雙排樁支護(hù)設(shè)計(jì)

張義強(qiáng) 何小飛

1.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 100040;2. 北京市機(jī)械施工有限公司 100045

雙排樁支護(hù)設(shè)計(jì)

張義強(qiáng)1何小飛2

1.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 100040;2. 北京市機(jī)械施工有限公司 100045

本論文以某一具體工程局部支護(hù)設(shè)計(jì)為例，使用同濟(jì)啟明星計(jì)算軟件計(jì)算不同模式下雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，確定某一比較合理的計(jì)算模型或是得到某一范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，同時(shí)驗(yàn)證了施工方案的合理性。為今后類似工程的設(shè)計(jì)和施工，提供一定的參考。

支護(hù)結(jié)構(gòu); 計(jì)算模型; 雙排樁; 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.地理位置

北京奧林匹克公園中心區(qū)地下空間（商業(yè)）Ⅱ標(biāo)段位于北京市朝陽(yáng)區(qū)奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)。其總占地面積約8.45公頃，建筑面積16.06萬(wàn)平方米。場(chǎng)區(qū)自然地面絕對(duì)標(biāo)高為44.00m，±0的絕對(duì)標(biāo)高為41.70m。基坑開(kāi)挖深度主要有三種，分別為16.98m、18.64m和18.98m。場(chǎng)區(qū)東側(cè)為地下聯(lián)系通道Ⅱ標(biāo)段，開(kāi)挖深度約為16.00m，其正在進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工；西側(cè)為同期施工的下沉花園，開(kāi)挖深度為12.68m；北側(cè)距大屯路約30m，南側(cè)距中一路約20m。

2.工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)內(nèi)土層按其成因年代劃分為人工堆積層、新近沉積層及第四紀(jì)沉積層共3大類。涉及基坑邊坡支護(hù)的土層參數(shù)見(jiàn)表1。

3.水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布的第1層地下水（臺(tái)地潛水）為天然動(dòng)態(tài)類型，屬滲入－蒸發(fā)、徑流型。其水位年動(dòng)態(tài)變化規(guī)律一般為：6月份～9月份水位較高，其它月份相對(duì)較低，年變化幅度一般為3～4m。第2層、第3層地下水（層間水）為天然動(dòng)態(tài)類型屬滲入－徑流型；其水位年變化幅度一般為2m左右。第4層地下水（潛水）為天然動(dòng)態(tài)類型屬于滲入－徑流型；其水位變化規(guī)律一般為：11月份～來(lái)年3月份水位較高，其它月份水位相對(duì)較低，其水位年變化幅度一般為5～6m。地下水位情況見(jiàn)表2。

表1 土層參數(shù)

表2 地下水水位量測(cè)情況一覽表

4.東南角支護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基坑南側(cè)設(shè)置一東西貫通的管廊（其寬度為3.70m），其標(biāo)高為-7.10（該管廊上部需預(yù)留30mm的土層采用人工清除）。

在施工基坑?xùn)|南角處時(shí)發(fā)現(xiàn)上部約3.5m范圍內(nèi)存在大量破碎殘余管道及其原狀結(jié)構(gòu)。原設(shè)計(jì)中，該處采用上部土釘墻，下部護(hù)坡樁＋預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)（土釘墻支護(hù)高度為11.80m，樁錨支護(hù)高度為5.20m）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，該處土釘成孔長(zhǎng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，原方案無(wú)法進(jìn)行施工。對(duì)該處需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如下，管廊的上部3.5m內(nèi)采用坡度為1：0.3的土釘墻進(jìn)行支護(hù)，3.5m以下采用護(hù)坡樁＋一道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，護(hù)坡樁樁頂標(biāo)高為-0.80。管廊下部采用護(hù)坡樁＋兩道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，護(hù)坡樁樁頂標(biāo)高為-7.17（見(jiàn)圖1和圖2）。管廊上下兩排樁預(yù)留施工工作面均為1000mm，護(hù)坡樁樁徑均為600mm，樁間距均為1.20m。

