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排桩支护设计与计算
8.7.1概述
基坑开挖事，对不能放坡或由于场地限制而不能采用搅拌桩支护，开挖深度在6~10米左右时，即可采用排桩支护。排桩支护可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩。

图8-4排桩支护的类型
排桩支护结构可分为：
（1）柱列式排桩支护 当边坡土质尚好、地下水位较低时，可利用土拱作用，以稀疏
钻孔灌注桩或挖孔桩支挡土坡，如图8-4a所示。
（2）连续排桩支护（图8-4b）在软土中一般不能形成土拱，支挡结构应该连续排。
密排的钻孔桩可互相搭接，或在桩身混凝土强度尚未形成时，在相邻桩之间做一根素混凝土树根桩把钻孔桩排连起来，如图8-4c所示。也可采用钢板桩、钢筋混凝土板桩，如图8-4d、e所示。
（3）组合式排桩支护 在地下水位较高搭 软土地区，可采用钻孔灌注排桩与水泥土桩防渗墙组合的方式，如图8-4f所示。
按基坑开挖深度及支挡结构受力情况，排桩支护可分为一下几种情况。
（1）无支撑(悬臂)支护结构：当基坑开挖深度不大，即可利用悬臂作用挡住墙后土体。
（2）单支撑结构：当基坑开挖深度较大时，不能采用无支撑支护结构，可以在支护结构顶部附近设置一单支撑（或拉锚）。
（3）多支撑结构：当基坑开挖深度较深时，可设置多道支撑，以减少挡墙挡压力。根据上海地区的施工实践，对于开挖深度<6m的基坑，在场地条件允许的情况下，可采用重力式深层搅拌桩挡墙较为理想。当场地受限制时，也可采用φ600mm密排悬臂钻孔桩，桩与桩之间可用树根桩密封，也可采用灌注桩后注浆或打水泥搅拌桩作防水帷幕；对于开挖深度在4～6m的基坑，根据场地条件和周围环境可选用重力式深层搅拌桩挡墙，或打入预制混凝土板桩或钢板桩，其后注浆或加搅拌桩防渗，设一道檩和支撑也可采用φ600mm钻孔桩，后面用搅拌桩防渗，顶部设一道圈梁和支撑；对于开挖深度为6～10米的基坑，以往采用φ800～1000mm的钻孔桩，后面加深层搅拌桩或注浆放水，并设2～3道支撑，支撑道数视土质情况、周围环境及围护结构变形要求而定；对于开挖深度大于10m的基坑，以往常采用地下连续墙，设多层支撑，虽然安全可靠，但价格昂贵。近来上海常采用φ800～1000mm大直径钻孔桩代替地下连续墙，同样采取深层搅拌桩放水，多道支撑或中心岛施工法，这种支护结构已成功用于开挖深度达到13米的基坑。

图8-5 悬臂板桩的变位及土压力分布图
a.变位示意图 b.土压力分布图 c.悬臂板桩计算图 d. Blum 计算图式
8.7.2 悬臂式排桩支护设计和计算
悬臂式排桩支护的计算方法采用传统的板桩计算方法。如图8-5所示，悬臂板桩在基坑底面以上外侧主动土压力作用下，板桩将向基坑内侧倾移，而下部则反方向变位．即板桩将绕基坑底以下某点(如图中b点)旋转。点b处墙体无变位，故受到大小相等、方向相反的二力(静止土压力)作用，其净压力为零。点b以上墙体向左移动，其左侧作用被动土压力，右侧作用主动土压力；点b以下则相反，其右侧作用被动土压力，左侧作用主动土压力。因此，作用在墙体上各点的净土压力为各点两侧的被动土压力和主动土压力之差，其沿墙身的分布情况如图8-5b所示，简化成线性分布后的悬臂板桩计算图式为图8-5c，即可根据静力平衡条件计算板桩的入上深度和内力。H.Blum又建议可以图8-5d代替，计算入土深度及内力。下面分别介绍下面两种方法。
1.静力平衡法
图8-5表示主动土压力及被动土压力随深度呈线性交化，随着板桩入土深度的不同，作用在不同深度上各点的净土压力的分布也不同。当单位宽度板桩墙两侧所受的净土压力相平衡时，板桩墙则处于稳定，相应的板桩入土深度即为板桩保证其稳定性所需的最小入
土深度，可根据静力平衡条件即水平力平衡方程(å
=
0
H
)和对桩底截面的力矩平衡方程()。
(1).板桩墙前后的土压力分布
第n层土底面对板桩墙主动土压力为
(8-1)
第n层土底面对板桩墙底被动土压力为
(8-2)
式中 ——地面递到n层土底面底垂直荷载；
——i层土底天然重度；
——i层土的厚度；
——n层土的内摩擦角；
——n层土的内聚力;
对n层土底面的垂直荷载，可根据地面附加荷载、邻近建筑物基础底面附加荷载分别计算。

