黄土深基坑多支点排桩支护结构分析方法探讨

2021-08-26邱本胜王有平

山西建筑 2021年17期

邱本胜王有平梁强

(1.武汉长江科创科技发展有限公司，湖北武汉 430014； 2.云南省滇中引水建设管理局，云南楚雄 675000)

0 引言

鉴于多支点排桩支护可以明显降低结构内力、降低基坑变形破坏风险的特点，黄土深基坑支护形式多采用多支点排桩支护结构[1]。黄土地区深基坑，特别是地铁深基坑经过多年发展基本上已经形成了一套较为成熟的深基坑多支点排桩支护方案。为了保证基坑工程安全可靠、经济合理，工程上需常对基坑支护进行优化。实践证明同一基坑采用同一支护方案，不同设计人员计算的方法和计算结果不尽相同，有时相差较大。因此，选择合理的计算方法是基坑工程优化设计的前提。本文结合工程案例，进行了理论分析和实测对比等研究，探索出了适宜黄土地区深基坑多支点排桩支护结构分析计算方法，可为类似研究提供参考。

1 多支点排桩基坑设计计算方法理论对比

目前多支撑支护结构的计算方法主要有二分之一分割法、简支梁法、整体等值梁法、分段等值梁法和Terzaghi-Peck经验法。前四种方法的土压力理论为朗肯土压力理论，而Terzaghi-Peck经验法为Terzaghi-Peck表观土压力理论，前三种计算模型相同，均假设基坑一步开挖到位，支撑施加前，支护结构都没有变形。分段等值梁法考虑基坑分步开挖过程中支护结构内力的变化。Terzaghi-Peck经验法与二分之一分割法结构模型相同，主要区别在于土压力的分布形式不同，Terzaghi-Peck经验法根据土的工程性质假定作用在支护结构上土压力分布，土压力模式划分比较粗糙。这几种方法都是基于静力平衡条件，先求出支撑轴力，在支撑轴力已知的情况下，计算设计其他参数。不同点主要集中在计算支撑力的结构模型以及土压力荷载模型方面。

1.1 二分之一分割法

二分之一法假设作用在支护结构土压力按朗肯土压力分布，将上下各层支撑间的距离从中间等分，假定每层支撑承担与其相邻的两个半跨的土压力[2]，如图1所示。先求出坑底以上支护结构受到的主动土压力，然后按各层支撑承担其上下各半跨的土压力，最后将支撑相邻半跨荷载求和计算支撑力。将求出的支撑力反作用于支护结构，支护结构前后受到的土压力分别按朗肯被动土压力和主动土压力处理，最后对桩底取矩，由静力平衡条件求出支护结构的入土深度和内力。二分之一分割法假设支护结构为纯柔性结构，支护结构对荷载的分布没有调节作用，因此二分之一分割法对刚度较小的钢板支护结构的计算较为适宜。

1.2 简支梁法

简支梁法将桩作为竖直的横梁，支撑位置作为横梁的支点。假设桩与支撑连接方式为铰接，按分段独立简支梁来计算每段简支梁作用在支点的反力，然后将每段简支梁作用在支点的反力叠加，作为该点的支撑反力[2]，如图2所示。将支撑反力反作用于支护结构，桩受到的土压力与二分之一法相同，桩前后土压力分别为朗肯被动土压力和主动土压力。最后对桩底取矩，按静力平衡条件计算支护结构的其他各项设计参数。简支梁法将支撑看做固定铰支座，支护结构为简支梁，因此，对支撑刚度较大，而围护结构刚度相对较小的混凝土内支撑排桩的计算较为适用。

1.3 整体等值梁法

整体等值梁法把基坑底面下桩的土压力强度为零处与桩顶之间的桩体当成多跨连续梁。支撑点的位置为连续梁的支点，基坑以下支护结构土压力为零处为连续梁最下面的支点，假定该点与连续梁以铰接相连，支撑为与连续梁相连的铰支杆[5]。此时支护结构的问题变成超静定的结构力学问题，如图3所示。由弯矩分配法可计算支点的反力，将计算出来的支点反力反作用于连续梁，接着依次计算出梁的剪力和弯矩。当梁的刚度远大于支撑结构刚度，支撑对梁的约束相对来说较小，此时可将支护结构看做是梁上的铰支座。整体等值梁法比较适合于支撑刚度较小，而围护结构刚度相对较大的支护结构的计算。

1.4 分段等值梁法

分段等值梁法的计算方法与简支梁法类似，但它考虑了支撑随基坑开挖分步施加的过程。即每开挖一段，将该段桩的上部支点和嵌入段土压力强度为零处之间的桩作为简支梁进行计算[2]。根据静力平衡条件可计算此时支撑的反力，将计算出来的支撑反力作为计算下段开挖形成的简支梁的荷载。依次递推，求出下一层支撑的反力，如图4所示。

计算步骤为：

1)第一次开挖至第二层支撑处，此时第一道支撑已经设置完毕。假设第一道支撑与排桩之间铰接，基坑底下桩受到的土压力平衡点为另一铰接点，此时由静力平衡条件可求出支座反力。

