排桩与土钉联合支护结构的土压力分配机制

程建华， 王 辉

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454003)



排桩与土钉联合支护结构的土压力分配机制

程建华， 王 辉

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454003)

为进一步研究排桩与土钉联合支护结构的土压力分配机制，在理论分析和基本假设的基础上，以剪力零点为排桩固定端，分别计算排桩的桩后土压力及各排土钉拉力，并通过迭加得到排桩复合土钉支护结构的变形曲线，为排桩复合土钉支护结构的推广应用与优化设计提供理论基础。

排桩； 土钉； 土压力分配； 联合支护结构

0 引言

土钉墙以其工程造价低、施工速度快的技术优势得以在全国范围内推广应用，但其水平侧移大且对土层的限制条件多。为进一步拓展土钉墙的适用范围及支护深度，工程上将排桩与土钉进行联合支护。该复合支护结构综合了排桩和土钉的优点，通过土钉提高桩间土体的稳定性，以设置排桩减小支护结构的侧向变形，取得了良好的经济效益和社会效益。然而，相对实践，对排桩-土钉联合支护结构的作用机理及土压力分配机制的研究相对落后。工程上常根据经验确定排桩与土钉的荷载分担比例，然后进行工程设计。刘斌(2010)[1-3]通过建立平衡条件，推导出土钉墙与疏排桩的荷载分担比例；郭院成(2006)[4，5]针对桩锚与土钉联合支护结构，提出土压力的分配机制；吴忠诚(2006)[6]提出疏排桩锚-土钉组合支护结构的局部及整体稳定计算公式。本文在理论分析与基本假设的基础上，以剪力零点为排桩的固定端，引入假定条件，分别计算出桩后土压力和各排土钉拉力，通过迭加计算出支护结构的变形曲线，为该支护结构的推广应用和优化设计提供了理论基础。

1 排桩-土钉联合支护结构的作用原理

排桩-土钉联合支护结构是由排桩、土钉、被支护土体及面层形成的组合体。其中，土钉通过注浆体的渗透作用主动地提高土体的强度与刚度，排桩依靠自身的刚度和强度被动地承受土压力与变形，是一种主被动复合支护结构。构造方面，通过水平方向的土钉和竖直方向的排桩进行组合，在桩后土压力的作用下使土颗粒在相互楔紧的区域内发生土拱效应，并将土压力分配给排桩与土钉。因土钉墙为柔性，排桩为刚性且有一定的入土深度，这种结构上的差异使得复合支护结构的受力机理十分复杂。 ①基坑刚开挖时，因未设土钉，排桩为悬臂状态，墙顶变形最大； ②随着基坑的开挖及土钉的设置，土钉与排桩共同受力，相对纯土钉墙，由于排桩的分担作用，使得水平位移在竖直方向减小，呈现上部大下部小的特点； ③随着开挖深度的继续增加，排桩上部基本不受力，主要由土钉承担，土钉内力增大，且峰值向土钉中后部转移；而下部则由排桩与土钉共同承担； ④基坑进一步开挖，支护结构呈现出桩锚支护结构的特点，新增加的土压力由下部的排桩与土钉承担。

2 排桩-土钉联合支护结构的土压力分配

2.1 基本思路

基于排桩与土钉的受力变形协调条件，将排桩视为一悬臂结构，在某一工况下(见图1，图2)，分别计算排桩在桩后土压力和各排土钉拉力作用下的变形曲线，然后进行迭加得到复合支护结构的变形曲线，再引入一定的假设，进而得出土钉拉力和桩后土压力。

图1 桩后土压力作用Figure 1 Earth pressure behind row-pile

图2 土钉拉力作用Figure 2 Tension of soil nailing

2.2 基本假设

① 排桩与土钉变形协调；

② 假设排桩承受土压力的减小值由土钉承担，即有：E朗肯=E桩后+∑F土钉；

③ 排桩视为悬臂桩，其固定端取剪力零点；

④ 土钉受力与土钉的水平位移Δx和土钉的水平刚度系数K有关，即有F=K·Δx。

2.3 推导过程

2.3.1 桩后土压力作用下的排桩位移曲线

以桩顶为坐标原点O，则排桩在任一截面x处所受荷载为：

排桩在任一截面x处的弯矩为：

M(x)=

2.3.2 土钉拉力作用下的排桩位移曲线

以桩顶为坐标原点O，则在第i排土钉力作用下排桩所受弯矩为：

分别求得排桩在桩后土压力及各排土钉拉力作用下的位移曲线后，进行迭加便可得到复合支护结构的变形曲线。

3 考虑施工过程的受力变形分析

① 第一步开挖。

为使计算结果更加精确，考虑第一步开挖时桩体较小的侧移变形，桩后土压力考虑为主动土压力，此时桩体的变形曲线f1(x)=y1(x)，此时还未设置土钉1，土钉1位置处的变形记为f1(x1)。

② 第二步开挖。

③ 第三步开挖。

④ 第i步开挖。

在进行第i步开挖时受力的土钉有土钉1、土钉2、……土钉i-1，其拉力分别为F1、F2、……Fi-1，根据前面假设有：

4 结束语

根据排桩-土钉联合支护结构的施工特点，以剪力零点为排桩固定端，引入E朗肯=E桩后+∑ F土钉假定，建立土压力的分配机制，分别计算排桩与土钉承受的土压力，对充分发挥复合支护结构的设计承载能力及合理设置土钉具有重要的理论指导作用。目前，排桩-土钉联合支护结构在施工中已有较为广泛的应用，但对其作用机理及土压力分配机制的研究还存在较多问题，有待进一步的理论分析与试验研究来解决。

[1] 刘斌，杨敏，杨志银，等.疏排桩-土钉墙组合基坑支护结构设计与实践[J].土木工程学报，2010，43(10)：106-114.

[2] 刘斌，杨敏.疏排桩-土钉墙组合支护结构的疏排桩计算模型[J].土木工程学报，2012，45(11)：159-165.

[3] 刘斌，杨敏.疏排桩-土钉墙组合支护结构的计算参数与支护特性[J].2011，7(增1)：1372-1376.

[4] 郭院成，李峰，刘建伟.桩锚与土钉联合支护结构的土压力分配机制[J].河南科学，2006，24(4)：564-566.

[5] 郭院成，刘建伟，李峰.桩锚与土钉联合支护结构的概念优化设计[J].河南科学，2006，24(2)：233-236.

[6] 吴忠诚，杨志银，罗小满，等.疏排桩锚-土钉墙组合支护结构稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25(增2)：3607-3613.

The Distribution Mechanism of Earth Pressure of Composite Retaining Structure of Row-pile and Soil Nailing

CHENG Jianhua， WANG Hui

(School of Civil Engineering of Henan Polytechnic University， Jiaozuo， Henan 454003， China)

To study further the distribution mechanism of earth pressure of composite retaining structure of row-pile and soil nailing，the position which shear force is zero is taken as fixed point，and earth pressure behind row-pile and tension of rows of soil nailing are calculated respectively based on theory analysis and basic assumption.Then ，deformation curve of composite retaining structure of row-pile and soil nailing is obtained through superimposing.The paper will supply theory foundation for popularization and optimization of composite retaining structure of row-pile and soil nailing.

row-pile； soil nailing； distribution of earth pressure； composite retaining structure

2015 — 04 — 10

国家自然科学基金(41072224)

程建华(1976 — )，男，河南开封人，讲师，一级建造师，主要从事基坑支护的教学与研究工作。

TU 476

A

1674 — 0610(2016)05 — 0205 — 03