木桩在基坑支护中的应用

科技信息　０建筑与工程０　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１１年第２７期　木桩在基坑支护中的应用　赵永洪　（浙江中材工程勘测设计有限公司　浙江杭州　３１　００２２）　【摘要】木桩具有取材方便，价格便宜、施工方便和可以重复利用等特点，在软土地区的基坑支护中得到广泛应用，本文通过对木桩与锚　杆（土钉）复合支护体的设计方法、变形特点、应用范围的讨论，对木桩在基坑支护中的应用提出建议。　【关键词】木桩支护；锚杆；土钉；复合土钉墙　０前言　在基坑支护的工程实践中．对于深度３—５ｍ基坑．大量应用松木　桩＋土钉（锚杆）作为围护体，对于开挖深度不大，周围环境条件不复杂　的绝大多数基坑而言．采用这种支护形式均能较好的满足要求．但大　多数基坑在设计时均从经验出发．在木桩应用中存在着计算模式不　∑［　Ｌ　＋（　＋Ｑ　）ｃ。ｓｄ　ｔａｎ　］＋∑　（ｓｉｎ］３￣ｔａｎ￣＋Ｓｈｃｏｑ￣）／Ｓ，，＋Ⅳ∑　ｃ。ｓ　∑［（　＋Ｑ　）ｓｉｎｔ￣　］　式中：　Ｓ　：土钉水平间距；卢　：土钉与圆弧切向的夹角；ＯＬ　：切面法线与竖　清，设计概念不明、难以定量计算等问题．本文通过对这些问题的总结　向的夹角　讨论和应用实例分析．对这种支护形式的设计计算及工程应用提出建　Ｇ：滑动面处土体的粘聚力；　．：土体的内摩擦角；　．：土体条块的　议　滑弧长度　：１设计计算　１．１木桩在围护体中的作用主要有以下方面　１．１．１挡土作用．在流塑状的软黏土层中．密排木桩具有阻止土体流　为第　根木桩的极限抗力　：桩身与圆弧滑动面的交点与圆　动的挡土作用　１．１．２承受水平土压力．由于基坑的开挖基坑内侧的土体被挖除后．　基坑外土对木桩有侧压力作用．木桩抵抗水平土压力。　１．１．３防止基坑整体破坏．由于木桩的横向抗剪强度远高于土体．打　设木桩后．滑动面下移至桩底附近．使得坑壁的整体稳定性大为提高　特别是在桩底进入下部较好土层时作用尤为明显。　１．１．４减小坑壁位移．加插木桩后．同无木桩的情况比较而言，由于木　桩插入坑底．木桩本身具有较大的抗弯能力．因此坑壁位移会显著减　小。　１．１．５防止坑底隆起．对与坑底为淤泥质土的基坑而言．当坑内土体　挖除后由于上覆压力的减小．坡脚土体的地基承载力将大幅度降低，　当设置木桩后坑壁土体的自重一方面可通过木桩向下传递．同时木桩　也阻断了土体运动的通道．对坑底隆起起到很好的抵抗作用．同时也　减小了地表沉降．增加了坑壁的稳定　１．２以下针对上述情况讨论围护木桩的设计问题　１．２．１对于木桩的挡土作用一般据经验保证．在杭州地区的淤泥质　土．一般采用梢径不小于１００ｍｍ的松木桩，间距３００—５ｏｏｍｍ，大约每　延米３根左右．太密不容易施工．太疏可能桩后土体流失过大，造成边　坡变形较大．当设置土钉及面层钢筋网时可不受此限。　１．２．２木桩能抵抗水平土压力．由于木桩的长度不大．突出坑底部分　不长，因此一般不需要计算，若情况特殊，也仅需计算坑底以上部位木　桩的抵抗矩是否满足要求即可　△　单位力作用在点１（第一排土钉与挡土桩交点）处引起的挡土　１．２＿３整体稳定性分析．采用圆弧滑动法计算．考虑木桩的抗剪作用　桩的位移：　采用下式计算…（见图１）：　△　土压力作用在点ｌ处引起的挡土桩位移；　一心的连线与铅垂线的交角　Ｎ：为每米木桩数量。　１．２．４位移计算　对木桩复合土钉墙来说．由于高度不高．