CN108468335A - 一种非等长组合围护桩设计方法 - Google Patents

Abstract

一种非等长组合围护桩设计方法，该方法主要是针对现有等长桩设计方法不经济的问题，提供了一种便于应用的非等长组合围护桩设计方法，包括以下步骤：明确基坑的几何参数以及土体物理力学参数；根据基坑围护设计的整体稳定性要求确定非等长组合围护桩中的长桩桩长；根据坑底抗隆起稳定性要求确定短桩桩长；根据弹性地基梁法计算围护桩的截面弯矩设计值，绘制围护桩的桩身弯矩包络图；根据围护桩的抗弯承载力确定非等长组合桩的根数配比。采用本发明提供的非等长组合围护桩设计方法，考虑了围护桩抗弯承载力的充分利用，在保证安全的前提下有效节约了工程造价，设计方法步骤明确，具有很好的推广应用价值。

Description

一种非等长组合围护桩设计方法

技术领域

本发明涉及土木工程施工技术领域，特别是涉及一种非等长组合围护桩设计方法。

背景技术

随着城市地下空间利用的迅速发展，对相关基坑围护技术的要求也相应地提高。基坑围护结构一般是临时性的结构，若过于追求安全，将造成人力和物力资源的浪费。

目前，基坑围护设计通常采用等长桩的方法，但在基坑底面以下桩身的弯矩随深度增加而逐渐减小，按等长桩的形式进行布桩时桩体下部的抗弯承载性能没有得到充分的发挥，也无法充分利用土质条件和桩土共同作用的原理，造成了工期的增加以及工程造价的浪费。目前规范中仍没有提供非等长组合围护桩设计方法。

因此，找到一种简便合理的非等长组合围护桩设计方法，使工程设计人员快速、有效地进行非等长组合围护桩的设计，在保证安全的前提下缩减工期，有效节约工程造价，是一个很有工程应用价值的技术问题。

发明内容

本发明的目的是，针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种非等长组合围护桩设计方法。

本发明的技术方案是，

S1：根据工程的工程地质报告、建筑结构施工图，明确基坑的几何参数以及土体物理力学参数，主要包括基坑的开挖深度H，以及3倍深基坑深度范围内的地层土体的内摩擦角粘聚力c及天然重度γ。

S2：根据基坑围护设计的整体稳定性要求，采用圆弧滑动简单条分法确定非等长组合围护桩中的长桩桩长，按下列步骤进行计算确定：

S21：确定某一过围护桩长桩桩底及其以下的圆弧滑动面；

S22：计算抗滑力矩M_R：

式中：c_ik、为滑动面上第i土条滑动面上土的固结不排水(快)剪黏聚力、内摩擦角标准值；

l_i为第i土条的弧长；

b_i为第i土条的宽度；

w_i为作用于滑裂面上第i土条的质量，按上覆土层的天然土质量计算；

θ_i为第i土条弧线中点切线与水平线夹角；

q为地面超载；

T_j为第j层支撑作用力；

R为圆弧滑动面半径；

R_j为第j层支撑位置距离圆弧滑动面圆心的距离；

S23：计算下滑力矩M_S：

M_S＝R∑(qb_i+w_i)sinθ_i

各个参数物理意义同前。

S24：进行基坑整体稳定性验算：

M_R-γ_kM_S≥0

式中：γ_k为整体稳定分项系数，应根据经验确定，当无经验时可取1.3；

S25：假设多个通过长桩桩底的滑弧，进行以上四步的验算，寻找最危险滑弧，保证在确定的某一长桩桩长情况下的最危险滑弧也符合整体稳定验算要求；

S3：根据坑底隆起安全控制要求，计算相应的短桩入土深度D；

所述坑底隆起安全控制要求，根据下式计算：

式中：F_s为坑底抗隆起安全系数，对重要性等级为一级、二级、三级的围护结构，分别取不小于1.8、1.6、1.4；

N_c为稳定系数，当(H+D)/B<2.5时，N_c＝5(1+0.2B/L)(1+0.2(H+D)/B)，当(H+D)/B>2.5时，Nc＝7.5(1+0.2B/L)；