图8-6 静力平衡法计算悬臂板桩
地面几种荷载可折算成均布荷载：1) 繁重的起重机械：距板桩1.5m内按60kN/m2取值；距板桩1.5～3.5m，按40kN/m2取值；2) 轻型公路：按5kN/m2；3) 重型公路：按10kN/m2；4) 铁道：按20kN/m2。
对土的内摩擦角及内聚力按固结快剪方法确定。当采用井点降低地下水位，地面有排水和防渗措施时，土的那摩擦角值可酌情调整：
1) 板桩墙外侧，在井点降水范围内，值可乘以1.1～1.3；
2) 无桩基的板桩内侧，值可乘以1.1～1.3；
3) 有桩基的板桩墙内侧，在送桩范围内乘以1.0；在密集群桩深度范围内，乘以1.2~4；
4) 在井点降水土体固结的条件下，可将土的内聚力值乘以1.1～1.3。
墙侧的土压力分布如图8-6所示。
(2).建立并求解静力平衡方程，求得板桩入土深度
1） 计算桩底墙后主动土压力及墙墙被动土压力，然后进行迭加，求出第一个土压力为零的，该点离坑底距离为u；
2） 计算d点以上土压力合力，求出至d点的距离y；
3） 计算d点处墙前主动土压力及墙后被动土压力；
4） 计算柱底墙前主动土压力和墙后被动土压力；
5） 根据作用在挡墙结构上的全部水平作用力平衡条件和绕挡墙底部自由端力矩总和
为零的条件:
（8-3）
（8-4）
整理后可得t0的四次方程式:
（8-5）
式中
求解上述四次方程，即可得板桩嵌入d点以下的深度t0值。
为安全起见，实际嵌入坑底面以下的入土深度为
（8-6）
(3).计算板桩最大弯矩
板桩墙最大弯矩的作用点，亦即结构端面剪力为零的点。例如对于均质的非粘性土，如图8-3所示，当剪力为零的点在基坑底面以下深度为b时，即有
（8-7）
式中;
由上述解得b后，可求得最大弯矩
（8-8）
2. 布鲁姆(Blum)法
布鲁姆（H.Blum）建议以图8-3d代替8-3c，即原来桩脚出现的被动土压力以一个集中力代替，计算结果图如8-7所示。

a 作用荷载图 b 弯矩图 c 布鲁姆理论计算曲线
图8－21 布鲁姆计算简图图
如图8-7a所示，为求桩插入深度，对桩底C点取矩，根据有
（8-9）
式中
代入式（8-9）得

化简后得
（8-10）
式中 ——主动土压力、水压力的合力；
——合力距地面距离；
——土压力为零距坑底的距离，可根据净土压力零点处墙前被动土压力强度和墙后主动土压力相等的关系求得，按式（8-11）计算。
（8-11）
从式（8-12）的三次式计算求出x值，板桩的插入深度
（8-12）
布鲁姆（H.Blum）曾作出一个曲线图，如图8-7c所示可求得x。
令，代入式（8-10）得

再令，
上式即变成 （8-13）
式中m及n值很容易确定，因其只与荷载及板桩长度有关。在这式中m及n确定后，可以从图8-7c曲线图求得的n及m连一直线并延长即可求得值。同时由于x＝，得出x值，则可按式(8-14)得到桩的插入深度:
(8-14)
最大弯矩在剪力Q＝0处，设从O点往下xm处Q＝0，则有

a 土压力分布 b 弯矩图
图8-8 挖孔桩悬臂挡墙计算

(8-15)
最大弯矩
(8-16)
求出最大弯矩后，对钢板桩可以核算截面尺寸，对灌注桩可以核定直径及配筋计算。
【例 8-1】 某工程基坑挡土桩设计。可采用φ100cm挖孔桩，基坑开挖深度6.0m，基坑边堆载q＝10 kN/m2（图8-8）。
地基土层自地表向下分别为：
（1）粉质粘土：可塑，厚1.1～3.1m；
（2）中粗砂：中密～密实，厚2～5m，＝340，g＝20kN/m3；
（3）砾砂：密实，未钻穿，＝340。
试设计挖孔桩。
【解】 1.求桩的插入深度

