长为21.38m，桩顶标高为0m。计算时考虑地面超载20kPa，详见图13。

图11 设计模式三

图12 附加荷载

表5 附加荷载相关参数

表6 附加荷载相关参数

6.结果分析及安全系数的确定

图13 设计模式四

表7 各种计算模式下管廊下部预应力锚杆受力情况

这里仅考虑管廊下部两道预应力锚杆的受力大小（上部的那道预应力锚杆的算法不在本文考虑之内）。将施工方案和以上几种计算模式的结果比较如下，见表7。

从以上结果进行比较我们可以发现：施工方案在计算管廊下部桩锚支护时将管廊上部按挖土模式考虑，较之将管廊上部土体按附加荷载考虑所得的结果有差异。

根据以上内容并结合以往的施工经验，我们认为采用施工方案和计算模式一两种模型对于上部土体的整体侧向压力和上覆土厚度考虑均不充分，导致计算下部土体第一道锚杆时受力偏小，需相应的乘以一个安全系数。

因而，在我们分析模式三和模式四可以看出，计算模式三（挖土0.01m，极限逼近于一排桩）实际上相当于计算模式四中按一排桩考虑的受力状态。在我们改变管廊的宽度，并相应的采用模式三和模式四进行试算，从相对应的结果可以看出，管廊下口第一道预应力锚杆的受力存在着比例关系，该比例系数基本在1.7～2.0范围内（计算模式四/计算模式三）。

结合以上内容，本工程设计方案中所取安全系数是合理的。不过，在以后的工程设计中，遇到类似的情况，我们可以按计算模式三进行计算，再乘以一个安全系数即可。此安全系数可取1.7～2.0之间。

为了进一步确定这一安全系数，近似模拟该工程东南角管廊上下口桩锚支护结构受力，在此利用二分之一分担法来计算支撑轴力。将管廊上下排桩锚支护结构按一个整体考虑，即既考虑管廊上部部分主动土压力下传，也考虑其上覆土压力下传。此外应考虑管廊上部土体应力至管廊基底部分应力按（45°+φ/2）下传。计算得到锚杆所受水平支撑轴力为：