圖1 東南角支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 東南角支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖3 東南角支護(hù)結(jié)構(gòu)效果圖

5.東南角支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

施工中該區(qū)域采用啟明星計(jì)算軟件進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。將開(kāi)挖深度分為兩部分進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算。第一部分管廊上部基坑開(kāi)挖深度為9.8m，采用Φ600@1200灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)為12.8m，樁頂標(biāo)高為0m。計(jì)算時(shí)考慮地面超載20kPa，詳見(jiàn)圖4。

圖4 管廊上部支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式

第二部分管廊下部7.88米圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算書管廊上部按挖土模式（在計(jì)算模式中將管廊上部垂直土層去掉，使得在計(jì)算中更接近現(xiàn)實(shí)情況）考慮，挖土高度h=9.8m-0.3m(人工清漕)。管廊下部7.88m采用Φ600@1200灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)為11.88m，樁頂標(biāo)高為-9.5m。計(jì)算時(shí)考慮地面超載20kPa，詳見(jiàn)圖5。基坑附近有附加荷載如圖6和表3所示。

圖5 管廊下部支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式

圖6 附加荷載

根據(jù)以上計(jì)算模式，設(shè)置在4m、10m和14m處預(yù)應(yīng)力錨桿水平受力依次為：

管廊下部第一道預(yù)應(yīng)力錨桿為兩樁一錨，間距為2.4m，傾角為15°，錨桿的安全系數(shù)取1.1。因此得出管廊下部第一道錨桿水平受力為T=89.1×2.4×1.1=235.22KN。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，在利用同濟(jì)啟明星計(jì)算軟件計(jì)算時(shí)因按挖土模式考慮，與實(shí)際受力比較偏小。該處水平受力取值為450KN，則所取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為450/235.22＝1.91。

該區(qū)域根據(jù)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，效果良好，未出現(xiàn)任何不良現(xiàn)象。

為了確定與工程情況最貼近的計(jì)算模型，并驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)的合理性。在查閱同濟(jì)啟明星說(shuō)明書、相關(guān)計(jì)算理論工具書下，結(jié)合工程實(shí)際情況，利用同濟(jì)啟明星軟件建立下面所述的4種模式，并利用二分之一分擔(dān)法進(jìn)行手工計(jì)算加以核算。

5.1 計(jì)算模式一

將上部臺(tái)階土層按照附加荷載進(jìn)行折算。附加荷載包含兩部分：第一部分：來(lái)往人群及車輛等的作用，取荷載P為30kPa；第二部分：臺(tái)階上部層厚共計(jì)9.5m的土層荷載，該荷載作用寬度b取20米。基坑開(kāi)挖深度為7.88m，采用Φ600@1200灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)為11.88m，樁頂標(biāo)高為0m，詳見(jiàn)圖7。基坑附近附加荷載情況見(jiàn)圖8和表4。

圖7 設(shè)計(jì)模式一

圖8 附加荷載

5.2 計(jì)算模式二

將開(kāi)挖深度分成兩段，分段上部附加荷載值同計(jì)算模式一，但寬度即管廊寬度趨近于零（取0.01m），逼近于同管廊上口護(hù)坡樁一體。分段下部7.88m采用Φ600@1200灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)為11.88m，樁頂標(biāo)高為0m，詳見(jiàn)圖9。基坑附近附加荷載情況見(jiàn)圖10和表6。

表3 附加荷載相關(guān)參數(shù)

表4 附加荷載相關(guān)參數(shù)

圖9 設(shè)計(jì)模式二

圖10 附加荷載

5.3 計(jì)算模式三

考慮在上部管廊寬度趨近于零的這種極限狀態(tài)下的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。假想分段下部7.88m采用Φ600@1200灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)為11.88m，樁頂標(biāo)高為-9.5m。計(jì)算時(shí)考慮地面超載20kPa，詳見(jiàn)圖11。基坑附近附加荷載情況見(jiàn)圖12和表6。

