论文部分内容阅读
【摘 要】 在市政工程中，挡土墙是一种重要结构物，用来保证墙后土体的稳定，常见形式有重力式挡土墙、悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙等。受墙顶位移和结构受力的要求，挡土墙墙高通常不超过 8m。挡土墙施工时，需先开挖基坑，然后顺序施工，如果施工场地不具备基坑开挖条件时，其施工适应性将会受到限制。文章将重点介绍双排桩支护结构在市政工程中的应用，以供同行参考。
【关键词】 双排桩支护结构，市政工程，应用
前言
对于上述情况，综合考虑结构安全性、施工便利性及工程造价等因素，可采用双排桩支护结构作为挡土结构，即将两排钻孔灌注桩平行布置，用冠梁将前后两排桩在桩顶处连接，形成空间框架结构，以抵抗水平土压力作用。具体结构形式见图 2。该支护结构具有整体性好，水平刚度大等优点，可有效限制结构水平变形； 可在原地面进行钻孔灌注桩施工，然后进行冠梁施工，具有施工场地要求小，施工难度小，施工技术成熟，减少土方开挖，缩短工工期等优点。近年在支护结构工程中得到了广泛应用和发展。
1 计算模式
双排桩支护结构可简化为平面框架结构，即取一列两根桩基作为计算对象。计算方法归纳如下：
（ 1） 土压力比例分配模型。将支护结构前后排桩所受土压力按滑动土体桩间体积与总体积进行比例分配，分别作用在排桩与冠梁所组成的平面框架结构上，桩底端按固结处理。
（ 2） 弹性地基梁法。按 Winkler 假定考虑各排桩所受土压力，将支护结构依据框架结构分析所得结果，分为前、后排桩和冠梁三部分分别进行计算。
（ 3） 等效刚度法。对于桩间距不大于 4 倍桩径的双排桩支护结构，可按抗弯刚度等效原则转化为悬臂板进行计算，其抗弯刚度为两排桩及桩间土抗弯刚度之和。
上述计算方法各有利弊，方法 1 较为简化，但计算误差较大； 方法 2 计算较复杂，不便于实际应用； 方法3 适用范围有局限性。本文将方法 1 和方法 2 结合使用，将土压力按体积比例分配，并结合现行规范推行的弹性地基梁法，分别计算前后排桩结构内力和位移。
1. 1 土压力分配
将双排桩支护结构前后排桩的土压力按滑动土体体积比例系数 α1和 α2分配，计算模式如图 1 所示。滑动土体体积由库仑土压力理论确定的滑移面、地面线以及前后排桩位置综合确定。
式中，L 和 L0分别表示桩排距和墙后滑动土体水平投影长度。
前排桩土压力最大值 PA位于支护结构前排桩悬臂根部，其上土压力三角形分布，以下土中部分土压力为等值矩形分布； 后排桩桩后上部土压力三角形分布，最大值为 PB，位于由库仑土压力理论确定的滑移面与后排桩相交处，离地面深度 Z0。各排桩土压力最大值 PA和 PB取值如式（ 3） 、式（ 4） 所示。
式中，H为挡土墙的悬臂高度； Ka为主动土压力系数； q 为墙后土体表面附加荷载； P 为墙体悬臂根部的计算朗金主动土压力。
1. 2 桩基内力计算
在确定前后排桩所受土压力后，将其视为桩底嵌固的竖直弹性地基梁，冠梁與桩的连接为只发生平动不发生转动的刚性连接，挡土墙悬臂以下土体和桩间土 Z0深度以下土体对桩的约束用土弹簧来模拟，地基水平基床系数 K 取沿深度线性增加的“m”法分布，如式（ 5） 所示。
K = mz （ 5）
结构计算时，应用有限元法建立双排桩框架模型，边界条件按弹性支撑考虑，同时使用线性荷载模拟桩身土压力，利用公式（ 6） 所示桩的基本挠曲方程求出各单元位移和内力。
2 工程实例分析
