悬臂式板桩墙的应用

1悬臂式板桩墙的应用摘要：板桩墙常用在基坑围护工程中。本工程因边坡陡峭，场地内外高差大，采用开挖宽度较小的板桩墙围护结构。设计计算时采用库仑理论计算土压力，作用在钢筋混凝土悬臂构件上，分析悬臂构件的内力及变形。悬臂构件的固端采用桩基础加固，基桩主要受到水平力和弯矩的作用，采用“m”法计算桩的内力，并对桩、支柱进行配筋。1工程地质分析：工程所在地原始地貌单元为低丘坡麓，地形西高东低、北高南低，总体上呈箕形，受后期人工改造及近期人工填土影响，场地起伏不平，由北向南、由西向东呈阶梯状，在北部场地外堆填有厚度约10~15米的填土。场地内岩土层结构较简单，自上而下有素填土（1）、素填土；（2）、含碎石砂质粘土；（3）、火山岩残积粉土，参见表1。表1地基岩土层设计参数建议值表岩土名称代号重度压缩模量快剪承载力标准值基底摩擦系数粘聚力内摩擦角γEscφfkukN/m3MPakPa度kPa素填土⑴18含碎石砂质粘土⑵19.76.629222200.3火山岩残积粉土⑶19.76.52327190场地地下水对混凝土无侵蚀性，PH值=6.8。场地外四周的地质情况为：北侧上部为新近素填土（主要为残积粉土、火山岩残积粉土和砂质粘土）和碎石砂质粘土层，下部为火山岩残积粉土，西侧除表层分布有约3~4米的含碎石砂质粘土外，主要为火山岩残积粉土，具有遇水易崩解变软、强度变低等特性。2挡土墙选型分析：该场地起伏不平，受到周边已建及拟建建筑物的场地标高的影响，政府规划部门要求变电站大门处黄海高程标高为6.50米，站区场地平均标高为7.50米。在站区的竖向布置中，场地北高南低，以3%的坡度放坡。进行场地土方平整时，采取大面积开挖，土方外运量达15000立方米，开挖后边坡高差变化较大，局部高差达20米，对不同高差段采用不同形式的边坡支护，分别有重力式挡土墙；钢筋混凝土扶壁式挡土墙和悬壁式板桩墙。悬壁式板桩墙桩身截面取为1000mm×1500mm的人工挖孔桩，桩距为3000mm。为防止施工时边坡土体的滑坡，山体边坡土方开挖时尽图1。悬臂式板桩墙设计断面图2量放缓，同时为减少主动土压力对人工挖孔桩孔内的保护壁受到破坏，桩孔孔位距场地红线的水平距离为10米。在桩顶与立柱交接处，采用横梁把桩体联系一起，横梁截面为1000mm×500mm，横梁前地坪处设置2000mm×500mm（宽×深）的混凝土加固层.立柱截面为1000mmx1500mm，横板采用预制的钢筋混凝土板。墙后回填土采用砂土回填，为确保安全，墙与回填土之间的2米宽采用干砌毛石回填，在地坪标高位置做一道排水暗沟，立柱及板墙高度为10米，墙上到红线位置，以0.5：1的坡度放坡，坡面以100厚C15混凝土面层做保护，以减少地表水的渗透入。板桩墙墙背采用500厚粹石层做为滤水层，墙身呈梅花状分布直径φ75的泄水孔，在变电站的四周外围做一道截洪沟，截面1000mm×1000mm。在墙下设一道排水明沟，及时把地表水排入市政排水系统，既保证边坡的稳定和支护体系的安全，也为变电站的安全运行提供有力的保证。3设计理论：3。1力的传递:（1）边坡土压力传向简支横向板。采用库仑土压力理论计算。（2）简支横向板传向支柱。沿高度分段计算，简化为承受均布荷载，采用钢筋混凝土简支构件计算内力及配筋。（3）支柱传向桩。沿高度承受三角形荷载，采用钢筋混凝土悬臂构件计算支柱的内力、配筋及柱顶的水平位移。（4）桩承受支柱传来的压力。