查布鲁姆理论的计算曲线，得

桩的总长：6+5.84=11.84m，取12.0m。
2.求最大弯矩
最大弯矩位置：

最大弯矩：

3.截面配筋
预选桩径d＝100cm，钢筋保护层厚度a＝5cm，钢筋笼直径
选竖向主筋20根，沿d1均匀布置，各钢筋至x－x轴的垂直距离y1由比例图量出，如图8-9a所示。
选f 25，Ag=4.91cm2，Rg=34kN/cm2
钢筋总抗弯刚度能力

a 钢筋布置图 b 桩的布置示意图
图8-9 桩身配筋计算图
为了减少竖向钢筋用量，刻考虑受压区（靠基坑一侧的半圆截面）混凝土的抗压作用，混凝土用C15，认为Rw＝1.1kN/m2

受压区每根钢筋截面积为

构造配筋f 14，＝1.54
为了进一步减少钢筋用量，宜在桩身上部减少配筋，求弯矩点，试算地面下5.5m处土的主动土压力强度：

因此，开挖桩钢筋笼中，竖向钢筋的配置为：
上部5m：5 f 25mm＋5 f 14 mm
下部7m：10 f 25mm＋10 f 14 mm
f 14m钢筋全部配置在桩身混凝土受压区，即在面向基坑内侧的半圆内。
8.7.3 单支点排桩支护设计和计算
顶端支撑(或锚系)的排桩支护结构与顶端自由(悬臂)的排桩二者是有区别的。顶端支撑的支护结构，由于顶端有支撑而不致移动而形成一铰接的简支点。至于桩埋入土内部分，入上浅时为简支，深时则为嵌固。下面所介绍的就是桩因入土深度不同而产生的几种情况。
1)支护桩入土深度较浅，支护桩前的被动土压力全部发挥，对支撑点的主动上压力的力矩和被动土压力的力矩相等(图8-10a)。此时墙体处于极限平衡状态，由此得出的跨间正弯矩Mmax其值最大，但入土深度最浅为tmin。这时其墙前以被动土压力全部被利用，墙的底端可能有少许向左位移的现象发生。
2)支护桩入土深度增加，大于tmin时(图8-10b)，则桩前的被动土压力得不到充分发
挥与利用，这时桩底端仅在原位置转动一角度而不致有位移现象发生，这时桩底的土压力便等于零。未发挥的被动土压力可作为安全度。

图8-10不同入土深度的板桩墙的土压力分布、弯矩及变形图
3)支护桩入土深度继续增加，墙前墙后都出现被动土压力，支护桩在土中处于嵌固状态，相当于上端简支下端嵌固的超静定梁。它的弯矩己大大减小而出现正负二个方向的弯矩。其底端的嵌固弯矩M2的绝对值略小于跨间弯矩M1的数值，压力零点与弯矩零点约相吻合(图8-10c)。
4)支护桩的入土深度进一步增加(图8-10d)，这时桩的入土深度己嫌过深，墙前墙后的被动土压力都不能充分发挥和利用，它对跨间弯矩的减小不起太大的作用，因此支护桩入土深度过深是不经济的。
以上四种状态中，第四种的支护桩入土深度已嫌过深而不经济，所以设计时都不采用。第三种是目前常采用的工作状态，一般使正弯矩为负弯矩的110％~115％作为设计依据，但也有采用正负弯矩相等作为依据的。由该状态得出的桩虽然较长，但因弯矩较小，可以选择较小的断面，同时因入土较深，比较安全可靠：若按第一、第二种情况设计，可得较小的入土深度和较大的弯矩，对于第一种情况，桩底可能有少许位移。自由支承比嵌固支承受力情况明确，造价经济合理。
1、自由端单支点支护桩的计算（平衡法）
图8-11是单支点自由端支护结构的断面，桩的右面为主动土压力，左侧为被动土压力。可采用下列方法确定桩的最小入土深度tmin和水平向每延米所需支点力(或锚固力)R。
如图8-11所示，取支护单位长度，对A点取矩，令MA＝0，，则有
（8-17）
（8-18）
式中 、—基坑底以上及以下主动土压力合力对A点的力矩；
—被动土压力合力对A点的力矩；
、—基坑底以上及以下主动土压力合力；
—被动土压力合力。