c_ub坑底下破坏区土的加权平均粘聚力；

γ₂为坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加权平均值；

α是围护墙与土体间的粘聚力修正系数，一般可取0.2～0.7；

c_udp为围护结构入土深度范围内被动区土体的加权平均粘聚力；

B为基坑宽度；

L为基坑长度；

γ₁为坑外地表至墙底，各土层天然容重的加权平均值；

S4：根据弹性地基梁法计算围护桩的截面弯矩设计值，绘制围护桩的弯矩包络图；

所述弯矩设计值表达式为：

M＝1.25γM_c；

式中：M_c为截面弯矩设计值，其计算式为：

M_c＝∑T_j(h_j+h_c)+h_mz∑E_mz-h_az∑E_az

式中：h_j为第j层支撑力T_j至基坑底的距离；

h_c为基坑底面至计算截面的距离；

h_mz为被动土压力合力∑E_mz至计算截面的距离；

h_az为主动土压力合力∑E_az至计算截面的距离；

S5：根据弯矩包络图中短桩桩长以下部分的最大弯矩值，与总体弯矩最大值的比例关系来确定长短桩的根数配比；

所述长桩与短桩的根数配比l：s的计算式为：

l：s＝|M₀|：(M_max-|M₀|)

式中：|M₀|为短桩桩长以下部分的最大弯矩设计值；

M_max为总体弯矩最大设计值；

长桩与短桩的根数配比l：s不建议低于1：3。

本发明的有益效果是，采用本发明提供的一种非等长组合围护桩设计方法，可以在基坑围护结构设计中考虑长桩与短桩的组合优势，减少资源浪费，在保证安全的前提下有效节约工程造价，设计方法简便实用，具有很好的应用推广价值。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图；

图2是非等长组合桩的平面布置图(从上至下分别为一长一短，一长二短，二长一短，二长三短，三长二短的桩数配比)；

图3是非等长组合桩的剖面图(三长两短的桩数配比)；

图4是实施例中基坑简化剖面示意图；

图5是非等长组合桩的设计计算示意图；

图6是实施例中长桩的弯矩包络图。

图中：1为短桩，2为长桩，3为地面，4为基坑底面，5为支撑。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1-3，本发明一实施例提供的方法的流程图以及非等长组合桩的平面布置图和非等长组合桩的剖面图，以某地下室为例进行说明，该地下室的基坑平面形状为长方形，基坑长72m，宽36m，基坑开挖深度为11.9m，基坑简化示意图如图4所示。工程采用钻孔灌注桩作围护结构，桩体直径0.8m，中心距为0.95m，弹性模量3×10⁴MPa；设置两道钢筋混凝土支撑，弹性模量为5×10⁴MPa，分别架设于地面以下1.5m及7.2m位置处。

S1、根据工程的工程地质报告、建筑结构施工图，明确基坑的几何参数如下：

基坑开挖深度H＝11.9m；

基坑宽度B＝36m；

基坑长度L＝72m；

支撑两道，高度分别为地面以下1.5m及7.2m；

地面超载q＝20kN/m²；

得到基坑简化示意图如图4所示；

以及3倍深基坑深度范围内的各层土体的物理力学参数如表1：

表1 土层参数表

S2、根据基坑围护设计的整体抗滑稳定性要求确定非等长组合围护桩中的长桩桩长；

参见图5，确定某一经过围护桩长桩桩底的圆弧滑动面；

计算抗滑力矩M_R：

计算下滑力矩M_S：

M_S＝R∑(qb_i+w_i)sinθ_i

进行基坑整体稳定性验算：

M_R-γ_kM_S≥0

假设多个通过长桩桩底的滑弧，进行上述的验算，寻找最危险滑弧，保证在确定的某一长桩桩长情况下的最危险滑弧也符合整体稳定验算要求；得到不同桩长下稳定性验算对比见表2：

表2 不同桩长下稳定性验算对比

由表2，从安全角度考虑，需要在长桩桩长下整体安全系数有一定的富余，由此确定长桩桩长为28m。

S3、根据坑底隆起安全控制要求，计算相应的短桩入土深度D；

计算稳定系数：

当(H+D)/B<2.5时，N_c＝5(1+0.2B/L)(1+0.2(H+D)/B)，当(H+D)/B>2.5时，Nc＝7.5(1+0.2B/L)；

计算坑底下破坏区土的加权平均粘聚力c_ub；

计算坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加权平均值γ₂；

围护墙与土体间的粘聚力修正系数取α＝0.5；

计算围护结构入土深度范围内被动区土体的加权平均粘聚力c_udp；

根据规范要求，坑底抗隆起稳定安全系数F_s为1.60；

上述参数中含有短桩的入土深度D一个未知数，将上述参数代入下式计算：

计算得到短桩入土深度为11.8m，因此短桩桩长取24m。

S4：根据弹性地基梁法计算围护桩的截面弯矩设计值，绘制围护桩的弯矩包络图；

弯矩设计值表达式为：

M＝1.25γM_c；

式中：M_c为截面弯矩设计值，其计算式为：

M_c＝∑T_j(h_j+h_c)+h_mz∑E_mz-h_az∑E_az

得到弯矩包络图如图6所示。

S5：根据弯矩包络图中短桩桩长以下部分的最大弯矩值，与总体弯矩最大值的比例关系来确定长短桩的桩数配比；

长桩与短桩的根数配比l：s的计算式为：

l：s＝|M₀|：(M_max-|M₀|)

