多层水平连接双排钢板桩基坑支护结构及其施工方法与流程

本发明涉及岩土工程的技术领域，主要是一种多层水平连接双排钢板桩基坑支护结构及其施工方法。

背景技术：

实际基坑工程中，在基坑场地情况受限、基坑周边环境特殊、施工条件不能满足等条件下，锚杆、土钉、内支撑受到限制而无法实施，而采用单排桩又无法满足基坑变形和内力的要求，或者采用单排桩会明显增加造价的情况下，双排桩支护是一种可供选择的基坑支护结构形式。

回顾双排桩支护结构产生到现在这几十年时间中的变化和工程实践中，通过监测获得了很多有价值的监测数据，通过对这些数据的分析和提炼，得出了一些重要的成果并积累了丰富的经验。双排桩支护结构在实际工程中得到了一定范围的使用并凸显其很多优点。但是，仍然有一些方面需要更深入研究和改进。

收集国内在实际工程中使用过双排桩支护结构的资料发现，双排桩体系仅能在桩顶通过圈梁和连梁实现连接，双排桩在桩顶变形协调，但桩顶以下前后两排桩之间没有任何连接，前排桩和后排桩变形不协调，一般前排桩变形大，后排桩变形小，不能充分发挥后排桩的作用，即两排桩的整体刚度不大，抗弯和抗变形能力不强，适用挖深一般不超过9米，当基坑开挖深度更大时，双排桩会因桩身位移及桩身内力过大而不再适用。其次，双排桩支护结构的宽深比均较小，国内学者认为可以将桩排距为8d～10d(d为桩径)之间的双排桩支护结构视作锚拉单排桩支护结构。但是当存在多种附加荷载作用时，支护桩本身的抗弯刚度与土的重力共同作用，宽深比较大的双排桩支护结构应该被当做两排桩和桩间土的组合型结构，使得在基坑开挖过程中双排桩支护结构能够更有效的抵抗水平方向荷载，可改变传统的方法如增加桩径或者使用水平支护体系来提高水平抗力，达到节约材料的目的。为此，多层水平连接双排钢板桩支护结构是在传统双排桩支护结构的基础上提出的一种新型支护结构体系。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种在控制基坑沉降和坑壁侧向位移方面明显优于传统双排桩支护结构的多层水平连接双排钢板桩基坑支护结构及其施工方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种多层水平连接双排钢板桩基坑支护结构，包括前排钢板桩、后排钢板桩、前排桩冠梁、后排桩冠梁、桩顶连梁、钢绞线、围檩以及锚具，前排桩采用三角形钢桩或钢管桩，后排桩由h型钢桩和拉锚桩组成；拉锚桩由h型钢桩与l型钢管焊接而成，后排桩设有锁扣，阴头锁扣和阳头锁扣分别设置在后排桩翼缘两侧。