在满足土钉能抵抗土压　力的情况下，一般位移量都比较小，若要计算其位移，可以将土钉（锚　杆）视为桩体的一个支点，将桩视为连续地基梁进行计算，考虑在土压　力作用下，钉桩变形协调建立变形协调方程，进行计算。具体如下１２］：　（１）计算模型　ａ．设基坑开挖时挡土桩围护结构随着开挖阶段绕开挖面以下的某　点转动．该点随开挖面的变化而变化，当上道土钉（锚杆）施工时候，　取下道土钉（锚杆）拟施工处作为不动点，当最下道土钉（锚杆）施工时　候取坑底面下某点为不动点．并演算至最终开挖深度。　ｂ．土钉（锚杆）作用处，土钉（锚杆）与桩变形协调，交点无相对位　移。　ｆ２）考虑施工过程的锚杆挡土桩内力变形分析　ａ．第一次开挖见图２－ｉ．开挖到第一排锚杆设置处以下０．５ｍ．准　备打入土钉（锚杆）．假定原设计第二排土钉（锚杆）（０１）处为不动点，　按悬臂桩求档土桩固定端以上各点的位移ｓ　ｂ．第二次开挖见图２—２，第一排土钉（锚杆）已经打设，开挖到第二　排土钉设置处以下Ｏ．５ｍ．准备打设第二排土钉（锚杆）时，假设原设计　第三排土钉（锚杆）处为不动点，若无第三排土钉（锚杆）可假设土钉等　间距布置．自第二排土钉（锚杆）作用处向下取一个土钉竖向间距作为　不动点（０２）可以列出第一排土钉（锚杆）处的位移协调方程：　△　ＰＩ　一Ａ　一Ｓ　…・・③　０。　只　：第一排土钉的抗拔力；　Ｓ　第一排土钉与挡土桩交点处挡土桩的位移；　Ｐ１．与Ｓ　的关系可以根据土钉（锚杆）在该点的抗拔力试验Ｐ—Ｓ　，　曲线　用最小二乘法进行ｋ次多项式拟合得到　１　ｉ　一　Ｐｌｌ＝　１＋Ⅱ１１Ｓ】ｌ＋・・・ｑｌＳ　ｌ＋…＋　１Ｓ　ｌ（ｉ＝１・・‘ｋ）。＿＿＿・。　式中为拟合时求得的各项常数　将④式代人③式，可求出抗拨力允许范围内的唯一的Ｐ　和ｓ．．同　图１整体稳定计算图　整体稳定安全系数　Ｆ：　‘　：　时求出该施工过程。锚杆和挡土桩固定端以上各点的内力和位移　ｃ．第三次开挖．前面两排土钉（锚杆）已经打设，开挖到拟打的第　三排土钉（锚杆）设计处以下Ｏ．５，设原设计第四排土钉（锚杆）处为不　动点，同样可以列出第一排土钉（锚杆）与第二排土钉（锚杆）与挡土桩　交点处的变形协调方程。以此类推计算至最终工况，对于一般的木桩，　土钉复合挡土墙而言．受限于木桩的长度一般为５－６米．土钉一般设　置１—２排就可，对于未设置第三排土钉（锚杆）的情况，当开挖至坑底　２９ｌ　２０１１年第２７期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｏ建筑与工程。　科技信息　时不定点可以考虑为基坑开挖面以下的某点　可假定为底面以下挡土　表１土层物理力学性质一览表　桩人土深度的０．６倍为固定端，进行计算　（见图２—３）。　Ｗ　Ｉｌ　Ｅ　固结快剪　Ａｌｌ‘Ｐｌ２＋△ｌ２・　１一△１Ｐ＝一Ｓ１２　层号　层名　％　ｋＮ／ｍ　ＭＰａ　Ｃ　‘Ｐ　△２ｌ’ＰＩ２＋△２２・Ｐ２１一△２Ｐ＝一ｓ２１　１—１　素填土　２９＿３　１９ｌ３　０４２３　ｌ９　１２　，，ｓ　为第三次开挖时挡土桩上点１的内力和位移值；　ｌ一２　．，ｓ　为第三次开挖时挡土桩上点２的内力和位移值。　塘泥　６７－３　１６．７　８　４　△　为点２作用单位力在点１引起的位移值。　２　粉质黏土　３３．９　ｌ８．６　０．５３８　４　１５　９　第二次开挖时．因为第一排锚杆已经受力，因此开始有位移。第三　４　淤泥　５１．２　１７－２　１．５４５　２．１６　１０　４　次开挖时，受力继续增加，位移也相应增加，因此．