深基坑工程排桩悬臂桩

1、1,第七章,排桩支护设计,主,要,内,容,第一节,概述,第二节,悬臂桩设计计算,单层支撑（锚拉）桩设计计算,第四节,多层支撑（锚拉）桩设计计算,第五节,排桩设计的构造要求,第六节,排桩支护结构变形计算,第七节,排桩的施工与检验,3,第一节,概述,一、排桩围护结构的概念,二、排桩的类型及止水,三、排桩围护结构的应用,4,排桩围护结构,是采用连续的柱列式排列的桩,体形成的围护结构,根据排桩中单个桩体的成桩工艺的不同，可分,为,钻孔灌注桩、预制混凝土桩、挖孔桩、压浆桩,SMW,工法（型钢水泥土搅拌桩）等,横截面形状主要有,圆形,和,板状,两大类,一、排桩围护结构的概念,5,挖孔桩,钢支撑,5,6,板

2、桩支护,板桩有,钢板柱、木板桩,与,钢筋混凝土板桩,数种,钢板桩的种类很多，常见的有,U,板桩与,Z,板桩,a,b,c,c,H,形板桩,a,U,形板桩相互连接,b,Z,形板桩相互连接,锁口,形成整体，具有较好的隔水能力,7,常用钢板桩截面形式,a) Z,型,b) U,型,c,一字型,d,组合型,钢板桩水平支撑,U,型钢板桩,插打,入土,U,型板桩相互连接,8,9,9,10,10,11,SMW,工法（劲性水泥土搅拌桩,板式支护,钢板桩,11,12,12,13,型钢,深层搅拌桩,SMW,工法桩组合支护,14,15,16,17,18,19,根据单个桩体的平面排列方式不同，排桩可分为,分离式、咬合式、

3、双排式、相切式、交错式、格栅式,等,二、排桩的类型及止水,20,分离式排桩,二、排桩的类型及止水,分离式排桩是工程中排桩围护墙最常用，也是较简单的围,护结构形式。排桩外侧可结合工程的地下水控制要求设置,相应的隔水帷幕,21,分离式排桩,特点,二、排桩的类型及止水,1,施工工艺简单、工艺成熟、质量易控制、造价经济,2,噪声小、无振动、无挤土效应，施工时对周边环境影响小,3,可根据基坑变形控制要求灵活调整围护桩刚度,4,在基坑开挖阶段仅用作临时围护体，在主体地下室结构平,面位置、埋置深度确定后即有条件设计、实施,5,在有隔水要求的工程中需另行设置隔水帷幕。其隔水帷幕,可根据工程的土层情况、周边环境

4、特点、基坑开挖深度以及,经济性等要求的综合选用,22,分离式排桩,适用性,二、排桩的类型及止水,1,软土地层中一般适用于开挖深度不大于,20m,的深基坑工程,2,地层适用性广，对于从软粘土到粉砂性土、卵砾石、岩层,中的基坑均适用,23,双排式排桩,二、排桩的类型及止水,为增大排桩的整体抗弯刚度和抗侧移能力时，可将桩设置成,为前后双排，将前后排桩桩顶的冠梁用横向连梁连接，就形,成了双排门架式挡土结构,24,双排式排桩,特点,二、排桩的类型及止水,1,抗弯刚度大，施工工艺简单、工艺成熟、质量易控制,造价经济,2,可作为自立式悬臂支护结构，无需设置支撑体系,3,围护体占用空间大,4,自身不能隔水，在

5、有隔水要求的工程中需另设隔水帷幕,双排式排桩,适用性,适用于场地空间充足，开挖深度较深，变形控制要求较高,且无法内支撑体系的工程,25,咬合式排桩,二、排桩的类型及止水,因场地狭窄等原因，无法同时设置排桩和隔水帷幕时，可采,用桩与桩之间咬合的形式，形成可起到止水作用的咬合式排,桩围护墙。咬合式排桩围护墙的先行桩采用素混凝土桩或钢,筋混凝土桩，后行桩采用钢筋混凝土桩,26,咬合式排桩,特点,二、排桩的类型及止水,1,受力结构和隔水结构合一，占用空间较小,2,整体刚度较大，防水性能较好,3,施工速度快,工程造价低,4,施工中可干孔作业,无须排放泥浆,机械设备噪音低、振,动少,对环境污染小,5,对成