后排桩腹板对应的翼缘外边部位分别设置有阳头锁扣和阴头锁扣，后排桩之间通过阴、阳头锁扣互相扣搭进行组合。

后排拉锚桩由h型钢桩与若干l型钢管焊接而成，焊接部位选在h型钢腹板上，并保持l型钢管水平段垂直腹板面。

l型钢管竖向段长度各不相等，与h型钢板桩腹板焊接后的l型钢管水平段处在不同的标高。

本发明所述的这种多层水平连接双排钢板桩基坑支护结构的施工方法，包括如下步骤：

第一步：根据场地条件和计算分析，确定前排钢板桩的型号、桩长，确定后排钢板桩的型号、桩长，锁扣长度，以及双排桩的排距，计算钢绞线的道数、水平间距和竖向间距；

第二步：根据钢绞线的设计道数、水平间距和竖向间距，加工或选择合适的h型钢板桩；

第三步：施工前排钢板桩，保持钢板桩处于同一垂直面上；

第四步：依次施工后排钢板桩，根据设计计算要求排列h型钢板桩和拉锚钢板桩，保持桩与桩之间始终相扣；

第五步：施工前排桩冠梁、后排桩冠梁及桩顶连梁；

第六步：基坑开挖至第一道钢绞线标高以下500mm；

第七步：顶推钢绞线，安装围檩，张拉钢绞线后通过锚具将钢绞线锚固于前排钢板桩上；

第八步：重复第六步、第七步直至最后一道钢绞线施工完毕；

第九步：开挖至基坑底；

第十步：对基坑坑底进行清理、整平，浇筑垫层，施工地下室底板及其结构；

第十一步：分层回填土，从下至上逐道释放预应力钢绞线并回收，依次拔出前排钢板桩、后排钢板桩。

更进一步的，前后排桩打桩完毕及前排桩冠梁、后排桩冠梁及桩顶连梁浇筑完成，混凝土达到设计强度要求后，对基坑进行分层开挖；当开挖到预设第一层水平连接标高处，停止开挖；接着将钢绞线从拉锚桩的l型钢管插入，用顶推机具顶推钢绞线，钢绞线从l型钢管的水平段伸出后，在土层内水平前进；当钢绞线接近前排桩时，会被对应相邻两根三角形钢桩或钢管桩的两个侧面形成的咖趴状张开面捕捉，使得钢绞线从两根三角形钢桩或钢管桩之间的空隙穿出，停止顶推；在一个施工段内的第一层水平连接的钢绞线均从土层中穿出后，安装围檩和锚具，并对钢绞线施加预应力。

本发明的有益效果为：

本发明采用多层水平连接双排钢板桩基坑支护结构，用于基坑的挡土结构，与现有技术相比具有如下优点：预制钢板桩可以工厂化生产，生产速度快，桩身质量可靠，施工便捷，循环使用，绿色环保，造价低廉。支护结构可以同时挡土和止水，通过桩顶连梁、水平连接和桩间土共同作用使前后排钢板桩形成空间超静定结构，整体刚度大增，能够明显减小桩身内力和变形，在基坑复杂多变的水土压力和其它荷载作用下，能自动调整支护结构本身的内力，使之适应复杂而又往往难以预计的荷载条件和更深的基坑工程。

本发明设置两排钢板桩，其中后排桩的拉锚桩通过工厂特制，前后两排钢板桩之间通过桩顶连梁和多道钢绞线连接成为整体，形成多层水平连接双排钢板桩基坑支护结构。该结构在控制基坑沉降和坑壁侧向位移方面明显优于传统双排桩支护结构，同时兼有挡土和止水功能，施工灵活，土层复原性好，工期效益明显，经济环保等优点。

附图说明

图1是本发明的竖向结构剖面图；

图2为图1中a-a剖面的结构组成图；

图3为图2的另一种结构组成图；

图4为图2的轴测图；

图5为本发明后排拉锚桩结构组成详图；

图6为本发明后排拉锚桩l型钢管水平段采用钢筋斜撑加固图。

图1～图6中标号：1、前排桩，2、后排桩，3、前排桩冠梁，4、后排桩冠梁，5、桩顶连梁，6、钢绞线，7、围檩，8、锚具，9、h型钢桩，10、拉锚桩，11、l型钢管，12、阴头锁扣，13、阳头锁扣，14、三角形钢桩，15、钢管桩，16、钢筋斜撑。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

如图图1-6所示，本发明的多层水平连接双排钢板桩基坑支护结构，包括前排桩1、后排桩2、前排桩冠梁3、后排桩冠梁4、桩顶连梁5、水平连接6、围檩7和锚具8。

前排桩1可采用三角形钢桩14或钢管桩15，后排桩2由h型钢桩9和拉锚桩10组成。拉锚桩10由h型钢桩9与l型钢管11焊接而成。后排桩设有锁扣，阴头锁扣12和阳头锁扣13分别设置在后排桩翼缘两侧。

前后排桩打桩完毕及前排桩冠梁3、后排桩冠梁4及桩顶连梁5浇筑完成，混凝土达到设计强度要求后，对基坑进行分层开挖。当开挖到预设第一层水平连接标高略深处(1-2m)，停止开挖；接着将钢绞线6从拉锚桩10的l型钢管11插入，用顶推机具顶推钢绞线6，钢绞线6从l型钢管11的水平段伸出后，在土层内水平前进；当钢绞线接近前排桩1时，会被对应相邻两根三角形钢桩14或钢管桩15的两个侧面形成的咖趴状张开面捕捉，使得钢绞线6从两根三角形钢桩14或钢管桩15之间的空隙穿出，停止顶推。在一个施工段内的第一层水平连接的钢绞线6均从土层中穿出后，安装围檩7和锚具8，并对钢绞线6施加预应力。