在共同作用分析时　７　粉质黏土　２７．０　１９．６９　０．６５６　５　２６．２　１５．７　候，位移不是从零点算起的，而是从前一次开挖位移开始，相当于把　９－１　粉质黏土　２５．１　１９－９６　０．４８０　６．６９　２６．７　１７．７　ｓ曲线的零点位置移到该点处　所以在进行第一排Ｐ—Ｓ曲线拟合时．应　该重新以Ｐ１　、５．．点为曲线零点进行拟合，曲线重新拟合后，在右边加　２．１本工程东侧２－２剖面开挖深度４．８Ｏｍ由于具备一定的开挖空　上以知的　，值，即可得到第三次开挖时　，和ｓ　的关系式，即：　间，采用木桩＋土钉作为支护结构如下图：　ｌ　ｉ　Ｐ　２＝ｎ０２＋ｎ１２Ｓ１２＋。＿’ｑ２Ｓ　２＋…＋　２ｓ　２＋ＰＩｌ　对于第二排土钉（锚杆），由于刚刚受力，因此，只　与ｓ，　的关系可　以直接由第二排土钉（锚杆）的抗拨力试验．用最小二乘法进行Ｋ次多　项式拟合求得：　　１ｉ　Ｐ２１＝６０ｌ＋６ｌｌＳ２１＋－．－ｂ　ｌＳ２１＋…＋６　ｌ　１　获得计算结果后．将各次计算的挡土桩变形值累加．即为开挖后　的最终变形，最后计算出来的内力即为各排土钉（锚杆）的受力。　有一点值得注意的是．由于计算模型未考虑土钉对土质的改善作　用和变形后土钉受力性能的改变．仅独立考虑变形协调和受力相等．　图３支护结构剖面图　实际上是按挡土桩＋锚杆考虑的．所以原则上只适用于锚杆与坡前桩　的结合。但对于一般为软土地区．当设置足够长度的钢管土钉时．微小　２．２当坡顶超载取１５ｋＰａ．经验算当不考虑木桩时．最几可滑动面为　变形对土钉受力性能影响有限．所以实际上是用钢管土钉代替了锚　弧ＡＢ，其整体稳定系数为Ｏ．９８７，当考虑木桩并沿过桩底弧ＣＤ滑动时．　杆，土钉也接近于锚杆的作用．这样计算模型也符合土钉＋木桩的组　其整体稳定系数为１．８４１。所以当木桩打设后，对于圆弧滑动其整体稳　合。　定系数应介于０．９８７　１．８４１之间。当沿弧ＡＢ滑动时，不考虑木桩滑动　因此当采用锚杆或具有足够承载能力和长度的土钉情况下．通过　力为４６０ｋＮ／ｍ航滑力为４５７ｋＮ／ｍ。考虑木桩时．按嵌固段（ＥＦ段）被动　现场试验建立钉土Ｐ～Ｓ变形协调方程（曲线），可以计算其变形量。　土压力考虑木桩效用，取Ｆ．＿１４０ｋＮ／ｍ时，其抗滑力为６１７ｋＮ／ｍ，整体　稳定系数上升至１．３００　口２ｌ　目２　２　图２位移计算示意图　１．２．５坑底抗隆起　，　由于基坑开挖后．坑内外土体产生较大的高差．地基土可能发生　隆起破坏，由于木桩＋土钉支护结构一般用于土质较差的淤泥质土中．　图４整体稳定示意图　因此具有发生坑底隆起的可能，需要加以验算。　设计可以采用普朗克公式计算或太沙基公式计算　２．３抗隆起验算　普朗特公式（１９２０年）：Ｋ—ＴｚＤＮｑ　＋ｃＮ￣　当未设木桩时．坑底位于４号淤泥土层上．当取坡脚起向坑外　，．ｔｒｉｏ＋　，，十ｇ　ｎ、ｌ　４．８０ｍ范围内的平均土压力进行坑底抗隆起验算时．其抗隆起安全系　式中：　＝ｅ’ｔａｎ（４５。＋　２）；　＝（　一１）／ｔａｎ￣ｐ；　数为ｌ＿４５；当设木桩时，桩底平面位于７号粉质黏土层上．经验算其抗　　，：桩底以上坑内土体平均重度；　隆起安全系数为３．６８（若桩未进入７号土层．则坑底抗隆起安全系数　，：桩底以上坑外土体平均重度；按４号淤泥层计算时坑底抗隆起安全系数仅为１．４３．可见桩端是否达　Ｄ为嵌固深度；ｈ　：基坑开挖深度。　到较好土层对坑底隆起有明显影响１　对直立坡一般要求Ｋ￣＞２ｔ４Ｊ．但是如何计算对于有放坡的情况下坑　２．