6、桩垂直度要求较高，施工难度较高,咬合式排桩,适用性,1,适用于淤泥、流砂、地下水富集的软土地区,2,适用于邻近建构筑物对降水、地面沉降较敏感等环境保,护要求较高的基坑工程,27,二、排桩的类型及止水,最常见的止水帷幕是采用水泥搅拌桩（单轴、双轴或多轴,相互搭接、咬合形成一排或多排连续的水泥土搅拌桩墙，由,于搅拌均匀的水泥土渗透系数很小，可作为基坑施工期间的,止水帷幕,28,按基坑开挖深度及支挡结构受力情况，排桩支护可分为,以下几种情况：可将排桩分为,悬臂桩支护结构、单层支,撑（锚拉）桩支护结构、多层支撑（锚拉）桩支护结构,二、排桩的类型及止水,1,悬臂桩支护结构,当基坑开挖深度不大，即可利用悬

7、臂作用挡住,墙后土体,2,单层支撑（锚拉）桩支护结构,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,多层支撑（锚拉）桩支护结构,当基坑开挖深度较深时，可设置,多道支撑，以控制挡墙的位移,29,悬臂桩支护结构,悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土排桩、木板桩、钢板,桩、钢筋混凝土板桩等型式,悬臂式支护结构依靠足够的入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,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,30,单,多,层支撑（锚拉）

8、桩支护结构,单,多,层支撑（锚拉）桩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,31,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排桩,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,单支撑支护结构,多支撑支护结构,空间支护体系,图,4,3,图,4,4,图,4,5,32,锚拉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

9、,图,1,和地面拉锚式（图,2,两种。随基坑深度不同，锚杆,式也可分为单层锚杆、多层锚杆,图,1,双层锚杆,图,2,地面拉锚,33,锚,拉,系,统,破,坏,底,部,内,移,板,桩,弯,曲,整,体,滑,动,管,涌,隆,起,锚拉（支撑）支护结构的破坏形式,1,支锚结构系统破坏,2,桩墙底部向基坑内侧移动,3,桩墙弯曲破坏,4,整体圆弧滑动,5,隆起、管涌,34,第二节,悬臂桩设计计算,一、悬臂桩的设计计算内容,二、悬臂桩的设计计算原理,三、悬臂桩的设计计算步骤,四、桩身截面尺寸与配筋验算,35,1,悬臂桩嵌固深度的确定,2,支护结构体系的内力分析和结构强度计算,3,基坑的稳定性验算,4,基坑底抗渗

10、流稳定验算,5,基坑的变形计算，内容包括支护结构的侧向位移,坑外地面的沉降和坑底隆起等项目,一、悬臂桩的设计计算内容,36,悬臂桩主要依靠嵌入土内的深度，来平衡自重应力、地面,荷载及渗流等形成的侧压力。因此首先要计算嵌固深度,其次还要计算桩所承受的最大弯距，以便核算钢板桩的截,面及灌注桩直径和配筋,悬臂桩看似一端固定的悬臂梁，实际上二者有根本的不同,之处,首先是悬臂桩,难以确定固定端位置,因为桩在两侧,土压力作用下，每个截面都会发生水平方向的位移和转角,变形。其次,嵌入坑底以下部分的作用力很复杂,难于确,定。因而期望以悬臂梁为基本构件体系，考虑桩墙和土体,的变形一致来进行解题将是非常复杂的,现

