淺析排樁支護作為地下室外墻結構的設計與計算

陳 波，黃 杰，彭 科

(中節能建設工程設計院有限公司，四川成都610052)

隨著成都地區高大建筑物的迅速增加，深基坑工程的發展也越來越快，基坑支護手段越來越多，排樁作為常見的支護手段廣泛用于深基坑工程。然而，隨著城市土地的稀缺，建筑用地越來越緊湊，向地下延伸拓展空間迫在眉睫。在這種情況下深基坑支護結構不僅僅只作為臨時性工程使用，而是必須超越使用期限作為地下室結構的一部分使用，即基坑支護結構作為永久性結構使用，這樣不僅節約了工程造價，而且大大地利用了地下空間，提升了城市土地的利用率，也降低了工程造價。基坑支護結構作為永久性結構現有的設計規范沒有明確地給出設計計算方法。

1 淺析設計計算方法

排樁支護作為地下室外墻結構時的設計計算方法傳統采用的是土壓力理論設計方法，該法是在傳統的基坑支護設計方法基礎上適當加大配筋量，這種方法的設計計算在《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120－99)里已經敘述的很清楚，這里不再詳述。

根據邊坡設計理論，提出一種新的排樁支護作為地下室外墻結構的設計方法即潛在滑坡推力理論設計方法，該法是基于永久性邊坡支護設計而提出的。對土質基坑，首先是假設基坑外側土體產生淺層滑動，潛在滑動面破裂角為45°+ψ/2，或為按照瑞典條分法搜索的最不利滑動面;對半土半巖基坑，潛在滑動面假定為巖土分界面，然后利用極限平衡理論計算出潛在滑坡推力，把計算出的推力作為水平荷載作用于排樁，最后按照抗滑樁設計方法進行設計計算。

1.1 結構模型受力分析

排樁支護作為永久性結構其承受的主要荷載為:上部結構產生的豎向荷載、潛在滑動產生的推力、錨固段被動土壓力、地下室底板產生的支撐力、樁錨固段土體的側摩阻力R以及樁端地層產生的端阻力等。

1.2 潛在滑坡推力計算

推力計算應根據潛在滑動面形式的不同而采用不同的計算公式，常見的滑動面有單一平面、圓弧面或折線形，具體的計算公式詳見《滑坡防治工程設計與施工技術規范》(DZ/T 0219－2006)附錄A中的公式，計算出的推力作用點位于排樁L1/2(L1為懸臂段長)處。在計算推力時，設計安全系數Ks建議取值1.05～1.1，而真正意義上的滑坡推力設計安全系數Ks一般取值1.1～1.3。

1.3 錨固深度計算

潛在滑坡推力理論設計方法中錨固深度的計算規范無具體計算公式，一般是根據經驗取值，對于土層或軟巖層為1/3～1/2樁長，對于完整或較堅硬的巖層為1/4樁長，同時還必須滿足排樁豎向承載力計算中需要的錨固深度。

傳統的土壓力理論錨固深度是由被動土壓力產生的抗傾覆力矩除以主動土壓力產生的傾覆力矩不小于1.2安全系數計算得到的，這與潛在滑坡推力理論錨固深度的計算是不一樣的。

1.4 結構內力、變形計算

滑坡推力理論設計方法結構內力、變形計算與傳統的土壓力理論支護結構內力、變形計算方法一樣，都采用彈性支點法進行設計計算，具體詳見《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120－99)附錄 B。

1.5 結構配筋計算

結構受彎、受剪配筋計算是依據《混凝土結構設計規范》(GB 50010－2010)附錄E.0.4及《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120－99)附錄D進行計算的，這與傳統的土壓力理論受彎、受剪配筋計算是一樣的。不同的是潛在滑坡推力理論設計方法結構配筋計算中必須考慮樁豎向荷載作用下的結構受壓配筋，這部分配筋量在傳統的土壓力理論設計方法中是不考慮的。

