排樁與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分配機(jī)制

程建華， 王 輝

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454003)

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排樁與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分配機(jī)制

程建華， 王 輝

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454003)

為進(jìn)一步研究排樁與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分配機(jī)制，在理論分析和基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，以剪力零點(diǎn)為排樁固定端，分別計(jì)算排樁的樁后土壓力及各排土釘拉力，并通過(guò)迭加得到排樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形曲線，為排樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

排樁； 土釘； 土壓力分配； 聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)

0 引言

土釘墻以其工程造價(jià)低、施工速度快的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，但其水平側(cè)移大且對(duì)土層的限制條件多。為進(jìn)一步拓展土釘墻的適用范圍及支護(hù)深度，工程上將排樁與土釘進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。該復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)綜合了排樁和土釘?shù)膬?yōu)點(diǎn)，通過(guò)土釘提高樁間土體的穩(wěn)定性，以設(shè)置排樁減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，相對(duì)實(shí)踐，對(duì)排樁-土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理及土壓力分配機(jī)制的研究相對(duì)落后。工程上常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定排樁與土釘?shù)暮奢d分擔(dān)比例，然后進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。劉斌(2010)[1-3]通過(guò)建立平衡條件，推導(dǎo)出土釘墻與疏排樁的荷載分擔(dān)比例；郭院成(2006)[4，5]針對(duì)樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，提出土壓力的分配機(jī)制；吳忠誠(chéng)(2006)[6]提出疏排樁錨-土釘組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的局部及整體穩(wěn)定計(jì)算公式。本文在理論分析與基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，以剪力零點(diǎn)為排樁的固定端，引入假定條件，分別計(jì)算出樁后土壓力和各排土釘拉力，通過(guò)迭加計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形曲線，為該支護(hù)結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

1 排樁-土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用原理

排樁-土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)是由排樁、土釘、被支護(hù)土體及面層形成的組合體。其中，土釘通過(guò)注漿體的滲透作用主動(dòng)地提高土體的強(qiáng)度與剛度，排樁依靠自身的剛度和強(qiáng)度被動(dòng)地承受土壓力與變形，是一種主被動(dòng)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。構(gòu)造方面，通過(guò)水平方向的土釘和豎直方向的排樁進(jìn)行組合，在樁后土壓力的作用下使土顆粒在相互楔緊的區(qū)域內(nèi)發(fā)生土拱效應(yīng)，并將土壓力分配給排樁與土釘。因土釘墻為柔性，排樁為剛性且有一定的入土深度，這種結(jié)構(gòu)上的差異使得復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理十分復(fù)雜。 ①基坑剛開(kāi)挖時(shí)，因未設(shè)土釘，排樁為懸臂狀態(tài)，墻頂變形最大； ②隨著基坑的開(kāi)挖及土釘?shù)脑O(shè)置，土釘與排樁共同受力，相對(duì)純土釘墻，由于排樁的分擔(dān)作用，使得水平位移在豎直方向減小，呈現(xiàn)上部大下部小的特點(diǎn)； ③隨著開(kāi)挖深度的繼續(xù)增加，排樁上部基本不受力，主要由土釘承擔(dān)，土釘內(nèi)力增大，且峰值向土釘中后部轉(zhuǎn)移；而下部則由排樁與土釘共同承擔(dān)； ④基坑進(jìn)一步開(kāi)挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，新增加的土壓力由下部的排樁與土釘承擔(dān)。

2 排樁-土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分配

2.1 基本思路

基于排樁與土釘?shù)氖芰ψ冃螀f(xié)調(diào)條件，將排樁視為一懸臂結(jié)構(gòu)，在某一工況下(見(jiàn)圖1，圖2)，分別計(jì)算排樁在樁后土壓力和各排土釘拉力作用下的變形曲線，然后進(jìn)行迭加得到復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形曲線，再引入一定的假設(shè)，進(jìn)而得出土釘拉力和樁后土壓力。

圖1 樁后土壓力作用Figure 1 Earth pressure behind row-pile

圖2 土釘拉力作用Figure 2 Tension of soil nailing

2.2 基本假設(shè)