11、行的计算方法均是：先对构件两侧荷载的分布作一些假,设，然后简化为,静定的平衡问题来进行解题,二、悬臂桩的设计计算原理,37,目前悬臂桩的计算方法有,静力平衡法,Blum,法，平行,杆系弹性支点法，杆系有限单元法，共同变形法和有限,单元法,静力平衡法简单而近似，在工程设计计算中被广泛应用,悬臂桩支护结构,静力计算,主要目的有二个,一是悬臂桩,桩身插入基底面以下的最小嵌固深度,D,min,二是桩身最大,弯矩及所在位置，以计算桩身的截面和配筋,对于悬臂桩的内力（弯矩、剪力）计算,规范中推荐采用,平行杆系弹性支点法,主要是因为该方法不仅可以计算,内力，还可以计算支护结构的变形（位移）。而静力平,衡法只

12、能计算内力，不能计算变形,38,1,桩径、桩距的确定,2,土压力计算,3,嵌固深度及内力计算,4,基坑稳定性验算,5,桩身正截面受弯承载力计算,三、悬臂桩的设计计算步骤,39,1,桩径、桩距的确定,按照地区经验取值,一般桩径D0.6m，可取,0.6m,0.8m,1.0m,等,桩的中心距不宜大于,2D,有地下水时，桩中心距可取,1.2,1.5,D,砂土和软土取小值，粘性土取大值,无地下水、降水或者土质较好时，桩中心距,2D,2,土压力计算,按照规范法计算土压力、经验土压力或实测土压力,三、悬臂桩的设计计算步骤,40,悬臂式支护结构嵌入坑底的深度不,同，其变形情况有所不同,第一种情况：若嵌固深度较

13、深，支,护结构向坑内倾斜较小时，下端,B,处,没有位移,第二种情况：若支护结构嵌固深度,较浅，当达到最小嵌固深度,D,min,它,的上端向坑内倾斜较大，下端,B,向坑,外位移，若嵌固深度小于,D,min,支护,结构丧失稳定，顶部向坑内倾斜,三、悬臂桩的设计计算步骤,3,嵌固深度及内力计算,41,1,规范法嵌固深度计算,规范法中悬臂桩嵌固深度的计,算采用嵌固稳定性验算确定,42,悬臂支护结构的嵌固稳定性验算,43,44,当确定悬臂式支护结构嵌固深度设计值（构造要求,h,l,h,l,d,d,8,0,8,0,时，宜取,小于,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

14、足,下式抗渗稳定条件,基坑挖深,地面至地下水位的高度,h,h,h,h,l,w,a,w,a,d,0,2,1,45,嵌固深度计算,嵌固深度设计值,h,d,按下式计算,h,p,E,pj,1.2,0,h,a,E,ai,0,式中,E,pj,桩底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值,e,pjk,的,合力之和,h,p,合力,E,pj,作用点至桩底的距离,E,ai,桩底以上基坑外侧各土层水平荷载标准值,e,ajk,的合,力之和,h,a,合力,E,ai,作用点至桩底距离,0,建筑基坑侧壁重要性系数，按安全等级，一级,0,1.1,二,级,0,1.0,三级,0,0.9,99,规范法嵌固深度计算,46,最大弯矩计算,悬臂

15、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,ai,pj,E,E,pj,E,ai,E,max,M,47,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,桩身所受最大弯矩，还需将该值乘以,桩的间距,d,即,式中,的单位为,而每根桩桩身所受最大弯矩设计值为,m/m,kN,max,max,dM,M,max,M,m,kN,max,d,M,M,0,25,1,48,例,题,例,某二级基坑开挖深度为,10m,采用悬臂

16、桩支护结构,土层为黏性土,c=20kPa,30,18kN/m,3,桩间距,为,2m,试按,2012,规范计算支护结构的嵌固深度，及最大,弯矩设计值,49,50,51,a,a,aX,K,c,K,X,h,p,2,令最大弯矩点为,o,点，即该点以上的主、被动土压力合力相等，该点距坑,底的距离为,X,p,p,p,K,c,K,p,2,X,X,则最大弯矩为,m,58,1,X,解得,X,处的主动土压力为,X,处的被动土压力为,ai,pj,E,E,m,m,kN,97,331,5,35,48,86,95,453,M,m,a,x,m,kN,92,829,2,97,331,0,1,25,1,M,m,ax,则最大弯矩

