“桩墙合一”技术优化方案

“桩墙合一”技术优化方案

鲜晓东 ,黄强 ,李泓洋 ,雷炜 ,钟渊昌

中国建筑第八工程局有限公司西南公司  430000

[摘  要]武汉某项目，原设计地下室外墙采用三角形扶壁式板提供侧向力，造成外墙与支护桩之间距离过大，土方开挖较大，且扶壁板施工困难。本文针对该问题，提出“桩墙合一”做法，让支护桩与外墙协同工作，通过有限元数值分析，确定该方案的可行性，形成较大经济效益。

[关键词]结构优化；桩墙合一；数值模拟

1  研究背景

传统地下室结构，采用支护桩抵挡土压力，外墙与支护桩之间采用回填材料回填。该形式已得到普遍应用与验证，具有足够的安全性，但却存在一定的经济性影响。设计中，支护桩与地下室外墙，都具有单独抵抗土压力的能力，这在实际应用中造成一定的浪费，因此“桩墙合一”的做法渐渐被提出，利用桩+地下室外墙协同受力的方式，可提高整体抗侧刚度，减少材料用量，形成一定的经济效益。

“桩墙合一”支护结构，是将基坑外围护的排桩与地下室外墙，通过传力的板带进行连接，将支护桩也纳入地下室主体结构永久体系的一部分，共同承担地下室水土压力荷载。国内刘引兰[1]首先在实际工程中推进的“桩墙合一”的设计与施工方法。左人宇[2]提出采用弹性地基梁法对其进行受力分析，实现在沿海软土地域的可行性。王卫东、沈建等[3]提出采用m值法的有限元分析进行其受力分析。

2  工程概况

2.1  项目简介

武汉某项目位于湖北省武汉市，工程设计地上为一层钢框架结构，地下为一层无顶板水池，水池深度为9m；场地绝对高程为26.850，坑底标高为16.850；工程所采用基础为桩孔灌注桩+筏板，基础设计等级为甲级。

2.2  基坑支护情况

基坑支护原设计采用排桩+内支撑方式，由于地下室为9m深无顶板水池，原设计考虑水池采用扶壁式挡土墙，基坑安全等级为一级，支护设计使用期限为12个月。

2.3  工程地质条件

根据岩土工程地质勘察报告和野外钻探结果，本次勘察深度范围内场区地层自上而下可分为六层：素填土、粉质黏土、黏土、强风化泥质粉砂岩、中分化泥质粉砂岩、中分化石灰岩。

作者简介: 鲜晓东，男，1992年02月生，结构设计师，E-mail：1172782528@qq.com。

通信地址：成都市高新区天府大道1480号拉德方斯大厦东楼9F(610000)

2.4  “桩墙合一”概况

   基坑支护原设计为排桩+内支撑方式，水池采用扶壁式挡土墙；采用上述方式存在弊端：1、内支撑影响施工进度；2、采用扶壁式挡土墙基坑开挖范围更大，土方增加且施工不便；3、工程造价高。针对上述情况，拟采用“桩墙合一”方式：1、先将项目内场坪标高降4m达到卸荷目的；2、将排桩与无扶壁挡土墙通过传力板连接为一体。此方式既能缩短排桩与挡土墙距离，又能取消扶壁式挡土墙，达到节约成本加快施工进度的目的。

3有限元建模与分析

本文采用Midas/GEN2021建立“桩墙合一”协同受力模型进行数值模拟分析，模型主要探究该方案在荷载作用下的受力特性是否满足规范设计要求，并对部分参数提出一定的优化建议。

3.1  模型基本参数

已知支护桩为φ1200@1500，采用梁单元模拟，桩与筏板交接部位，铰接考虑筏板约束影响，下部桩采用土弹簧约束侧向位移；地下室外墙原设计为变截面，下部1m，上部0.7m，模型优化为0.7m厚计算；桩顶采用梁板体系作为传力板带与地下室外墙连接，形成“桩墙合一”体系。该梁板体系后期作为施工用行车道。

荷载主要分三个部分

1）桩侧考虑静止土压力跟静水压力作用，同时考虑行车超载荷载为15kN/m2。静止土压力系数取值为Ka=0.5。

2）根据建筑功能，墙内日常满水工况，因此主要考虑水压力。

3）传力板带：施工过程中作为车道，考虑行车荷载35kN/m2；后期回填土4m，土压力荷载80kN/m2，二者取大值计。

考虑“桩墙合一”模型的复杂性，桩基与土相互约束作用采用“m值”法进行模拟[4]，建立包含地下室外墙、支护桩、传力板带的协同模型。支护桩约束土层均为中风化泥质粉砂岩，土层主要为卵石土，容重，，。根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012，初步假定挡土构件在坑底处的水平位移量不大于10mm时，可根据经验公式计算：