1.6 樁的豎向承載力計算

潛在滑坡推力理論設計方法受力模型由于局部樁承受了較大的上部結構傳遞的豎向荷載，這里排樁不僅僅是護壁樁，而且還是承受豎向荷載的工程樁，因此，必須根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94－2008)5.2節進行樁基豎向承載力計算，在計算單樁豎向極限承載力時，樁的有效樁長只取錨固段的長度。

潛在滑坡推力理論設計方法必須進行樁的豎向承載力計算，傳統設計方法不進行樁的豎向承載力計算，它只把豎向荷載等效成相應土柱高度，增加土體高度，從而導致主動土壓力的增加，最終把豎向荷載產生的效應等效成了水平荷載產生的效應。

1.7 結構整體穩定性計算

兩種理論設計方法都必須進行結構整體穩定性計算，不同之處在于整體穩定安全系數取值不同，滑坡推力理論設計方法穩定安全系數一般取1.35，土壓力理論設計方法安全系數一般取1.2。

由于滑坡推力理論安全系數比傳統理論安全系數高，因此，無論是在配筋量上、樁數量上、樁間距上都與傳統理論計算出的不一樣。

2 推力理論設計法優勢

采用潛在滑坡推力理論設計法進行排樁支護結構作為永久性工程設計計算比采用傳統的土壓力理論設計法有明顯的優勢，其具體表現在:(1)計算模型與實際受力形式比較相符;(2)假設基坑外側土體存在潛在滑動，計算所得的水平外力比采用土壓力理論計算所得的外力較大，這為結構的永久使用儲備了一定的安全度;(3)進行了樁的豎向承載力計算，從而驗證了樁的錨固深度，而傳統的土壓力理論設計法不進行樁的豎向承載力計算，這存在著一定的風險性;(4)傳統土壓力理論方法一般只進行基坑開挖過程中的結構計算，而不進行地下室施工過程中的結構受力計算。推力理論設計法首先驗算基坑開挖過程中的結構受力計算，然后考慮地下室結構的支撐力再進行結構計算，即同時考慮開挖工況和使用工況下的結構受力，再進行結構配筋。

3 工程實例

擬建高層建筑物位于成都東部膨脹土地區，地上17層，地下2層，高52.5 m，總建筑約2.1×104m2，基礎形式為筏板基礎，基坑開挖深度8.9 m，基坑壁土體主要為填土、黏土、粉質黏土，基坑支護擬采用排樁支護。由于建筑場地局限性，排樁支護結構必須作為地下室外墻結構使用，此基坑工程的設計采用了潛在滑坡推力理論設計法進行，單考慮基坑開挖過程時，單根樁豎向縱筋配筋量As約8 100 mm2，采用傳統土壓力理論設計法計算出的單根樁豎向縱筋配筋量As約6 700 mm2，兩者相差約20%;當考慮結構使用時地下室筏板及基礎梁的支撐力作用，排樁的配筋量將大大減少。錨固段長度比傳統設計法長約2 m，整體穩定性安全系數采用1.35，安全儲備較高，計算結果得到了審圖單位專家的認可，該基坑支護結構可作為永久性結構使用。

4 結論與建議

(1)排樁支護結構作為地下室外墻結構的設計與計算現行規范沒有明確給出計算方法，探討該永久性支護結構的設計與計算對工程建設具有非常重要的現實意義;(2)排樁支護作為地下室外墻結構的設計方法傳統采用的是土壓力理論設計方法，該法即是在傳統的基坑支護設計方法基礎上適當加大配筋量;(3)本文提出了一種新型方法計算排樁支護結構作為永久性工程的設計計算法，即潛在滑坡推力理論設計方法;(4)采用潛在滑坡推力理論設計永久性排樁支護結構比采用傳統的土壓力理論設計有明顯的優勢。

［1］DZ/T 0219－2006滑坡防治工程設計與施工技術規范［S］

［2］鐵道部第二勘測設計院.抗滑樁設計與計算［M］.北京:中國鐵道出版社，1985

［3］JGJ 120－99建筑基坑支護技術規程［S］

［4］李海光.新型支擋結構設計與工程實例［M］.北京:人民交通出版社，2004