图8-11 单支点排桩支护的静力平衡计算简图
2、等值梁法
等值梁法是前面介绍的图解一分析法的简化。桩入坑底土内有弹性嵌固(铰结)与固定两种，现按前述第三种情况，即可当作—端弹性嵌固另一端简支的梁来研究。档墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力与被功土压力，如图8-12a所示。在计算道程中所要求出的仍是桩的入土深度、支撑反力及跨中最大弯矩。

图8-12 等值梁法计算简图
单支撑挡墙下端为弹性嵌固时，其弯矩图如图8-12c所示，若在得出此弯矩图前已知弯矩零点位置，并于弯矩零点处将粱(即桩)断开以简支计算，则不难看出所得该段的弯矩图将同整梁计算时一样，此断梁段即称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净土压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。这种简化计算法就称为等值梁法，其计算步骤如下(图8-12)：
(1) 根据基抗深度、勘察资料等，计算主动土压力与被动土压力，求出土压力零点B
的位置，按式(8-11)计算B点至坑底的距离u值；
(2) 由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反力Ra及B点剪力QB
（8-19）
（8-20）
（3）由等值梁BG求算板桩的入土深度，取，则

由上式求得
（8-21）
由上式求得x后，桩的最小入土深度可由下式求得
（8-22）
如桩端为一般的土质条件，应乘系数1.1～1.2，即
（8-23）
（4）由等值梁求算最大弯矩Mmax值。

图8-13 地质资料和土压力分布
【例 8-2】某工程开挖深度10.0m，采用单点支护结构，地质资料和地面荷载如图8－27所示。试计算板桩。
【解】采用等值梁法计算
1.主动土压力计算
g、c、值按25米范围内的加权平均值计算得：

2.计算土压力零点位置

3.计算支撑反力Ra和QB

4.计算板桩的入土深度t

取 t＝13.0m ， 板桩长 10+13=23m
5. 最大弯矩Mmax的计算
先求Q＝0的位置x0，再求该点Mmax。

8.7.4多支点排桩支护的计算
当基坑比较深、土质较差时，单支点支护结构不能满足基坑支挡的强度和稳定性要求时，可以采用多层支撑的多支点支护结构。支撑层数及位置应根据土质、基坑深度、支护结构、支撑结构和施工要求等因素确定。
目前对多支撑支护结构的计算方法很多，一般有等值梁法（连续梁法）；支撑荷载的1/2分担法；逐层开挖支撑力不变法；有限元法等。

图8-14 各施工阶段的计算简图
目前对多支撑支护结构的计算方法很多，一般有等值梁法、静力平衡法、支撑荷载的1/2分担法、侧向弹性地基抗力法、有限元法等。下面主要介绍前二种计算方法。
1、等值梁法
多支撑的等值梁法的计算原理与单支点的等值梁法的计算原理相同，一般可当作刚性支承的连续梁计算(即支座无位移)，并应根据分层挖土深度与每层支点设置的实际施工阶段建立静力计算体系，而且假定下层挖土不影响上层支点的计算水平力。如图8-14所示的基坑支护系统，应按以下各施工阶段的情况分别进行计算。
1） 置支撑A以前的开挖阶段（图8-14a）,可将挡墙作为一端嵌固在土中的悬臂桩。
2） 在设置支撑B以前的开挖阶段（图8-14b），挡墙是两个支点的静定梁，两个支点分别是A及土中静压力为零的一点。
3） 在设置支撑C以前的开挖阶段（图8-14c），挡墙是具有三个支点的连续梁，三个支点分别为A、B及土中的土压力为零的点。
4） 在浇筑底板以前的开挖阶段（图8-14d），挡墙是具有四个支点的三跨连续梁。
以上各施工阶段，挡墙在土内的下端支点，已知上述取土压力零点，即地面以下的主动土压力与被动土压力平衡之点。但是对第2阶段以后的情况，也有其他一些假定，常见的有：
1） 最下一层支撑以下主动土压力弯矩和被动压力弯矩平衡之点，亦即零弯矩点；
2） 开挖工作面以下，其深度相当于开挖高度20％左右的一点；
3） 上端固定的半无限长度弹性支撑梁的第一个不动点；
4） 对于最终开挖阶段，其连续梁在土内的理论支点取在基坑底面以下0.6t处（t为基坑底面以下墙的入土深度）。