① 排樁與土釘變形協(xié)調(diào)；

② 假設(shè)排樁承受土壓力的減小值由土釘承擔(dān)，即有：E朗肯=E樁后+∑F土釘；

③ 排樁視為懸臂樁，其固定端取剪力零點(diǎn)；

④ 土釘受力與土釘?shù)乃轿灰痞和土釘?shù)乃絼偠认禂?shù)K有關(guān)，即有F=K·Δx。

2.3 推導(dǎo)過(guò)程

2.3.1 樁后土壓力作用下的排樁位移曲線

以樁頂為坐標(biāo)原點(diǎn)O，則排樁在任一截面x處所受荷載為：

排樁在任一截面x處的彎矩為：

M(x)=

2.3.2 土釘拉力作用下的排樁位移曲線

以樁頂為坐標(biāo)原點(diǎn)O，則在第i排土釘力作用下排樁所受彎矩為：

分別求得排樁在樁后土壓力及各排土釘拉力作用下的位移曲線后，進(jìn)行迭加便可得到復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形曲線。

3 考慮施工過(guò)程的受力變形分析

① 第一步開(kāi)挖。

為使計(jì)算結(jié)果更加精確，考慮第一步開(kāi)挖時(shí)樁體較小的側(cè)移變形，樁后土壓力考慮為主動(dòng)土壓力，此時(shí)樁體的變形曲線f1(x)=y1(x)，此時(shí)還未設(shè)置土釘1，土釘1位置處的變形記為f1(x1)。

② 第二步開(kāi)挖。

③ 第三步開(kāi)挖。

④ 第i步開(kāi)挖。

在進(jìn)行第i步開(kāi)挖時(shí)受力的土釘有土釘1、土釘2、……土釘i-1，其拉力分別為F1、F2、……Fi-1，根據(jù)前面假設(shè)有：

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)排樁-土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)，以剪力零點(diǎn)為排樁固定端，引入E朗肯=E樁后+∑ F土釘假定，建立土壓力的分配機(jī)制，分別計(jì)算排樁與土釘承受的土壓力，對(duì)充分發(fā)揮復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載能力及合理設(shè)置土釘具有重要的理論指導(dǎo)作用。目前，排樁-土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工中已有較為廣泛的應(yīng)用，但對(duì)其作用機(jī)理及土壓力分配機(jī)制的研究還存在較多問(wèn)題，有待進(jìn)一步的理論分析與試驗(yàn)研究來(lái)解決。

[1] 劉斌，楊敏，楊志銀，等.疏排樁-土釘墻組合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43(10)：106-114.

[2] 劉斌，楊敏.疏排樁-土釘墻組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的疏排樁計(jì)算模型[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012，45(11)：159-165.

[3] 劉斌，楊敏.疏排樁-土釘墻組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)與支護(hù)特性[J].2011，7(增1)：1372-1376.

[4] 郭院成，李峰，劉建偉.樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分配機(jī)制[J].河南科學(xué)，2006，24(4)：564-566.

[5] 郭院成，劉建偉，李峰.樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].河南科學(xué)，2006，24(2)：233-236.

[6] 吳忠誠(chéng)，楊志銀，羅小滿，等.疏排樁錨-土釘墻組合支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(增2)：3607-3613.

The Distribution Mechanism of Earth Pressure of Composite Retaining Structure of Row-pile and Soil Nailing

CHENG Jianhua， WANG Hui

(School of Civil Engineering of Henan Polytechnic University， Jiaozuo， Henan 454003， China)

To study further the distribution mechanism of earth pressure of composite retaining structure of row-pile and soil nailing，the position which shear force is zero is taken as fixed point，and earth pressure behind row-pile and tension of rows of soil nailing are calculated respectively based on theory analysis and basic assumption.Then ，deformation curve of composite retaining structure of row-pile and soil nailing is obtained through superimposing.The paper will supply theory foundation for popularization and optimization of composite retaining structure of row-pile and soil nailing.

row-pile； soil nailing； distribution of earth pressure； composite retaining structure

2015 — 04 — 10

國(guó)家自然科學(xué)基金(41072224)

程建華(1976 — )，男，河南開(kāi)封人，講師，一級(jí)建造師，主要從事基坑支護(hù)的教學(xué)與研究工作。

TU 476

A

1674 — 0610(2016)05 — 0205 — 03