４本支护体施工完成后经监测．其最大深层位移为１９．６５—３１．３３ｍｍ　底隆起需要进～步研究．从经验看．在有放坡的情况下坑底隆起量能　坡顶地表沉降３．５—８．３ｍｍ均能满足工程要求。但在基坑东北角．由于　明显减少，较少发生隆起破坏　淤泥厚度比预想的要大，出现过变形过大，坡体后沿开裂，坑底隆起过　２工程实例　大，呈整体稳定不足的现象，后将木桩改为９米长『３２ａ槽钢，得以稳　定，典型剖面变形监测图如图５。　我公司设计的杭州某基坑工程位于杭州市余杭区上文山村．杭昱　从上图可以看出，采用木桩＋土钉（锚杆）的支护形式，其变形具有　公路东部，０２省道北侧，庙湾河南侧，属生态住宅社区。占地总面积约　如下特点：　３９６０００余半方米，分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｐ共１５　２．４．１从底部变形看。地表下ｌｏｒｅ附近，变形量均较小．说明滑动均　个组团；其中Ｂ组团，地下室为１８７ｍｘ２０５ｍ，较规则，近似矩形，工程　未通过木桩底部．整体稳定能够满足要求：　桩为钻孔灌注桩．基坑开挖深度约４．８０ｍ～５．４０ｍ　ｙ基坑总周长约８６０ｍ．　２．４．２从中部变形看，地表下８～４ｍ．曲线呈外凸状，说明此段木桩变　电梯井部位坑中坑开挖深度约２．６ｍ据工程地质勘察报告土层物理力　形较大．由于该段是滑动面最几可的区域．所以木桩对滑动面的阻断　学性质如下：　作用显而易见：　２．４－３从上部变形看．地表下４　０ｍ，曲线呈喇叭状，土钉（锚杆）对木　科技信息　０建筑与工程０　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１１年第２７期　桩有明显约束作用．体现在土钉约束处变形增长率明显变低．曲线在　层应重点注意验算其整体稳定性及抗隆起　４ｍ附近内收。４ｍ以上则呈现土钉墙变形特点。　３．４其变形破坏模式，一般为整体滑动。也可能因为淤泥质土在坑底　ＣＸ？号孔位穆一时间曲线（啪）　ＣＸｌ１号孔位移时闻曲线（皿）　部处厚度较大，一次开挖深度过深，土钉设置不及时．使得木桩倾覆。　累计位移量（面）　累计位移量（　）　防止措施是及时设置木桩上部土钉（锚杆）．并及时将钉头于桩体固　｛｝　‘　厂　／　｝．　定．开挖土方时分层开挖并不得超挖　ｒ／　；　｛　３．５对于周边有道路的工程．或者坑边近处作为运土通道的工程．在　动载荷的作用下．土体蠕动变形逐步加大，要特别重视整体稳定及木　Ｉ　ｊ　｝　桩强度是否满足要求，必要时可用型钢代替木桩．或者进行搅拌桩坑　ｊ　ｉ　ｒ　Ｉ　壁和被动区加固　穗　罄　程　３．６由于变形计算一般需要先做出土钉（锚杆）的荷载位移Ｐ—Ｓ曲　线，受工程条件限制．事前一般都未做这项试验，因此对大多数工程来　说定量计算条件不足．一般根据经验定性判定　根据本工程的运用效　果来看对于一般单层地下室基坑而言．位移是在允许范围内可控的　但在软黏土中土钉（锚杆）、木桩应具足够长度，否则可能抗力不足．造　成变形过大。ｌ　与土钉（锚杆）处的变形量密　【参考文献】　戴秀珍．土钉墙内部稳定性研究．路基工程，２００８，３．　的变形量。且由于木桩的存　［１］［２］刘岸军．龚晓南．钱围桢．考虑施工过程的土层锚杆挡土桩共同作用的非线性　当采用土钉做锚杆用时候宜　分析．Ｔ业建筑．１２００６．３６（５）．　［３］陈忠汉，黄书秩．程丽萍．深基坑Ｔ程．北京：机械Ｔ业出版社，１９９９．　［４］李长华．钱关亚．