（ 1） 工程概况。某地道桥引道挡土支护结构，挡土墙前后高差为 9. 6m，墙后为辅道，双向 2 车道标准； 墙前为主线道路，双向 8 车道标准。常用挡土墙结构不能满足结构要求，为保证结构安全和控制结构位移，采用双排桩支护结构作为永久挡土墙结构。
（ 2） 工程地质条件。该建筑场地勘察深度范围内所揭露的地层为第四系冲积底层，场地地层结构特点为岗阜状平原地貌单元特征，地基土分布均匀，岩土性质变化不大，具体地质情况见表 1。
前后排桩在桩顶位置位移相同均为 15. 5mm，这与冠梁刚性假定相符。支护结构作为整体框架结构，前后排桩水平位移趋势类似，由墙顶部至根部逐渐减小，但前排桩由于受到桩间土压力的作用，位移更大，最大值为 17mm，出现在距离桩顶4m 左右位置，后排桩最大位移值则发生在墙顶处。从前后排桩的弯矩值图 4 可知，前排桩最大弯矩出现在悬臂根部附近，最大值为 820kN·m，其桩身出现两处弯矩反弯点，第一点是受到后排桩和冠梁约束以及主线道路以上土压力作而产生， 第二点则是由于弹性地基的支撑作用所引起的； 后排桩桩身最大弯距为 1350kN·m，受到冠梁的刚性节点作用出现在桩顶处，并随着墙高度降低而减小，过深度后弹性地基参与作用，使得结构出现反弯点。
3 桩排距变化对结构受力影响
前后排桩间距 L 是双排桩挡土墙重要设计参数之一，其大小直接影响到作用在前后排桩上的土压力分配关系，合理的选择挡土墙桩排距不仅能使结构受力性能得到改善，还能提高结构设计经济性，因此有必要对其变化产生影响进行分析。本文实例工程桩排距为 2. 5d（ d 为桩径） ，现分别取桩排距为 2d、3d、4d、5d 对结构按原有设计参数加以分析，计算前后排桩水平位移变化情况如图 5 和图 6所示。桩排距的增加使挡土墙结构水平位移逐渐减小，挡土墙顶部水平位移由 18mm 减至 10mm 左右，但桩身结构变形趋势基本不变。前排桩水平位移受排距变化影响主要在地面以上部分，地面以下部分基本无变化，后排桩则整体受排距变化影响较大，最大水平位移发生在桩顶处。
挡土墙顶部水平位移随着排距增加产生变化见图 7，可看出随着排距的增加，前后排桩体的桩顶水平位移减小的趋势逐渐变缓，这主要是由于当桩距增大到一定数值后，前后排桩的土压力比例系数变化减小，甚至在排距超过滑动土体破裂面水平投影后，比例系数变为定值，结构所受水平荷载基本保持不变。
在相应桩间距条件下，挡土墙桩身各点的对应弯矩如图 8、图 9 所示。前后排桩的弯矩沿桩身分布形式基本不受排距变化影响，弯矩反弯点和极值位置类似，前排桩弯矩随着排距的增大有明显的增大趋势，在桩顶处更为明显，第二个弯矩反弯点以下桩身弯矩变化较小，后排桩弯矩变化与桩间距变化基本成正比，反弯点和最大负弯矩处附近桩身对排距变化尤为敏感，弯矩差值随着排距增大不断减小。
4 结语
（ 1） 双排桩在较大高差支护结构中的应用，能将结构水平位移控制在较为合理的范围内，且可以避免基坑开挖施工时场地限制。
（ 2） 在不改变结构其他设计指标前提下，可以通过增加前后排桩间距减小结构水平位移，但桩间距的增加要适当，其对水平位移控制的有效性会随着数值增大而减小，当超过滑动破裂面的水平投影长度后，挡土墙水平位移减小不会有太明显效果，反而增加冠梁尺寸，提高工程造价。
（ 3） 桩身弯矩是确定双排桩挡土墙构造尺寸的重要条件，其对于桩排距变化较为敏感，桩排距增大会增加前排桩土压力，同时减少后排桩土压力，造成前后排桩结构弯矩成反比例变化。在实际设计中，应将工程造价和挡土墙水平位移综合考虑，并选择前后排桩控制弯矩值较为接近的排距。
参考文献：
[1] 王军，王磊，肖昭然 . 双排桩支护排距的有限元分析与研究[J]. 地下空间与工程学报，2005，（ 1） ： 12.
