管桩支护

PHC管桩在基坑支护工程中的应用吴连祥启东市建筑设计院有限公司2014.10内容一、概述二、管桩支护结构设计方法与步骤三、构造与细节的几个注意点四、应用实例一、概述随着城市建设的发展，城市建筑用地越来越紧，价格也越来越高，因此，一些高层建筑逐步向地下发展，带动了地下空间的开发，由此出现了大量的深基坑工程，深基坑支护问题应运而生。虽然基坑支护是一项临时性的工程，但它在建筑物的建造过程中却是一项非常重要的工作，它直接关系到工程造价的高低，工期的长短，直接关系到施工和周围环境的安全，社会影响面很广。目前深基坑支护普遍存在以下难题：1、基坑挖土深，2、施工难度大；3、造价控制紧；4、环境很复杂；5、工期要求严。因此，基坑支护设计，选择技术可行、造价合理、安全可靠的方案，我们需要考虑许多因素的平衡。近十多年来，混凝土管桩的生产和应用，发展迅猛，目前，仅江浙沪三地，管桩的生产厂家就超过了200家，年产管桩2亿多延米。由于混凝土管桩具备许多优点，因此，在全国各地被大量使用和推广。管桩的优点：1、单桩承载力高、2、施工速度快、施工工期短、3、造价便宜、4、施工现场文明、整洁目前，混凝土管桩的应用情况：抗压桩大量使用主要承担竖向压力抗拔桩少量使用主要承担拉力抗弯桩很少使用主要承担侧向力近年来，理论研究和工程应用表明：PHC管桩用作深基坑支护结构的抗弯构件，不仅技术上可行，而且对提高施工效率，缩短工期，节约造价非常有利，同时又具有很好的环境效应。二、管桩支护结构的设计方法与步骤1、资料搜集2、荷载计算3、内力及变形计算4、管桩强度验算5、稳定性验算2、资料搜集基坑支护设计时必须搜集下列资料：主体结构设计图纸至少应有建筑物的总平面图、地下室结构平面和剖面图、桩位图，以明确基坑边线与红线的关系、确定挖土深度和挖土范围。工程勘察报告提供基坑工程设计所需的土工参数指标，如供计算土压力之用的抗剪强度指标、土层的渗透系数等；评价地下水对基坑工程的影响，提出降水或截水方案的建议；对基坑方案提出初步的建议，并论证实施这些建议方案的条件和设计、施工应注意的问题；提供场地地下障碍物的分布范围、埋藏深度、分散程度以及挖除处理方法的建议；提供场地平整时回填土的情况，包括回填材料、密实度及在场地的分布情况以及暗浜的分布范围及其深度；提供各种必要的图件和表格。环境调查资料调查基坑周边邻近建筑物和市政设施的基本情况，研究它们对土体变形的承受能力和敏感程度，确定控制标准。基坑周边建筑物情况调查范围：应根据周围建筑物的实际情况确定，一般在基坑外缘以外20～50m范围内，基坑浅用下限，基坑深用上限。调查的内容包括：建筑物的分布情况；建筑物与基坑边线的距离，与红线的距离；建筑物的平面尺寸、层数、高度，建筑物的性质，结构特点、基础型式、基础埋深；在基坑开挖前建筑物已有的裂缝和倾斜等情况。基坑周边市政设施情况市政设施包括地下管线（煤气、上水、下水、动力电缆、通讯电缆等五大管线）；变电站、泵房；地下构筑物。在地下管线中，煤气管线最为敏感，一旦有所损坏，后果非常严重。不同年代的管道，接头的方法不同，对差异沉降的承受能力也各不相同，尤其是年代久远的煤气管道更容易折断破裂。基坑周边道路情况调查周边地区道路的数量、性质，路面结构；了解道路交通流量、通行规则；道路路面的损坏情况及已经修复的情况。基坑工程施工条件包括：施工装备；检测设备；施工队伍的经验、技术水平与管理水平。2、荷载计算作用在支护结构上的水平荷载：主要有土压力、水压力；施工荷载；永久荷载；土压力、水压力关于土压力的计算，规程规定：采用朗肯理论计算。在考虑土中水对侧向压力的影响时，规程作了规定，即砂土和粉土采用水土分算，粘性土采用水土合算。经典土压力理论经典土压力理论：1、得到的是极限值2、只能计算刚性界面上的接触压力3、是在平面应变条件下的解答经典土压力理论得到的是极限值基坑尚未开挖时作用在围护结构墙面上的是静止土压力，此时土体处于完全弹性状态。