为支柱提供固端约束，承受支柱传来的弯矩、剪力和轴力，并承受土体的主动土压力和被动土压力，根据水平力作用计算桩的内力和配筋，并确定桩的入土深度，验算提供固端约束的条件。3。2土压力的计算土压力的大小和墙后填土的性质、墙背倾斜方向等因素有关。库仑土压力理论是根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动契体时，从契体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。库仑土压力理论假设墙后填土是理想的散体，也就是填土只有内摩擦角φ而没有内聚力c，因此理论上只适用于无粘性填土，在实际工程中常采用粘性土回填，为了考虑粘性土的内聚力c对土压力数值的影响，在应用库仑理论时，常将内摩擦角φ增大，采用等值内摩擦角φD=30°~35°。另外，库仑理论假设墙后填土破坏时破裂面是一平面、而实际却是一曲面，在主动土压力时，只有当墙背的斜度不大，墙背与填土的摩擦角较小时，破裂面才接近于一个平面，因此计算结果与按曲面滑动面计算的有出入，计算主动土压力时偏差不大，一般在2~10%，计算被动土压力时，误差较大，有时可达2~3倍，甚至更大。在土压力的计算中，计算参数的正确选择与否，对计算结果影响很大，砂土的内摩擦角φ的一般取值：细砂在20°~30°；中砂在30°~40°；砾石、卵石、粗砂在40°~45°。填土与墙背的摩擦角δ随墙背的粗糙度、填料的性质、有无地面荷载、排水条件等因素而变化，墙背愈粗糙，δ愈大；填土的φ值愈大，δ也愈大。δ还与超载的大小和填土面的倾角β成正比。一般δ在0~φ之间。3。3承受水平荷载桩基的计算3。3。1基本假定：单桩承受水平荷载时，把土体视为直线变形体，假定深度z处的水平抗力σa等于该点的水平抗力系数kx与该点的水平位移的乘积，即：σa=kx·X;同时忽略桩之间的摩阻力对水平抗力的影响以及邻桩的影响。常用的理论计算方法有①常数法、②“k”值法、③“m”值法、④“C”值法。3。3。2水平抗力系数当按“m”值法时，地基水平抗力系数的比例常数，可按表2采用。表2地基水平抗力系数的比例常数地基土类别m(kN/m4)s(mm)3淤泥、淤泥质土、饱和黄土2500~55006~12流塑和软塑的一般粘性土、松散粉细砂、松散填土5500~140004~8可塑的一般粘性土和湿陷性黄土、饱和和中密填土14000~320003~6硬塑和坚硬的一般粘性土和湿陷性黄土、中密的中粗砂、密实老填土32000~1000002~5中密和密实的砾砂和碎石类土100000~3000001.5~3其中：s为相应的桩顶水平位移。计算桩身抗弯刚度EI时，桩身的弹性模量，对于钢筋混凝土桩，可采用混凝土的弹性模量的0.85倍。3。3。3确定桩身最大弯矩及其位置，单桩在水平荷载作用下所引起的桩周土的抗力，计算时简化为平面受力，桩的截面计算宽度b0如下：矩形截面桩：当实际宽度b≥1m时，b0=b+1m；b1m时，b0=1.5b+0.5m。圆形截面桩：当桩d≥1m时，b0=0.9(b+1)m；b1m时，b0=0.9(1.5d+0.5)m。桩的变形系数：α=[m×b0/(0.85EI1)]0.2系数CI=α·(M0/Q0)由系数CI查表得相应的换算深度h(h=α·z)和CII：桩身最大弯矩深度z=h/α桩身最大弯矩值Mmax=CII·M03。3。4单桩水平容许承载力：当桩顶水平位移的容许值[X0]为已知时，可按下式计算单桩水平容许承载力：桩顶自由时：[Q0]=0.41·α3·EI·[X0]-0.665α·M0桩顶为刚接时：[Q0]=1.08α3·EI·[X0]4设计计算：4。