17、设计值为,52,静力平衡法认为悬臂桩在主动土压力作用下，将趋,向于绕桩上的某一点发生转动，从而使土压力的分,布发生变化。桩后土压力由主动土压力转到被动土,压力，而桩前土压力则由被动土压力转到主动土压,力,2,静力平衡法嵌固深度及内力计算,53,静力平衡法计算简图（均质土,排桩变位,净土压力分布,简化处理后的,净土压力分布,2,静力平衡法嵌固深度及内力计算,54,静力平衡法,当悬臂桩桩处于平衡状态,此时所对应的桩的入土深度即,是保证板桩稳定的最小入土深,度。根据桩的静力平衡条件可,以求出该深度,根据,作用在桩上的水平力之,和等于,0,各力距任一点力矩之,和等于,0,的静力平衡条件，建立,静力平衡

18、方程,t,55,布鲁姆法,Blum,布鲁姆法的基本原理如下图，用原来桩底出现的被动土,压力以一个集中力,E,p,代替,3,Blum,法嵌固深度及内力计算,h,E,a,E,p,E,P,x,o,C,p,a,56,图,4.3.1-1,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,静力平衡法计算图,d. Blum,计算图式,3,Blum,法嵌固深度及内力计算,57,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,t,0,可用,b,图中的,x,代替，但必须满足绕,C

19、,点的静力平衡条件,a) (b,58,布鲁姆法（均质土,布鲁姆法以一个集中力,E,p,代替桩底出现的被动土压力,根据该假定建立静力平衡方程，求出入土深度及桩内力,计算桩嵌固深度,t,对桩底,C,点取力矩,由,M,c,0,得到,O,h,t,l,u,E,p,x,K,K,a,p,E,p,E,4,E,1,E,2,E,3,P,C,x,x,m,a,0,3,x,E,a,x,l,P,p,2,a,p,a,p,p,x,K,K,2,2,x,x,K,K,E,0,K,K,a,l,P,6,x,K,K,P,6,x,a,p,a,p,3,59,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,c

20、=0,q=0,时），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,M,C,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,因而悬臂桩的,嵌固深度,t,1.2,x,p,a,Ku,K,h,u,a,p,a,K,h,u,K,K,60,内力计算,最大弯矩发生在剪力,Q=0,处，如图设,O,点以下,x,m,处的剪,力,Q=0,则有,最大弯矩,0,x,K,K,2,P,2,m,a,p,3,m,a,p,m,x,K,K,6,a,x,l,P,M,max,O,h,t,l,u,E,p,x,K,K,a,p,E,p,E,4,E,1,E,2,E,3,P,C,x,x

21、,m,a,K,K,P,2,x,a,p,m,61,某二级基坑开挖深度,h=4.5m,土层重度,20kN/m,3,内摩擦角,20,粘聚力,c=0kPa,现拟采用悬臂式排桩支护，试,用,Blum,法确定桩的最小长度和最大弯矩标,准值,例,题,62,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,49,0,2,20,45,2,45,2,2,tan,tan,K,a,04,2,2,20,45,2,45,2,2,tan,tan,K,p,2,a,ah,kN/m,1,44,49,0,5,4,20,hK,p,m,42,1,49,0,04

22、,2,5,4,49,0,K,K,h,K,u,a,p,a,63,m,kN,22,99,1,44,5,4,5,0,p,h,2,1,E,ah,1,a,3m,3,2,4.5,h,3,2,h,1,a,kN/m,31,31,42,1,1,44,2,1,u,p,2,1,E,ah,2,a,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,m,97,4,42,1,3,1,5,4,u,3,1,h,h,2,a,其作用点据地面的距离,64,作用于桩后的土压力合力,kN,53,130,31,31,22,99,E,E,P,2,a,1,a,其作用点距地面的距离,m,47,3,53,130,