支护结构土压力平衡点距开挖面的垂直距离x1：

(1)

其中，Ka为朗肯主动土压力系数；Kp为朗肯被动土压力系数。

对O1点取矩，可求得R1，即:

(2)

其中，γ为土体容重。

2)第二次开挖至第三层支撑处，此时O2为土压力强度零点处，此时将第一步求出的第一道支撑力作为荷载作用于梁上，得到静定梁结构。同步骤1)求出x2，对O2取矩可求得R2。依照上面方法，可依次求出所有的支撑轴力。

分段等值梁法考虑了基坑开挖过程对支护体系内力的影响，能够较好反映支护结构在基坑开挖过程中内力的变化情况。因此，比较适合对各步开挖深度不一、支护结构在基坑开挖过程中内力变化较大的深基坑支护结构的计算。

1.5 Terzaghi-Peck经验法

Terzaghi-Peck经验法是多支撑支护结构特有的一种简化计算方法，计算较为简便，计算模型具有一定的地区性，经验性[6]。Terzaghi-Peck经验法是根据场地土的性质划分土压力经验分布图(见图5)，再根据二分之一分担法来计算多支撑的轴力，每道支撑承受其相邻上下各半跨的压力[4]。它与二分之一法的支撑轴力的计算原理相同。

假设支护桩受到的主动土压力为q，多支撑最大支座弯矩为：

(3)

最大跨中弯矩为：

(4)

Terzaghi-Peck经验法荷载分布采用经验实测支撑轴力反算的土压力包络图，所以仍具有一定的实用性，特别对于估算支撑轴力有一定的参考价值。但是由于支撑轴力采用内力包络图，因此，采用该模型进行计算设计结果是偏于保守的。而且，土压力模型以土体的类别作为划分的基础。同一类别土体由于含水量、空隙率的不同，力学性质相差较大，尤其对于浸水前后力学性质迥异的湿陷性黄土，采用以土的类别作为土压力模型划分的依据将显得非常粗糙。

2 案例分析

2.1 工程概况

某黄土地铁站深基坑工程位于西安市长安中路与小寨东路相交的十字路口旁，是地铁二号线和三号线的交汇处。该基坑主体长度145.65 m，宽21.7 m，深23.16 m，呈南北走向。场地内无地表水系，站区内潜水埋藏较浅。基坑开挖深度范围内主要为黄土以及黄土状土，湿陷系数δs=0.005～0.102，基坑底4.0 m深度以外为粉砂等非黏性土。设计单位根据车站所处环境，地质条件，基坑深度以及形状，采用钻孔灌注桩的内支撑支护形式，桩间双重旋喷桩止水。围护桩直径1 200 mm，桩间距1 600 mm，采用四道支撑，支撑采用700 mm×700 mm的钢筋混凝土支撑。支护桩顶设置冠梁，将桩连成整体。冠梁到地面的范围内砌筑挡土墙，钻孔灌注桩间设置的作为止水帷幕的旋喷桩直径600 mm。

2.2 支护体系结构受力分析

为分析支护结构受力状态及其演化规律，采用二分之一分割法、简支梁法、整体等值梁法、分段等值梁法和Terzaghi-Peck经验法进行了理论分析。土层的强度参数为：黄土及黄土状土，c=20 kPa～35 kPa，φ=17°～19.6°；粉砂及非黏性土，c=0 kPa～5 kPa，φ=19.7°～20.5°。为了计算方便，各参数取平均值，土体重度γ=19 kN/m3。

根据在预置的混凝土支撑中埋设的轴力计以及支护桩纵向钢筋上焊接的钢筋应力计，及时监测支撑轴力和支护桩纵向钢筋应力的变化，对比各种理论分析方法的适用性。基坑支护的立面布置形式如图6所示。

1)不同方法支撑轴力对比分析。不同理论计算方法与实测轴力结果见图7。从图7中可以发现，在H深度范围以上，实测结果与Terzaghi-Peck经验法的计算结果非常接近。超过深度H,分段等值梁的计算结果慢慢靠近实测结果。随着深度的增加，分段等值梁的计算结果越来越接近实测结果。这是因为实际上支护结构土压力的分布与支护结构的位移有较大的关系。朗肯主动土压力是土体达到破坏时的临界状态，要求支护结构的位移必须达到一定的程度。而实际土压力一般达不到极限土压力。因此，支护结构上部支撑结构的轴力按朗肯主动土压力计算出来的结果偏小。而Terzaghi-Peck经验法部分考虑了支护结构刚度以及位移对土体压力分布的影响，H深度范围以上采用Terzaghi-Peck经验法比较符合工程实际。H深度以下，随着深度的增加，土体的竖向应力线性增长，作用在支护结构上的侧压力也相应增长，而Terzaghi-Peck经验法没有反映土压力随深度增长的变化过程。而且随着基坑开挖深度的加大，支护结构的整体刚度相对下降，支护结构对土压力的分布影响减弱，作用在支护结构上的土压力相对而言更接近朗肯土压力分布，其计算模型更接近于分段等值梁法。