[2] 丁克，戚红祥 . 单排及双排灌注桩挡土墙型式的设计与应用[J]. 江西水利科技，2001，（ 4） ： 12.
【关键词】 双排桩支护结构，市政工程，应用
前言
对于上述情况，综合考虑结构安全性、施工便利性及工程造价等因素，可采用双排桩支护结构作为挡土结构，即将两排钻孔灌注桩平行布置，用冠梁将前后两排桩在桩顶处连接，形成空间框架结构，以抵抗水平土压力作用。具体结构形式见图 2。该支护结构具有整体性好，水平刚度大等优点，可有效限制结构水平变形； 可在原地面进行钻孔灌注桩施工，然后进行冠梁施工，具有施工场地要求小，施工难度小，施工技术成熟，减少土方开挖，缩短工工期等优点。近年在支护结构工程中得到了广泛应用和发展。
1 计算模式
双排桩支护结构可简化为平面框架结构，即取一列两根桩基作为计算对象。计算方法归纳如下：
（ 1） 土压力比例分配模型。将支护结构前后排桩所受土压力按滑动土体桩间体积与总体积进行比例分配，分别作用在排桩与冠梁所组成的平面框架结构上，桩底端按固结处理。
（ 2） 弹性地基梁法。按 Winkler 假定考虑各排桩所受土压力，将支护结构依据框架结构分析所得结果，分为前、后排桩和冠梁三部分分别进行计算。
（ 3） 等效刚度法。对于桩间距不大于 4 倍桩径的双排桩支护结构，可按抗弯刚度等效原则转化为悬臂板进行计算，其抗弯刚度为两排桩及桩间土抗弯刚度之和。
上述计算方法各有利弊，方法 1 较为简化，但计算误差较大； 方法 2 计算较复杂，不便于实际应用； 方法3 适用范围有局限性。本文将方法 1 和方法 2 结合使用，将土压力按体积比例分配，并结合现行规范推行的弹性地基梁法，分别计算前后排桩结构内力和位移。
1. 1 土压力分配
将双排桩支护结构前后排桩的土压力按滑动土体体积比例系数 α1和 α2分配，计算模式如图 1 所示。滑动土体体积由库仑土压力理论确定的滑移面、地面线以及前后排桩位置综合确定。
式中，L 和 L0分别表示桩排距和墙后滑动土体水平投影长度。
前排桩土压力最大值 PA位于支护结构前排桩悬臂根部，其上土压力三角形分布，以下土中部分土压力为等值矩形分布； 后排桩桩后上部土压力三角形分布，最大值为 PB，位于由库仑土压力理论确定的滑移面与后排桩相交处，离地面深度 Z0。各排桩土压力最大值 PA和 PB取值如式（ 3） 、式（ 4） 所示。
式中，H为挡土墙的悬臂高度； Ka为主动土压力系数； q 为墙后土体表面附加荷载； P 为墙体悬臂根部的计算朗金主动土压力。
1. 2 桩基内力计算
在确定前后排桩所受土压力后，将其视为桩底嵌固的竖直弹性地基梁，冠梁與桩的连接为只发生平动不发生转动的刚性连接，挡土墙悬臂以下土体和桩间土 Z0深度以下土体对桩的约束用土弹簧来模拟，地基水平基床系数 K 取沿深度线性增加的“m”法分布，如式（ 5） 所示。
K = mz （ 5）
结构计算时，应用有限元法建立双排桩框架模型，边界条件按弹性支撑考虑，同时使用线性荷载模拟桩身土压力，利用公式（ 6） 所示桩的基本挠曲方程求出各单元位移和内力。
2 工程实例分析
（ 1） 工程概况。某地道桥引道挡土支护结构，挡土墙前后高差为 9. 6m，墙后为辅道，双向 2 车道标准； 墙前为主线道路，双向 8 车道标准。常用挡土墙结构不能满足结构要求，为保证结构安全和控制结构位移，采用双排桩支护结构作为永久挡土墙结构。
