1、水泥土墙水泥土墙灌注桩排桩悬臂式支护结构 悬臂式支护结构示意图如图42所示。悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土桩排桩墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等型式。钢筋混凝土桩常采用钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、沉管灌注桩及预制桩。悬臂式支护结构依靠足够的人土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构的安全。悬臂式结构对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，对相邻建(构)筑物产生不良影响。图42 悬臂式支护结构 悬臂式支护结构适用于土质较好、开挖深度较浅（一般在6m以内）的基坑工程。 单(多)支点混合支护结构 单(多)支点混合支护结构是指在基坑开挖面以上的任何位置上提供单个或多个支点与挡土结构结合
2、而成的混合支护结构。混合支护结构有内撑式支护结构和拉锚式支护结构。 混合支护结构适用于基坑较深，悬臂式支护结构无法满足强度与变形要求的工程。 内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成。支护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑及多层水平支撑，分别如图43、图44所示。内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管(或型钢)支撑两种。钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢管可以回收，且加预压力方便。有的采用空间结构体系，图45为一基坑工程空间结构支撑体系示意图。 单支撑支护结构 多支撑支护结构 空间支护体系 图43 图44
3、图45 拉锚式支护结构由支护结构体系和锚固体系两部分组成。支护结构体系同于内撑式支护结构。锚固体系可分为锚杆式（图46）和地面拉锚式（图47）两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、多层锚杆。地面拉描式需要有足够的场地设置锚桩，或其它锚固物。锚杆式需要地基土能提供锚杆较大的锚固力。锚杆较适用于砂土地基，或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。 图46 双层锚杆 图47 地面拉锚第三章第三章 排桩的设计排桩的设计3.1 悬臂桩的设计计算悬臂桩的设计计算3.1.1 计算原理计算原理 悬悬臂臂桩桩主主要要依依靠靠嵌嵌入入土土内内的的深深度度，来来平平衡衡自自重重应应力
4、力、地地面面荷荷载载及及渗渗流流等等形形成成的的侧侧压压力力。因因此此首首先先要要计计算算插插入入深深度度。其其次次还还要要计计算算桩桩所所承承受受的的最最大大弯弯距距，以以便便核核算算钢钢板板桩桩的的截截面及灌注桩直径和配筋。面及灌注桩直径和配筋。 悬悬臂臂桩桩看看似似一一端端固固定定的的悬悬臂臂梁梁，实实际际上上二二者者有有根根本本的的不不同同之之处处。首首先先是是悬悬臂臂桩桩难难以以确确定定固固定定端端位位置置，因因为为桩桩在在两两侧侧土土压压力力作作用用下下，每每个个截截面面都都会会发发生生水水平平方方向向的的位位移移和和转转角角变变形形。其其次次，嵌嵌入入坑坑底底以以下下部部分分的的
5、作作用用力力很很复复杂杂，难难于于确确定定。因因而而期期望望以以悬悬臂臂梁梁为为基基本本构构件件体体系系，考考虑虑桩桩墙墙和和土土体体的的变变形形一一致致来来进进行行解解题题将将是是非非常常复复杂杂的的。现现行行的的计计算算方方法法均均是是：先先对对构构件件在在整整体体失失稳稳时时的的两两侧侧荷荷载载分分布布作作一一些些假假设设，然后简化为静定的平衡问题来进行解题。然后简化为静定的平衡问题来进行解题。目目前前悬悬臂臂桩桩的的计计算算方方法法有有四四类类：静静力力平平衡衡法法，杆杆系系有有限限单单元元法法，共共同同变变形形法法和和有有限限单单元元法法。静静力力平平衡衡法法简简单单而而近近似似，在