5.4 計(jì)算模式四

假想管廊寬度為零，雙排樁趨近于一排樁。基坑開(kāi)挖深度為17.38m，采用Φ600@1200灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)為21.38m，樁頂標(biāo)高為0m。計(jì)算時(shí)考慮地面超載20kPa，詳見(jiàn)圖13。

圖11 設(shè)計(jì)模式三

圖12 附加荷載

表5 附加荷載相關(guān)參數(shù)

表6 附加荷載相關(guān)參數(shù)

6.結(jié)果分析及安全系數(shù)的確定

圖13 設(shè)計(jì)模式四

表7 各種計(jì)算模式下管廊下部預(yù)應(yīng)力錨桿受力情況

這里僅考慮管廊下部?jī)傻李A(yù)應(yīng)力錨桿的受力大小（上部的那道預(yù)應(yīng)力錨桿的算法不在本文考慮之內(nèi)）。將施工方案和以上幾種計(jì)算模式的結(jié)果比較如下，見(jiàn)表7。

從以上結(jié)果進(jìn)行比較我們可以發(fā)現(xiàn)：施工方案在計(jì)算管廊下部樁錨支護(hù)時(shí)將管廊上部按挖土模式考慮，較之將管廊上部土體按附加荷載考慮所得的結(jié)果有差異。

根據(jù)以上內(nèi)容并結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為采用施工方案和計(jì)算模式一兩種模型對(duì)于上部土體的整體側(cè)向壓力和上覆土厚度考慮均不充分，導(dǎo)致計(jì)算下部土體第一道錨桿時(shí)受力偏小，需相應(yīng)的乘以一個(gè)安全系數(shù)。

因而，在我們分析模式三和模式四可以看出，計(jì)算模式三（挖土0.01m，極限逼近于一排樁）實(shí)際上相當(dāng)于計(jì)算模式四中按一排樁考慮的受力狀態(tài)。在我們改變管廊的寬度，并相應(yīng)的采用模式三和模式四進(jìn)行試算，從相對(duì)應(yīng)的結(jié)果可以看出，管廊下口第一道預(yù)應(yīng)力錨桿的受力存在著比例關(guān)系，該比例系數(shù)基本在1.7～2.0范圍內(nèi)（計(jì)算模式四/計(jì)算模式三）。

結(jié)合以上內(nèi)容，本工程設(shè)計(jì)方案中所取安全系數(shù)是合理的。不過(guò)，在以后的工程設(shè)計(jì)中，遇到類似的情況，我們可以按計(jì)算模式三進(jìn)行計(jì)算，再乘以一個(gè)安全系數(shù)即可。此安全系數(shù)可取1.7～2.0之間。

為了進(jìn)一步確定這一安全系數(shù)，近似模擬該工程?hào)|南角管廊上下口樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，在此利用二分之一分擔(dān)法來(lái)計(jì)算支撐軸力。將管廊上下排樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)按一個(gè)整體考慮，即既考慮管廊上部部分主動(dòng)土壓力下傳，也考慮其上覆土壓力下傳。此外應(yīng)考慮管廊上部土體應(yīng)力至管廊基底部分應(yīng)力按（45°+φ/2）下傳。計(jì)算得到錨桿所受水平支撐軸力為：

7.結(jié)論

本文通過(guò)采用同濟(jì)啟明星軟件組合成不同的模式計(jì)算雙排樁問(wèn)題。通過(guò)比較，得到一種較為合理的計(jì)算模型，并按照該模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并運(yùn)用至現(xiàn)場(chǎng)施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)完成后的情況，其滿足安全要求，未出現(xiàn)任何安全隱患。因而該種計(jì)算模型對(duì)于雙排樁的設(shè)計(jì)是能起到一定的效果的。

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