图8-15 北京京城大厦地质剖面及锚杆示意图
【例 8-3】 北京京城大厦，超高层建筑，地上52层，地下4层，地面以上高183.53m，箱形基础，埋深23.76m（按23.5m计算），采用进口27m长的H型钢桩（488mm×300mm）挡墙土，锤击打入，间距1.1m。三层锚杆拉结。地质资料如图8-15所示。
各层土平均重度γ＝19Kn/m3，土的内摩擦角平均为300,粘聚力c=10kPa，23m以下为卵石，贯入度大于100,φ=350~430,潜水位于的圆砾石中，深10m内有上层滞水。地面荷载按10kN/m2计。
1.参数计算

上式中被动土压力系数采用库仑公式，考虑到桩已在基坑下砂卵石中，取值为360，约为250，，。
2.土压力为零（近似零弯点）距离基坑底面距离的计算

3．计算固端弯矩
基坑支护简图如图8-30所示。将支护桩画成一连续梁，其荷载为土压力(图8-31)。
1) 连续梁AB段悬臂部分弯矩

图8-16 基坑支护简图 图8-17 挡墙作为连续梁计算简图
2) 梁BC段：
3) 梁CD段：

4) 梁DEF段：F点为零弯矩点，D点的弯矩为

4.弯矩分配
计算固端弯矩不平衡，需要弯矩分配法来平衡支点C、D的弯矩。通过弯矩分配，得出各支点的弯矩为

5.求各支点反力

各种工况下，各层锚杆的支点反力及正负弯矩值汇总于表8-5，上述计算结果主要反映在工况4中。
表8-5 各层锚杆的支点反力及正负弯矩表
工况
开挖
深度
/m
第一层锚杆
第二层锚杆
第三层锚杆
RB
/kN
MB
/kN×m
MBC
/kN×m
RC
/kN
MC
/kN×m
MCD
/kN×m
RD
/kN
MD
/kN×m
MDF
/kN×m
1
-5.5

491.5

2
-12.5
363.6
-183.3
535.0

3
-18.5
196.2
-158.3
116.0
578.5
-416.8
545.8

4
-23.5
167.2
-171.8
142.6
434.7
-235.8
72.0
896.9
-486.0
395.9

6.复核488H型钢的强度
进口的488×300H型钢的截面系数Wx＝2910cm3，[]=200MPa,计算最大弯矩MCD＝545.8kNm,H型钢中距为1.1m，因此
548.5×1.1=600.4

< []×105％=200×105％＝210（满足）
7. H型钢插入深度计算
已计算出土压力零点 u＝0.69m
按式（8-21）计算x

H型钢桩底已打入砂卵石层，实际H型钢桩长27m，即入土3.5m。
2、支撑荷载的1/2分担法
支撑荷载的1/2分担法是多支撑支护结构的一种简化计算方法，计算较为简便。
Terzaghi和Peck根据柏林和芝加哥等地铁工程基坑挡土结构支撑受力测定，以包络图为基础，以1/2分担法将支撑轴力转化为土压力，提出土压力分布图，见图8-18。反之，如土压力分布图已确定(设计计算时必须确定土压力分布)，则可以用1/2分担法来计算多支撑的受力，这种方法不考虑桩、墙体支撑变形，每道支撑承受的相邻上下个半跨的压力(土压力、水压力、地面超载等)。

图 8－18 支撑荷载的1/2分担法
当土压力强度为q，对于连续梁，最大支座弯矩为M=ql2/10，最大跨中支座弯矩为M=ql2/20。这种方法由于荷载图式多采用实测支撑力反算的经验包络图，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。