基坑开挖以后土体处于塑性局部发展的过程中，墙后和墙前的土压力都没有达到极限状态，处在图中的两条不同的曲线上，而按经典土压力理论计算的仅是曲线的两个端点。至于塑性发展的过程，经典土压力理论并没有给出解答，迄今为止，还没有解析的方法可以计算这个过程。经典土压力理论只能计算刚性界面上的接触压力经典土压力理论没有考虑挡墙本身的变形，即将挡墙作为完全刚性的，只考虑挡墙的平移或转动等刚性位移。但在基坑工程中，排桩式和板式支护结构都是柔性的，会产生比较大的变形，而且在支撑和锚杆的约束下，支护结构的变形非常复杂，目前也没有解析的方法可以计算柔性挡墙与土体的接触压力。经典土压力理论是在平面应变条件下的解答无论是库仑理论，还是朗肯理论，都是平面应变条件下的解答，没有考虑末端的影响。而实际的工程条件总是有限长的，在长边方向的中部，比较接近于平面条件，但在基坑的转角处则与平面问题假定相距甚远，存在末端的影响。实测与理论分析的结果都说明：土压力的分布与墙的位移条件有着密切关系。理论计算的结果虽然是在简化假定的基础上求得的，但和试验的结果却非常吻合，至少可以说明刚性墙的土压力分布的不同图形是由于墙的位移性质所决定的。水土合算与水土分算在土压力计算公式中，要用到土的重度指标，这反映了土体的自重对土压力的影响。所谓水土合算和水土分算，就是在计算公式中，土的重度是用天然重度还是浮重度，在物理概念上是土中水对挡墙的作用如何考虑的问题。从不同的概念出发，建立在不同假定的基础上，采用不同的强度指标，可以得出不同的计算方法。总应力法计算水土分算：地下水作用单独考虑，土压力用浮重度计算，但内摩擦角则用总应力指标计算：EhKhaaw121222Ktgacu242水土合算：地下水的作用合在土的重度中反映，故采用饱和重度计算，内摩擦角也采用总应力指标：EhKasata122Ktgacu242被动土压力考虑到发挥主动极限状态和被动极限状态所需的位移不同，在主动土压力一侧出现极限状态时，挡墙的内侧远未达到极限状态，因此不可能发挥全部的被动土压力。鉴于这种考虑，有的规范规定对按被动极限状态计算的土压力必须乘以小于1的经验系数，作为被动土压力。土工指标采用水土分算的方法计算土压力，则应提供有效强度指标；采用水土合算的方法，则应提供总应力指标。最好用三轴CU试验，如果没有条件，采用直剪固快试验也是可以的。作用于支护结构的水压力无地下水渗流时，作用在围护结构外侧的水压力：在坑内水位以上按静水压力三角形分布计算；在坑内水位以下按矩形分布计算，即水压力沿深度不变，不计作用于围护结构被动土压力侧的水压力。无地下水渗流时的水压力分布dh有地下水渗流时，作用在围护结构外侧的水压力：在坑内水位以上按静水压力三角形分布计算；在坑内水位以下按倒三角形分布计算。考虑渗流时的简化分布图式dh施工荷载通常考虑20kPa施工荷载，如果过大的超载无法避免，则应在设计时加以考虑。对于设计时没有考虑的超载必须严格禁止出现。施工荷载还包括塔吊的荷载以及其它建筑机械的荷载；如挖土机械利用支撑承载，在支撑设计时必须计入机械的荷载作用。永久性荷载基坑设计的永久性荷载主要是：基坑周边建筑物的基础底面荷载，这种荷载对基坑稳定性有一定的影响。当建筑物距基坑比较近，由这些永久性荷载产生的土压力就不能忽视。均布和局部均布荷载作用下的主动土压力3、内力及变形计算管桩支护结构属于排桩支护结构的一种形式，管桩支护结构类型：1、悬臂结构：无撑无锚；2、单支点结构：一道撑或一道锚；3、多支点结构:多道撑或多道锚。常用的支护结构体系排桩式土钉墙喷锚支护钢管桩混凝土管桩钢板桩板墙式板桩式组合式粉体喷射注浆桩墙灌注桩高压喷射注浆桩墙深层搅拌水泥土桩墙边坡稳定式排桩与板墙式水泥挡土墙式现浇地下连续墙灌注桩与水泥土桩结合加筋水泥土围护墙型钢横挡板加筋水泥土墙悬臂结构悬臂结构：是依靠自身的刚度和强度维持稳定的支护结构。