本发明进一步设置如下：

l型钢管水平段端部与h型钢腹板设置钢筋斜撑进行加固，避免l型钢管水平段在施打和拔出过程中造成弯曲。

围檩可采用槽钢、h型钢、工字钢等型钢。

钢板桩拔出后，同步用砂灌入留下的孔洞中，以减少周围土体的变形。

在钢板桩施打前，将减摩涂料加热至完全融化，充分搅拌使其厚薄均匀后，再涂刷在型钢表面，其厚度控制在1.0mm以上，为方便拔出。

根据设计计算，拉锚桩可选择隔一插一、隔二插一或隔三插一等方式布置。

多层连接双排钢板桩支护结构尤其适用于软土地区的基坑支护，因软土地基机械打桩容易操作。

基于本发明的多层水平连接双排钢板桩基坑支护结构的施工方法，包括如下步骤：

第一步：根据场地条件和计算分析，确定前排桩1的型号、桩长，确定后排桩2的型号、桩长，阴头锁扣12和阳头锁扣13的长度，以及双排桩的排距，计算钢绞线6的道数、水平间距和竖向间距；

第二步：根据钢绞线6的设计道数、水平间距和竖向间距，加工或选择合适的h型钢桩9和拉锚桩10；

第三步：施工前排桩1，保持前排桩处于同一垂直面上。

第四步：依次施工后排桩2，根据设计计算要求排列依次打入h型钢桩9和拉锚桩10，保持桩与桩之间始终相扣。

第五步：施工前排桩冠梁3、后排桩冠梁4及桩顶连梁5。

第六步：基坑开挖至第一道钢绞线6标高以下500mm；

第七步：顶推钢绞线6，安装围檩7，张拉钢绞线6后通过锚具8将钢绞线锚固于前排钢板桩上。

第八步：重复第六步、第七步直至最后一道钢绞线6施工完毕。

第九步：开挖至基坑底。

第十步：对基坑坑底进行清理、整平，浇筑垫层，施工地下室底板及其结构；

第十一步：分层回填土，从下至上逐道释放预应力钢绞线6并回收，依次拔出前排桩1、后排桩2。

本发明的作用机理：

多层水平连接双排钢板桩支护结构是在地基的岩土体中沿基坑壁平行方向设置两排平行桩，前后两排桩桩体呈矩形分布，两排桩桩顶分别用刚性冠梁连接，在前后两排桩身上一定位置处采用钢绞线作为水平连接，对钢绞线施加一定大小的预应力，使前后排桩、桩顶冠梁、桩顶连梁和水平连接形成整体空间结构。水平连接的作用是利用土层的锚固力和后排桩提供的端阻力给排桩提供支撑。同时充分发挥了双排钢板桩与地基土的协同作用，从而保证基坑侧壁或坡体的稳定性、控制基坑变形能力、确保场地施工安全和基坑四周沉降要求。

多层水平连接双排钢板桩支护结构在控制基坑侧向变形和基坑沉降方面明显优于传统双排桩支护结构。

多层水平连接双排桩支护结构计算模型：

为研究多层水平连接双排桩支护结构的支护性能，采用flac^3d数值模拟软件，建立多层连接双排桩支护结构的计算模型，对模型进行开挖过程的三维动态模拟计算，通过对支护结构和土体的应力位移云图的分析，以求得支护结构的支护性能。

模拟基坑开挖的过程如下：

1、建立土体(实体)和支护结构的计算模型，选择土体的本构关系，设定土体的边界条件。

2、模拟计算在自重应力作用下土体的沉积固结过程，进行初始地应力平衡。

3、激活支护结构中壳单元和桩单元，对结构单元进行参数设定。

4、自重位移归零，逐层将实体模型中开挖部分网格体的材料模型设置成nrll模型，进斤逐层开挖。

5、在逐层开挖过程中，当开挖到水平连接位置时，激活支护结构中锚索单元，对该单元进行参数设定，并施加预紧力。

设计计算：

支护结构中的桩采用flac^3d桩结构单元模拟，冠梁采用壳结构单元模拟，水平连接采用flac^3d中的锚索单元(cable)模拟。桩结构单元与壳结构单元的节点连接采用刚接，桩结构单元与锚索结构单元的节点连接采用较接。

1、实体模型建立

2、初始地应力计算

初始地应力的平衡计算，是为了模拟土体在自重应力作用下的沉积固结过程。主体在自重应力的长期作用下，会逐渐沉积并趋于平衡，达到一个相对稳定的平衡状态。flac^3d中通过计算时步和计算精度的设定来模拟这一沉积过程。在计算过程中，随着计算时步的増加，监控止体最大不平衡力是否收敛，以此确定土体是否趋于平衡。

3、基坑分层开挖计算

初始地应力计算结束后，激活多层连接双排桩支护结构模型中的壳单元和桩单元，并对桩结构单元进行参数设定，对壳结构单元进行参数设定，继续计算。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。