6、在工工程程设设计计计计算算中中被被广广泛泛应应用用；后后三三种种方方法法正正成成为为研研究究的的热热门门，但但要要广广泛泛用用于于工工程程设设计计计计算算尚尚待进一步发展。下面重点介绍一下静力平衡法。待进一步发展。下面重点介绍一下静力平衡法。古古典典的的静静力力平平衡衡法法认认为为悬悬臂臂桩桩在在主主动动土土压压力力作作用用下下，将将趋趋向向于于绕绕桩桩上上的的某某一一点点发发生生转转动动，从从而而使使土土压压力力的的分分布布发发生生变变化化。桩桩后后土土压压力力由由主主动动土土压压力力转转到到被被动动土土压力，而桩前土压力则由被动土压力转到主动土压力。压力，而桩前土压力则由被动土压力转到主动
7、土压力。静力平衡法常用的土压力分布形式如下页图所示，静力平衡法常用的土压力分布形式如下页图所示，(a)图比较接近实际的土压力分布，是实际曲线的初步简化，(b)图是H.Blum的进一步简化，将旋转点以下的被动土压力近似的用一个通过其中心的集中力代替。(a)图中的插入深度t0可用(b)图中的x代替，但必须满足绕C点的静力平衡条件。(a) (b) 3.1.2 嵌固深度计算嵌固深度计算悬臂式支护结构插入坑底的深度悬臂式支护结构插入坑底的深度不同，其变形情况有所不同。不同，其变形情况有所不同。第第一种情况：一种情况：若插入深度较深，支若插入深度较深，支护结构向坑内倾斜较小时，下端护结构向坑内倾斜较小时，
8、下端B B处没有位移处没有位移. .第二种情况：第二种情况：若支护若支护结构插入深度较浅，当达到最小结构插入深度较浅，当达到最小插入深度插入深度DminDmin, ,它的上端向坑内倾它的上端向坑内倾斜较大，下端斜较大，下端B B向坑外位移，若插向坑外位移，若插入深度小于入深度小于DminDmin，支护结构丧失支护结构丧失稳定，顶部向坑内倾斜。稳定，顶部向坑内倾斜。（1）第一种情况（规范法）hhpEa1Ea2Ea4Ea3EaEP1EP2EP桩墙底以上基坑内侧各土层被动土压力合力之和桩墙底以上基坑外侧各土层主动土压力合力之和合力作用点至桩、墙底的距离合力作用点至桩、墙底的距离h、 分别为基坑挖深和
9、桩墙入土深度 hhpEa1Ea2Ea4Ea3EaEP1EP2EP当确定悬臂式及单支点支护结构嵌固深度设计值（构造要求） 当基坑底为碎石土及砂土，基坑内排水且作用有渗透压力时，嵌固深度设计值还应满足下式抗渗稳定条件：（2）第二种情况-布鲁姆法（Blum）由于支护结构绕一点C转动，B点向外移动。那么，从力的平衡来看，B点必然受到向坑内的被动土压力和向坑外的主动土压力，这两个力抵消后等于布鲁姆法（BlumBlum） 布鲁姆法的基本原理如下图，用原来板桩脚出现的被动土压力以一个集中力Ep代替。 如图（a）所示，对桩底C点取矩，则有式中P为主动土压力、水压力的合力；a为合力P距地面的距离；lh+u；u为
10、土压力零点距坑底的距离。 u可根据净土压力零点处板桩前被动土压力强度与墙后主动土压力强度相等的关系求得，即 上述求出x和u，但由于土体阻力的增加一般不会是线性的，在采用MC = 0确定计算深度时，会有一点的误差，因此Blum建议将计算出的x增加20%，因而悬臂桩插入坑底的深度 t = 1.2x +，3.1.3 最大弯矩计算悬臂桩桩身最大弯矩发生在在基坑底面以下剪力为零处，该点到坑底的距离为x，令该点为o点，即该点以上的主、被动土压力合力相等： 由该式可求得x ； o以上 和 对点o力矩的代数和，即最大桩身计算弯矩 。注意，该值系指沿桩身在基坑侧壁每延长米上所承受的最大弯矩，其单位为 ，而每根桩
11、桩身所受最大弯矩，还需将该值乘以桩的间距，即 式中， 的单位为 ；例题例题3-1（P123，例，例6.1）某基坑开挖深度h=4.5m，土层重度=20kN/m3，内摩擦角=20，粘聚力c=10kPa，地面超载q0=10kPa，现拟采用悬臂式排桩支护，试确定桩的最小长度和最大弯矩。解 沿支护墙长度方向取1延米进行计算主动土压力系数：被动土压力系数：基坑开挖地面处土压力强度：土压力零点据开挖面的距离 开挖面以上桩侧地面超载引起的土压力 ：其作用点据地面的距离 ：开挖面以上桩后侧主动土压力：其作用点距地面的距离 桩后侧开挖面至土压力零点净土压力 ：其作用点据地面的距离 ：作用于桩后的土压力合力 ：其作