当重力式挡墙因场地宽度不够而不能采用时，悬臂式挡墙就能克服这个缺点，但悬臂式挡墙的位移比较大，难以满足周边环境的严格要求，一般只能用于浅基坑。悬臂结构示意图单支点结构单支点结构：依靠一道撑或一道锚来维持基坑稳定，一般用于挖深不大的基坑工程。锚一般采用土层锚杆；土层锚杆要求具有比较好的地质条件，同时还必须有足够开阔的场地条件或者容许锚杆可以伸入红线以外的土层中。单支点结构示意图多支点结构多支点结构：依靠多道撑或多道锚来维持基坑稳定，对于深基坑可以采用多道撑或多道锚来平衡土压力，因而可以适用于开挖得较深的基坑。多支点结构示意图计算方法管桩支护结构内力及变形的计算方法：古典分析方法;解析方法;数值分析方法。古典分析方法古典分析方法：不考虑墙体及支撑的变形，将土压力作为外力施加于支护结构，然后通过求解水平方向合力及支撑点弯矩为零的方程得到结构内力。包括：静力平衡法、等值梁法静力平衡法适用于悬臂式挡土结构和下端自由支承的单锚式挡土结构。1、悬臂式挡土结构：计算简图如右图，按悬臂梁计算。找出Q=0的点，求Mmax。2、下端为自由支承的单锚式挡土结构：当挡土结构的入土深度不太深，或下端土质较差时，结构下端可视为自由支承，计算简图如右图所示，按简支梁计算。取支点处ΣM=0，求桩的入土深度，ΣX=0，求T，求Q=0的点位，求Mmax等值梁法适用于下端为固定支承的单锚式挡土结构当挡土结构的入土深度较深，或下端土质较好时，结构下端可视为固定支承，计算简图如右图所示，为一次超静定结构。将土压力零点近似作为弯矩零点，ac梁即为ab梁上ac梁的等值梁，这样就将一次超静定结构简化为静定结构。求ac梁上Q=0的点，求Mmax解析方法解析方法是通过将挡土结构分成有限个区间，建立弹性微分方程，再根据边界条件和连续条件，求解挡土结构内力和支撑轴力。数值分析方法古典分析方法和解析方法由于在理论上存在各自的局限性而难以满足复杂基坑工程的设计要求，随着基坑工程的发展和计算技术的进步，目前常用的数值分析方法主要有平面弹性地基梁法和平面连续介质有限元法，北京理正，同济启明星等软件都是采用此类方法计算。管桩挡墙虽然由单个桩体组成，但其竖向受力形式与板式结构是类似的，其区别在于分离布置的管桩之间不能传递剪力和水平向的弯矩，在设计中一般通过在水平向设置围懔来加强桩墙的整体性。计算时，一般将桩墙按抗弯刚度相等的原则，等价为一定厚度的板式结构进行内力分析，仅考虑桩体竖向受力和变形。采用北京理正或同济启明星等软件可以方便地对管桩支护结构进行内力和位移计算，自动绘出内力及位移包络图，有撑或锚时还给出支点力。4、管桩强度验算PHC管桩的抗弯性能是用作支护桩的重要指标。通过PHC管桩的抗裂弯矩、设计弯矩和极限弯矩来衡量，江苏省《预应力混凝土管桩》（苏G03-2012）图集中各种型号PHC管桩的抗裂弯矩值、设计弯矩值和极限弯矩值等指标详见图集列表。需要注意的是在支护结构、撑锚的结构设计表达式中，必须充分注意荷载和抗力的统一。这是因为，产生结构内力的荷载主要是由土形成的，所求得的土压力和结构内力都是标准值，但材料的强度采用现行的混凝土结构规范的设计值，则设计表达式的两端是不一致的，必须采取一定的调整措施加以平衡。规程规定：支护结构构件按承载力极限状态设计时，作用基本组合的综合分项系数取1.25。软件计算出的内力是标准值，因此，应将软件计算出的管桩的最大内力标准值X1.25，换算成最大内力设计值；再与该管桩图集列表中的设计弯矩值、设计剪力值进行比较，判断所选PHC管桩是否满足要求。锚、撑在结构配筋计算时，也应考虑这一因素。5、稳定性验算稳定性验算，实际上就是验算支护结构在土压力和水压力作用下是否满足静力平衡条件，并是否具有所要求的、必要的设计安全度。悬臂式