基于破坏形式的复合土钉墙设计计算方法浅析．山西建筑．　２０１０，４．　３．１　在软土基坑围护设计中．木桩的使用能极大的提高坑壁整体稳　［５］潘泓．周陈发．吴全军．复合土钉墙中搅拌桩对变形及土钉拉力的影响．华南　定性，土钉（锚杆）的使用能明显减小坑壁变形。且对于其它同等条件　理工大学学报：自然科学版，２ｏｏ７，１１．　下支护模式而言具有较好的经济性。　［６］屠毓敏．鲁美霞，复合土钉墙中垂直支护桩临界桩长的研究．岩土工程学报．　　３．２一般应用于淤泥质土厚度不大．其分布范围从坑底面上２ｍ左右　２００６．１１．开始向下分布的土层．若分布离坑底太高，受木桩长度影响，上面需要　作者简介：赵永洪（１９７２—），男，注册岩土工程师，主要从事岩土工程勘察、　另设放坡．并设置土钉或卸荷平台。　３＿３开挖深度对深厚淤泥质土一般不大于宜５ｍ．否则．受木桩长度　限制．整体稳定不易满足要求。研究发现对均质土层．当开挖深度５米　时．对直立支护．桩嵌入坑底的有效深度应在４．０～８．１ｍ问［ｏｑ。另外，在　淤泥质土中桩的长度易尽量达到下部分较好土层．对于深厚淤泥质土　设计工作。　［责任编辑：曹明明］　（上接第２８２页）因、去寻求解决的办法。这样一来，在有限的实验条件　【参考文献ｌ　［１］顾京．数控加工编程及操作．高等教育出版社，２００８．　下．学生同样也可以达到预期目标。　４结束语　［２］宋长池．任务驱动型教材设计的初步构想．科技与出版，２００３（４）：４６—４７　［３］李庆武．“任务驱动”教学法的探讨．中国科技信息，２００９（２）：２０２—２０３．　“任务驱动”教学法中任务设计，是达到课程目标的关键，是完成　作者简介：刘立群（１９６９．５一），女，副教授，现淮南职业技术学院从事先进制　知识构建的载体。不断优化的任务、设计合理的任务、符合学生认识层　造技术方面的教学研究工作。　“在做中学耋　笔　，　发挥他们的创造思维，真正体现　在学中做”教学理念。ｌ　，［责任编辑：王静］　（上接第３０２页）和成本的关键，往往由于施工方案考虑不周而拖延工　期．影响质量．增加投资为此，在制定施工方案时必须结合工程实际　从技术．组织管理，经济等方面进行全面分析综合考虑，以确保施工方　案在技术上可行．在经济上合理，有利于加快工程进度，提高工程质　量．降低工程成本。　２．５环境控制　影响工程质量的环境因素较多，有工程技术环境，如工程地质、水　文、气象等；有工程劳动环境，地方关系等，如温度、大风、暴雨、酷暑、　严寒、都直接影响工程质量，因此，应对影响质量的环境因素，采取有　效措施，严加控制，尤其是施工现场要保持标牌醒目，如“百处大计，质　量第一”“质量在我手中，安全在我心中”等字幅。每项工程操作规程，　和岗位责任制度，工程简介、施工组织图等标牌，每到一处要给人一种　环境好的感受．有一种精神上的振奋，工作人员佩带安全帽，要挂牌上　岗．努力工作．步调一致，一切听从领导的指挥，材料工件堆放要有序，　道路畅通．工作场所清洁整齐．施工程序井井有条，和地方政府和群众　要保持良好的关系．要有一个文明施工．安全生产的施工环境。　综上所述．施工项目质量的控制，首先要加强人、材料、机械、方　法、环境等控制，只要把这影响质量的五大因素控制好，工程质量才能　得到保证．效益才会提高．忽视任何一个方面，都将会给工程质量带来　不利。把质量管理埋放在头等重要位置是刻不容缓的当务之急。ｌ　作者简介：程好进（１９８４一），女，河南安阳人，助理工程师。　［责任编辑：王爽］