CN106021753B - 一种双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算方法，针对双排桩基坑支护结构（包括前排桩1、后排桩2、桩顶连梁3、桩间土4），提出了一种可考虑前排桩抗压、后排桩抗拔力偶和地下水浮力影响的双排桩基坑支护结构抗倾覆稳定性计算方法，并推导出了相应的解析式。该方法克服了现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120‑2012以及湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159‑2012中双排桩支护结构抗倾覆计算方法引起的桩长过长，造成工程浪费的缺点。工程案例验算表明，同条件下，使用本发明所论述的方法计算双排桩支护结构抗倾覆稳定性，相比于现行规范，安全系数可提高20%~55%。本发明提供的计算方法可靠性高、结果合理且简单易行、计算成本低、设计方案经济合理。

Description

一种双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算方法
技术领域
本发明涉及一种双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算方法，适用于采用双排桩支护的基坑工程抗倾覆安全系数的计算。
背景技术
与悬臂支护单桩相比，双排桩支护体系具有整体刚度大，桩顶位移小，能自动调节结构本身的内力使之在复杂多变的外荷载作用下保持稳定安全等优点。基坑开挖深度较大或场地土层软弱，悬臂支护单桩的抗弯刚度不能满足变形控制要求时，多采用双排桩支护体系。采用现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012以及湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012中的计算方法，常常出现计算的双排桩抗支护结构倾覆安全系数较小，不满足规范的要求，需增加双排桩桩长，而实际工程中双排桩发生倾覆破坏的情况非常少。因此，采用现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012以及湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012中的双排桩支护结构抗倾覆安全计算方法，为满足规范要求，而需增加双排桩桩长，势必造成浪费，有必要改进现有规范中双排桩支护结构抗倾覆安全系数计算方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算方法，该方法计算简便、成本低、结果合理、可靠性高、易于推广应用。
本发明的技术解决方案是：针对双排桩支护结构抗倾覆安全系数的计算推导，需作如下假定：
(1)假设双排桩基坑支护结构倾覆失稳以前排桩靠基坑侧桩底为转动点，该假定与现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012以及湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012的规定一致；
(2)忽略地下水渗流对双排桩支护结构倾覆安全系数计算的影响，地下水浮力按静水压力简化计算。
现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012与湖北省地方标准《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012中对双排桩支护结构抗倾覆稳定性的计算方法一致，其计算解析式为：
式中：
Kqf——抗倾覆稳定性安全系数；
Ea、Ep——基坑外侧主动水土压力、基坑内侧被动水土压力的标准值(kN)；
Za、Zp——分别为基坑外侧主动水土压力、基坑内侧被动水土压力的合力作用点至桩底端的距离(m)；
G——双排桩、桩顶连梁和桩间土的自重之和(kN)；
ZG——双排桩、桩顶连梁和桩间土的重心至前排桩边缘的水平距离(m)。
本发明改进后的双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算公式推导过程如下(计算简图见图2)：
(1)基坑主动侧水土压力倾覆力矩EaZa、被动侧水土压力抗倾覆力矩EpZp、双排桩支护体系自重抗倾覆力矩GZG按现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012或者湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012中计算公式计算。
(2)根据勘察报告提供的地层物理力学参数，确定各土层的重度γ、粘聚力cz和内摩擦角根据土压力理论计算主动土压力eaz；
则深度z处土体对后排桩的摩擦力efz＝μz·eaz+cz，其中
后排桩抗拔力Tf＝Ef＝∑efz；
由于土体对前排桩的摩擦力Tf’对双排桩支护结构倾覆转动点的力臂等于0，因此，前排桩抗压、后排桩抗拔力所提供的抗倾覆力矩为Tf·B，其中B＝sy+d，sy为双排桩排距；d为桩的直径。
(3)根据场地实际地下水位的监测，确定基坑内地下水水位hw1和基坑外地下水水位hw2，当桩底位于透水性好的粉土、粉砂或卵石等土层，地下水对双排桩支护结构的浮力μm＝(hw1+hw2)/2，水土压力宜采用水土分算原则计算，土的抗剪强度指标采用有效应力强度指标；当桩底位于透水性差的黏性土或老黏土等土层，地下水对双排桩支护结构的浮力μm＝0，水土压力宜采用水土合算原则计算，土的抗剪强度指标采用总应力强度指标；
则地下水浮力倾覆力矩为μm·B·ZG。
(4)改进后的双排桩支护结构抗倾覆稳定性安全系数方法计算公式为：
式中B＝sy+d
Kqf’——改进的抗倾覆稳定性安全系数；
Ea、Ep——基坑外侧主动水土压力、基坑内侧被动水土压力的标准值(kN)；
Za、Zp——分别为基坑外侧主动水土压力、基坑内侧被动水土压力的合力作用点至桩底端的距离(m)；
G——双排桩、桩顶连梁和桩间土的自重之和(kN)；
ZG——双排桩、桩顶连梁和桩间土的重心至前排桩边缘的水平距离(m)；
μm——地下水浮力(kN)；桩底位于地下水位以上或隔水层中，μm＝0；桩底位于含水层中，μm＝(hw1+hw2)/2；
Tf——后排桩抗拔力(kN)；
sy——双排桩排距(m)；
d——桩的直径(m)。
附图说明
图1为本发明双排桩支护结构示意图。
图2为本发明计算简图。
具体实施方式
如图1所示，双排桩基坑支护结构包括前排桩1、后排桩2、桩顶连梁3、桩间土4。
本发明的实施步骤是：首先按现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012或者湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012中计算公式计算基坑主动侧水土压力倾覆力矩EaZa、被动侧水土压力抗倾覆力矩EpZp、双排桩支护体系自重抗倾覆力矩GZG；其次计算前排桩抗压、后排桩抗拔力偶抗倾覆力矩Tf·B，然后计算地下水浮力倾覆力矩μm·B·ZG；最后计算改进的双排桩支护结构抗倾覆安全系数Kqf’，得到的计算解析式为：
技术效果评价
(1)工程案例验算
采用中南勘察设计院(湖北)有限责任公司开发的中勘之星双排桩计算软件V2.0进行抗倾覆安全系数计算。利用现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012或者湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012双排桩支护结构抗倾覆稳定性规定和本发明所述计算方法分别计算武汉地区双排桩工程抗倾覆安全系数，按下式定义本发明所述计算方法双排桩支护结构抗倾覆安全系数变幅p：
式中：Kqf’——改进的抗倾覆稳定性安全系数；
Kqf——抗倾覆稳定性安全系数。
表1双排桩支护结构抗倾覆安全系数结果表
(2)技术效果评价
从以上三个工程实例验算结果来看，相比现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012以及湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012中的计算方法，本发明所提出的计算解析式所得到的双排桩支护结构抗倾覆安全系数数值可提高20％～55％，克服了实际工程中所设置的桩长过长，造成工程浪费的缺点。本发明具有以下优点：
(1)计算简便、成本低：本发明忽略地下水渗流对支护结构倾覆安全系数计算的影响，地下水浮力按净水压力简化计算，使得考虑地下水的影响较为简便，计算成本低。
(2)结果合理、可靠性强：双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算方法的基本假设清晰，推导过程严格，对影响双排桩支护结构抗倾覆稳定性的主要因素均予以考虑，并且通过多个工程实例进行验证，表明本发明提出的双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算公式完全可以满足工程精度要求，可靠性强。
(3)节约资源、方案经济合理：本发明所述计算方法计算的双排桩支护结构抗倾覆安全系数克服了桩长过长，造成工程浪费的情况，相比于采用现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012或者湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012中的计算方法，所设计的双排桩支护方案更为经济合理。
(4)易于推广应用、具有较大的实际应用价值：正是由于本发明计算简便、结果合理、可靠性强、计算成本低、设计方案经济合理，使得该双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算方法容易被工程技术人员推广使用，实际应用价值巨大。