根据如下公式，计算各分层点侧向约束刚度。

式中：

a：各土层厚度，根据模型节点，取值500mm

b:桩的计算宽度，取值1200mm

m:地基土的比例系数

z：各土层中点距地面的距离

图3. Midas模型

3.2  内力分析

针对计算结果进行分析，在外围土压力作用下，“桩墙合一”体系中支护桩弯矩为，若仅考虑支护桩抵抗土压力，支护桩弯矩为。因此新的结构形式下，支护桩整体弯矩可降低41.7%，其影响是巨大的。

同理，针对地下室外墙对比分析。考虑墙内为满水工况，因此内侧为水压力；外侧则为肥槽回填土，该部分土能提供的侧向支撑较弱，暂不考虑；传力板带上方为回填土，会产生外侧土压力。综合考虑三种荷载，在“桩墙合一”体系下，外墙最大弯矩为

（由于模型简化，取中部位置结果）。原设计采用4.5m间距扶壁板提供侧向支持，其最大弯矩为，二者计算弯矩接近。

3.3  变形分析

提取各工况变形情况分析。以桩顶部位作为参考，“桩墙合一”在外侧土压力作用下，桩顶最大位移为3.895mm，相较于单支护桩8.342mm的变形，仅为其47.7%，整体刚度提升效果明显。

3.4  传力板带分析

“桩墙合一”的前提是传递板带起到较好连接与传递荷载的作用。本案例中，传力板带采用梁板体系，梁尺寸500×1300mm，间距4.5m，板采用300mm厚C30混凝土。综合实际使用阶段，由于外侧土压实始终存在，因此主要考虑2个工况，分别为墙内有水跟无水，分别对于土压力+水压力与仅有土压力两种工况。

（1）土压力：体系刚成型时，墙内尚未灌水，此时体系主要承受外侧土压力荷载。此时传力板带中梁以弯矩为主，弯矩为，轴力为

（2）水压力+土压力：此时双侧分别为水压力跟土压力，将导致传力板带受力形式改变。此时传力板带中梁仍以弯矩为主，但有所减少，弯矩为，轴力有所增大，为。

另针对板与梁的内力分配进行分析，此处以外围土压力作用工况为对象。分别提取板单元弯矩与轴力，入下图所示，弯矩为44.6kN∙m，轴力为26.6kN。通过与前述梁结果对比，可以得出结论，传力板带中，主要靠梁单元传递弯矩，承担约94.3%的弯矩；板单元主要传递轴力，承担约65.8%的轴力。

3.5  配筋计算

根据前述提取的弯矩计算结果，地下室外墙与原有弯矩结果接近，可直接取用原有结果；支护桩弯矩与变形均小于原设计，可保留原结果，作为富余度储备。因此主要针对传力板带进行配筋计算。根据《混凝土结构设计规范》[5]进行设计配筋，传力板面采用双层双向C16@125，传力板梁采用6C22即可满足强度要求。

4总结

本文根据某项目进行“桩墙合一”体系的验算，得出以下结论：

（1） “桩墙合一”体系下整体刚度更大，变形量更小，大致为单支护桩形式下的47%。

（2）地下室外墙可取消原设计扶壁板，减少工程量，方便施工。

（3）传力板带受力模式均为压弯构件，但梁单元主要传递弯矩，板单元则主要传递轴力。

（4）计算结果表明，“桩墙合一”体系可替换原有体系。根据计算结果，支护桩仍有一定的优化空间。

参考文献

[1]刘引兰, 康忠山, 张家骥. 护坡排桩兼作地下室外墙承重结构的设计与施工[J]. 施工技术, 1998(9).

[2] 左人宇．“一桩三用”技术与实践[D] . 杭州: 浙江大学岩土工程研究所，2001．

[3] 王卫东, 沈 健. 基坑围护排桩与地下室外墙相结合的“桩墙合一”的设计与分析[J]. 岩土工程学报, 2012, 34 (增刊): 303-308

[4] JGJ120-2012.建筑基坑支护技术规程[M].北京. 中国建筑工业出版社.2012.

[5] GB50010-2010（2015年版）.混凝土结构设计规范[M].北京. 中国建筑工业出版社.2011.