式中：|M₀|为短桩桩长以下部分的最大弯矩设计值；

M_max为总体弯矩最大设计值；

参见图6，根据上式确定长桩与短桩的根数配比为1:4，出于安全角度考虑，长桩与短桩的根数配比l：s不建议低于1：3，因此本实施例中长桩与短桩根数配比取1：3。

与传统的等长桩设计方法相比，采用本发明提供的一种非等长组合围护桩设计方法，在本实施例中每4根围护桩可节省桩长12m的造价，经济效益显著。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种非等长组合围护桩设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：确定基坑几何参数和土体物理力学参数；

所述几何参数包括基坑的开挖深度H；所述土体物理力学参数包括3倍基坑开挖深度范围内的地层土体的内摩擦角粘聚力c及天然重度γ；

S2：根据基坑围护设计的整体抗滑稳定性要求确定非等长组合围护桩中的长桩桩长；

所述基坑围护设计的整体抗滑稳定性，采用圆弧滑动简单条分法进行分析，按下列步骤计算：

S21：确定某一过围护桩长桩桩底及其以下的圆弧滑动面；

S22：计算抗滑力矩M_R：

式中：c_ik、为滑动面上第i土条滑动面上土的固结不排水剪黏聚力、内摩擦角标准值；

l_i为第i土条的弧长；

b_i为第i土条的宽度；

w_i为作用于滑裂面上第i土条的质量，按上覆土层的天然土质量计算；

θ_i为第i土条弧线中点切线与水平线夹角；

q为地面超载；

T_j为第j层支撑作用力；

R为圆弧滑动面半径；

R_j为第j层支撑位置距离圆弧滑动面圆心的距离；

S23：计算下滑力矩M_S：

M_S＝R∑(qb_i+w_i)sinθ_i

各个参数物理意义同前；

S24：进行基坑整体稳定性验算：

M_R-γ_kM_S≥0

式中：γ_k为整体稳定分项系数；

S25：假设多个通过长桩桩底的滑弧，进行以上四步的验算，寻找最危险滑弧，保证在确定的某一长桩桩长情况下的最危险滑弧也符合整体稳定验算要求；

S3：根据坑底隆起安全控制要求，计算相应的短桩入土深度D；

所述坑底隆起安全控制要求，根据下式计算：

式中：F_s为坑底抗隆起安全系数，对重要性等级为一级、二级、三级的围护结构，分别取不小于1.8、1.6、1.4；

N_c为稳定系数，当(H+D)/B<2.5时，N_c＝5(1+0.2B/L)(1+0.2(H+D)/B)，当(H+D)/B>2.5时，Nc＝7.5(1+0.2B/L)；

c_ub为坑底下破坏区土的加权平均粘聚力；

γ₂为坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加权平均值；

α是围护墙与土体间的粘聚力修正系数，取值范围为0.2～0.7；

c_udp为围护结构入土深度范围内被动区土体的加权平均粘聚力；

B为基坑宽度；

L为基坑长度；

γ₁为坑外地表至墙底，各土层天然容重的加权平均值；

S4：根据弹性地基梁法计算围护桩的截面弯矩设计值，绘制围护桩的弯矩包络图；

所述弯矩设计值表达式为：

M＝1.25γM_c；

式中：M_c为截面弯矩设计值，其计算式为：

M_c＝∑T_j(h_j+h_c)+h_mz∑E_mz-h_az∑E_az

式中：h_j为第j层支撑力T_j至基坑底的距离；

h_c为基坑底面至计算截面的距离；

h_mz为被动土压力合力∑E_mz至计算截面的距离；

h_az为主动土压力合力∑E_az至计算截面的距离；

S5：根据弯矩包络图中短桩桩长以下部分的最大弯矩值，与总体弯矩最大值的比例关系来确定长短桩的根数配比；

所述长桩与短桩的根数配比l：s的计算式为：

l：s＝|M₀|：(M_max-|M₀|)

式中：|M₀|为短桩桩长以下部分的最大弯矩设计值；

M_max为总体弯矩最大设计值。

2.根据权利要求1所述的一种非等长组合围护桩设计方法，其特征在于，所述长桩与短桩的根数配比l：s不低于1：3。