（ 2） 工程地质条件。该建筑场地勘察深度范围内所揭露的地层为第四系冲积底层，场地地层结构特点为岗阜状平原地貌单元特征，地基土分布均匀，岩土性质变化不大，具体地质情况见表 1。
前后排桩在桩顶位置位移相同均为 15. 5mm，这与冠梁刚性假定相符。支护结构作为整体框架结构，前后排桩水平位移趋势类似，由墙顶部至根部逐渐减小，但前排桩由于受到桩间土压力的作用，位移更大，最大值为 17mm，出现在距离桩顶4m 左右位置，后排桩最大位移值则发生在墙顶处。从前后排桩的弯矩值图 4 可知，前排桩最大弯矩出现在悬臂根部附近，最大值为 820kN·m，其桩身出现两处弯矩反弯点，第一点是受到后排桩和冠梁约束以及主线道路以上土压力作而产生， 第二点则是由于弹性地基的支撑作用所引起的； 后排桩桩身最大弯距为 1350kN·m，受到冠梁的刚性节点作用出现在桩顶处，并随着墙高度降低而减小，过深度后弹性地基参与作用，使得结构出现反弯点。
3 桩排距变化对结构受力影响
前后排桩间距 L 是双排桩挡土墙重要设计参数之一，其大小直接影响到作用在前后排桩上的土压力分配关系，合理的选择挡土墙桩排距不仅能使结构受力性能得到改善，还能提高结构设计经济性，因此有必要对其变化产生影响进行分析。本文实例工程桩排距为 2. 5d（ d 为桩径） ，现分别取桩排距为 2d、3d、4d、5d 对结构按原有设计参数加以分析，计算前后排桩水平位移变化情况如图 5 和图 6所示。桩排距的增加使挡土墙结构水平位移逐渐减小，挡土墙顶部水平位移由 18mm 减至 10mm 左右，但桩身结构变形趋势基本不变。前排桩水平位移受排距变化影响主要在地面以上部分，地面以下部分基本无变化，后排桩则整体受排距变化影响较大，最大水平位移发生在桩顶处。
挡土墙顶部水平位移随着排距增加产生变化见图 7，可看出随着排距的增加，前后排桩体的桩顶水平位移减小的趋势逐渐变缓，这主要是由于当桩距增大到一定数值后，前后排桩的土压力比例系数变化减小，甚至在排距超过滑动土体破裂面水平投影后，比例系数变为定值，结构所受水平荷载基本保持不变。
在相应桩间距条件下，挡土墙桩身各点的对应弯矩如图 8、图 9 所示。前后排桩的弯矩沿桩身分布形式基本不受排距变化影响，弯矩反弯点和极值位置类似，前排桩弯矩随着排距的增大有明显的增大趋势，在桩顶处更为明显，第二个弯矩反弯点以下桩身弯矩变化较小，后排桩弯矩变化与桩间距变化基本成正比，反弯点和最大负弯矩处附近桩身对排距变化尤为敏感，弯矩差值随着排距增大不断减小。
4 结语
（ 1） 双排桩在较大高差支护结构中的应用，能将结构水平位移控制在较为合理的范围内，且可以避免基坑开挖施工时场地限制。
（ 2） 在不改变结构其他设计指标前提下，可以通过增加前后排桩间距减小结构水平位移，但桩间距的增加要适当，其对水平位移控制的有效性会随着数值增大而减小，当超过滑动破裂面的水平投影长度后，挡土墙水平位移减小不会有太明显效果，反而增加冠梁尺寸，提高工程造价。
（ 3） 桩身弯矩是确定双排桩挡土墙构造尺寸的重要条件，其对于桩排距变化较为敏感，桩排距增大会增加前排桩土压力，同时减少后排桩土压力，造成前后排桩结构弯矩成反比例变化。在实际设计中，应将工程造价和挡土墙水平位移综合考虑，并选择前后排桩控制弯矩值较为接近的排距。
参考文献：
[1] 王军，王磊，肖昭然 . 双排桩支护排距的有限元分析与研究[J]. 地下空间与工程学报，2005，（ 1） ： 12.
[2] 丁克，戚红祥 . 单排及双排灌注桩挡土墙型式的设计与应用[J]. 江西水利科技，2001，（ 4） ： 12.