1土压力根据回填土的要求，假定墙背后回填土容重γ=18kN/m3，墙背倾角η=0°，实际土质的经验值内摩擦角φ=35°，墙背摩擦角δ=20°，墙背填土放坡β≤30°。根据库仑土压力理论，查主动土压力系数Ka=0.36；无粘性土被动土压力系数Kp=8.8。主动土压力强度沿墙高成三角形分布，地坪以上主动土压力Ea按下式计算：Ea=(γH12Ka)/2=(18×102×0.36)/2=324kN/m其水平分量与垂直分量计算如下：Eax=Ea·cos20°=324×0.9397=304kN/mEay=Ea·sin20°=324×0.342=111kN/mEa作用点距柱顶距离：d1=2·H1/3=2×10/3=6.67m4。2板内力及配筋计算：墙背主动土压力强度沿墙高成三角形分布，挡板沿墙高采用横板分段计算，b=1000mm，h=250mm，计算长度l0=1.05ln=1.05×1500=1575mm，两端预埋钢板，与柱槽内预埋钢板焊接，简支于立柱上。σ=γ·H·Ka图2。桩身荷载、弯矩图图3。柱受力图图4。板计算简图4Eax=(γ·H2·Ka·cos20°)/2q=Eaxi-Eaxi-1M=(q·l02)/8经计算，板配筋采用φ12@200。4。3支柱内力及配筋计算：柱截面a×b=1000mm×1500mm，桩间距为3000mm，分段计算柱弯矩及配筋：As7=3880mm，As8=5879mm，As9=8583mm，As10=12228mm。柱身箍筋采用构造配筋。参见图5。支柱顶点的水平位移计算如下：q=3·γH1Ka·cos20°=3×18×10×0.36×0.9397=183KN/m=183N/mmfy=q·H14/(30EI2)=183×(10×103)4/(30×2.94×1015)=21mm4。4桩入土深度计算：根据计算结果，M0=3045KNm；Q0=914KN；N0=655KN。采用“m”法（即kx=m×z）对桩进行桩的水平承载力计算。取地基土水平抗力系数的比例常数m=50000KN/m4，相应的桩顶水平位移[x0]=0.002m。桩截面axb=1000mm×1500mm,桩身最大配筋量As=16050mm2,参见图6。根据以上计算，桩身的最大弯矩处配筋为20φ25+16φ22，桩内的钢筋伸入柱内，参与地坪处柱的受拉钢筋的作用,分层截断。桩基采用人工挖孔桩，矩形钢筋混凝土护壁。4。5验算桩入土深度：经计算Kh==6.562.5，露出地面的支柱可按一端固定的悬臂构件计算。因此，前面的假定是正确的。经验算最大弯矩点在桩上。5工程总结本工程的边坡支护经过详细分析，合理选型，设计模型简单，力的传递明确，设计理论明确。工程1994年12月开工，1995年3月竣工。工程的施工难度不大，施工质量较好。经跟踪实测，支柱顶最大水平侧移为13mm（2001年12月），满足设计要求。参考文献：1)华南工学院等编，《地基及基础》，中国建筑工业出版社，1989年7月。2)徐志英主编，《岩土力学》，中国建筑工业出版社，1989年10月。3)邹仲康、莫沛锵编着，《建筑结构常见疑难设计》，湖南大学出版社，1988年10月。4)陈载赋主编，《钢筋混凝土建筑结构与特种结构手册》，四川科学技术出版社，1992年1月。5)唐锦春、郭鼎康主编，《简明建筑结构设计手册》，中国建筑工业出版社，1992年12月。图5。柱配筋图图8。柱配筋图图6。桩配筋图