23、97,4,31,31,3,22,99,P,h,E,h,E,h,2,a,2,a,1,a,1,a,a,将上面计算得到的值代入下式,0,K,K,h,u,h,P,6,x,K,K,P,6,x,a,p,a,a,p,3,经整理得,0,9,61,x,26,25,x,3,解得,m,97,5,x,65,取增大系数为,1.2,则该悬臂桩的嵌固深度为,则桩的最小长度为,3,0.8h,m,58,8,97,5,2,1,42,1,x,2,1,u,t,min,m,1,13,l,m,08,13,5,4,58,8,t,h,l,min,min,取,66,最大弯矩点据土压力零点的距离为,最大弯矩为,m,90,2,20,49,0,04

24、,2,53,130,2,K,K,P,2,x,a,p,m,m,m,kN,34,572,9,2,49,0,04,2,6,20,47,3,9,2,42,1,5,4,53,130,x,K,K,6,h,x,u,h,P,M,3,3,m,a,p,a,m,m,ax,悬臂桩,Blum,法的计算步骤,计算坑下,土压力强度相为,0,距坑底的距离,u,对桩底,C,点取力矩，由,Mc=0,得到土压力强度为,0,点,距桩端的距离,x,计算设计桩长,t,1.2,x,计算,剪应力为,0,点距坑底的距离,x,m,计算桩身最大弯矩设计值,M,d,桩身截面尺寸和配筋验算,68,题,1,某悬臂桩围护结构如图示，试用布鲁姆法计算桩长度

25、,及桩内力,6m,l,u,E,3,E,1,E,2,P,a,q=10kN/m,2,c=0,34,20kN/m,3,69,解,悬臂桩长度,53,3,2,45,tan,K,283,0,2,45,tan,K,2,p,2,a,83k,2,283,0,10,qK,p,a,a1,36.7,283,0,6,20,10,h)K,q,e,a,a2,57m,0,283,0,537,3,283,0,20,10,6,K,K,K,q,h,u,K,u,q,h,uK,a,p,a,a,p,129.35kN/m,57,0,36.79,0.5,6,83,2,79,36,5,0,6,83,2,E,E,E,P,3,2,1,70,05m

26、,4,35,129,57,0,3,1,6,57,0,79,36,5,0,6,3,2,6,83,2,79,36,5,0,3,6,83,2,a,t=1.2x+u=1.2,4.34+0.57=5.8m,板桩长,6+5.8=11.8m,0,K,K,a,u,h,P,6,x,K,K,P,6,x,a,p,a,p,3,0,05,30,x,93,11,x,3,m,34,4,x,71,计算最大弯矩,99m,1,283,0,537,3,20,35,129,2,K,K,P,2,x,a,p,m,m,m,484kN,99,1,6,283,0,537,3,20,08,4,99,1,57,6,35,129,x,6,K,K,a

27、,x,l,P,M,3,3,m,a,p,m,max,72,悬臂桩的基坑稳定性验算包括：整体,稳定性验算和渗流稳定性验算,4,基坑稳定性验算,73,圆弧滑动整体稳定性系数,Ks,对于一级、二级,和三级基坑分别不小于,1.35,1.30,和,1.25,74,75,抗突涌稳定性验算,w,h,h,w,w,K,h,D,坑底以下有水头高于坑底的承压含水层，且未用截水帷幕隔,断其基坑内外的水头联系时，承压水作用下的,坑底突涌稳,定性验算如下,76,抗流土稳定性验算,悬挂式截水帷幕底端位于碎石土、砂,土或粉土含水层时，对均质含水层,地下水渗流的,流土稳定性验算如下,f,w,d,K,h,D,l,1,8,0,2,77,2,1.5,s,w,w,w,L,D,K,h,h,抗,管,涌,稳,定,性,验,算,抗管涌稳定性验