Claims (1)

1.一种双排桩支护结构抗倾覆稳定性计算方法，所述双排桩基坑支护结构包括前排桩、后排桩、桩顶连梁和桩间土，基于现行规范中双排桩支护结构抗倾覆安全系数计算方法的基础上，考虑前排桩抗压、后排桩抗拔力偶和地下水浮力对双排桩支护结构抗倾覆安全系数Kqf’影响的进行计算；
所述方法包括以下步骤：
(1)基坑主动侧水土压力倾覆力矩EaZa、被动侧水土压力抗倾覆力矩EpZp、双排桩支护体系自重抗倾覆力矩GZG按现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012或者湖北省《基坑工程技术规程》DB42/T159-2012中计算公式计算；
其中Ea为基坑外侧主动水土压力的标准值、Ep为基坑内侧被动水土压力的标准值、Za为基坑外侧主动水土压力的合力、Zp基坑内侧被动水土压力的合力、G为双排桩、桩顶连梁和桩间土的自重之和、ZG为双排桩、桩顶连梁和桩间土的重心至前排桩边缘的水平距离；
(2)计算前排桩抗压、后排桩抗拔力偶抗倾覆力矩
根据勘察报告提供的地层物理力学参数，确定各土层的重度γ、粘聚力cz和内摩擦角根据土压力理论计算主动土压力eaz；
则深度z处土体对后排桩的摩擦力efz＝μz·eaz+cz，其中
后排桩抗拔力Tf＝Ef＝∑efz；
由于土体对前排桩的摩擦力Tf'对双排桩支护结构倾覆转动点的力臂等于0，因此，前排桩抗压、后排桩抗拔力所提供的抗倾覆力矩为Tf·B；其中B＝sy+d，sy为双排桩排距；d为桩的直径；
(3)计算地下水浮力倾覆力矩
根据场地实际地下水位的监测，确定基坑内地下水水位hw1和基坑外地下水水位hw2，当桩底位于透水性好的粉土、粉砂或卵石土层，地下水对双排桩支护结构的浮力μm＝(hw1+hw2)/2，水土压力采用水土分算原则计算，土的抗剪强度指标采用有效应力强度指标；当桩底位于透水性差的黏性土或老黏土土层，地下水对双排桩支护结构的浮力μm＝0，水土压力采用水土合算原则计算，土的抗剪强度指标采用总应力强度指标；则地下水浮力倾覆力矩为μm·B·ZG；
(4)计算双排桩支护结构抗倾覆安全系数Kqf’
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