12、用点距地面的距离 将上面计算得到的 值代入下式：经整理得：解得：取增大系数为1.3，则桩的最小长度为：最大弯矩点据土压力零点的距离为： 最大弯矩为单支撑（锚拉）支护结构内力计算的计算方法主要有以下几类：（1）古典钢板桩计算理论 将土压力作为已知荷载，不考虑墙体的变形，亦不考虑支撑的变形，将有支撑处视为墙体的刚性支承点。这种方法对于自由端支承（浅埋）有静力平衡法，对于弹性嵌固支承（深埋）有等值梁法。（2）弹性支点法 将土压力作为已知荷载，考虑墙体的变形和支承的变形，有支承处都作为墙体的弹性支承点。（3）共同变形理论 土压力随着墙体的变位而变化，考虑墙体和支承的变形。如包括土体的有限单元法，森重龙
13、马法。3.2 单支点排桩单支点排桩的设计计算的设计计算（1 1）静力平衡法）静力平衡法 静力平衡法适用于单支撑（锚拉），桩墙入土深度较浅，视为单支点梁时的计算，计算简图见下图。将墙前的土压力和墙后的土压力对对A A点取矩点取矩，要保持墙体不发生转动，应有MA0，即： 由此可求出入土深度t，然后根据水平方向力的平衡条件水平方向力的平衡条件可求出支承（或锚杆）的轴力R： （2 2）等值梁法）等值梁法 等值梁法用于计算桩墙下端为弹性嵌固时的情况，通常围护结构需要有较大的插入深度。 等值梁法首先假定在桩墙底部墙后的被动土压力为一集中力，如图。桩墙为一超静定梁，要利用变形协调条件才能求解其内力。 为了避
14、免利用变形协调条件，等值梁法假定：静土压力零点同时也是弯矩零点，如图中B点。在确定了土压力之后，土压力零点B也就确定了，然后将桩墙从B点断开，由于B点的弯矩为零可视为铰支点，那么AB就为一简支梁，即可求其内力。称B点以上的一段梁为整段梁的等值梁。下段梁BG也按简支梁计算。 实际上，对于下端弹性支承的单支撑桩墙，其净土压力零点和弯矩零点很接近，这是等值梁法假定的基础。等值梁法的计算步骤如下： （1）计算坑下零弯点到坑底的距离如上所述，零弯点与土压力为零点非常靠近，所以，在计算中，可以土压力为零点代替零弯点，即：（2）设锚支点到坑底的距离为 ，则锚拉力为：如锚杆（支撑）水平间距为 ，则每根锚杆或支
15、撑受到的水平荷载为： （3）计算设计桩长。由下式通过试算法可求得计算嵌固深度 将该值与 比较，取大值，即设计嵌固深度，设计桩长 （4）计算桩身最大弯矩设计值。设最大弯矩出现在距桩顶 x 处，（设该点为D）取该点以上为隔离体，由材料力学知，最大弯矩发生在剪力为零处，即：单层锚拉桩的计算步骤 计算坑下零弯点到坑底的距离计算锚拉力 ，以及设计锚拉力计算设计桩长计算桩身最大弯矩设计值 桩身截面尺寸和配筋验算与悬臂桩同 桩顶水平位移计算：以锚支点为固端，按悬臂梁计算桩顶水平位移 例题3.2某基坑挖深 13m，场地土： 地面超载 。用一道锚杆，锚杆与水平面倾角 ，位置在地面以下4.5m，试计算设计桩长、桩
16、身最大弯矩设计值、锚杆拉力设计值。桩间距1.5m，一桩一锚，基坑侧壁安全等级为二级。 （1）参数计算：（2）计算零弯点至坑底的距离：（3）计算锚杆拉力设计值： 将以上数值代入下式 ： （4）计算设计桩长 ：（设入土深度为hd） 锚杆拉力设计值 ： 代入数值，即 化简后得： 或： 令： 取 设计桩长 （5）求最大弯矩设计值 解得 某基坑挖深h=15m，场地土重度1=18kN/m3 ,c1=9.7kPa ，1=13.3；地面超载q=10 kPa 。用一道锚杆，锚杆与水平面倾角=13.3 ，位置在地面以下4.5m，桩间距1.5m，一桩一锚，基坑侧壁安全等级为二级。试计算设计桩长、桩身最大弯矩设计值、锚杆拉力设计值。练习题练习题平面计算时，排桩与地下连续墙的计算方法相同。三维计算时，连续墙应考虑墙体的整体性。考虑接头刚度的影响，可以传递轴力和剪力，但不能完全传递弯矩。空间效应明显。3.3 3.3 多支点排桩（地下连续墙）多支点排桩（地下连续墙）的设计计算的设计计算实测土压力情况：天津市建筑科学研究所对深基坑支护工程的侧土压力作了模型实验和工程实测。（金鸣等，天津市建筑科学研究所，软土地基深基坑
