鉆孔咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討

任紅林 吳建忠 朱正誼

(1.上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢(xún)有限公司,200092,上海;2.南空軍隊(duì)干部住房發(fā)展中心上海辦事處,200433,上海;3.上海地建土木工程咨詢(xún)有限公司,200092,上?！蔚谝蛔髡?工程師)

鉆孔咬合灌注樁是樁與樁之間相互咬合排列的一種新型基坑圍護(hù)支擋結(jié)構(gòu)。由于其樁體相交咬合,與傳統(tǒng)鉆孔灌注樁加止水帷幕的結(jié)構(gòu)形式相比,既省去了樁體背后的止水帷幕,又可以明顯提升防水效果,造價(jià)也有所降低;同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)采用全套管跟管鉆進(jìn)的干法掘進(jìn)工藝,可有效地防止孔內(nèi)流沙、涌泥,樁身施工質(zhì)量易于保證,特別適用于一般旋挖鉆機(jī)難以施工的較硬巖土層和卵礫石層,以及鉆孔泥漿難以護(hù)壁的軟弱淤泥質(zhì)地層和松散砂層,故近年來(lái)在基坑圍護(hù)工程中的應(yīng)用日益廣泛。

1 鉆孔咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和作用機(jī)理

如圖1所示,在鉆孔咬合灌注樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中,A型樁與B型樁間隔布置。其中,A型樁為素混凝土樁或放矩形鋼筋籠混凝土樁,B型樁為放鋼筋籠混凝土樁。

圖1 鉆孔咬合灌注樁示意圖

為便于切割,在施工時(shí)應(yīng)先施工A型樁,后施工B型樁。A型樁一般采用C15、C20混凝土,并放入緩凝型減水劑。要求必須在A型樁混凝土初凝前完成B型樁的施工。B型樁為基坑圍護(hù)的骨架樁,一般采用C25、C30混凝土。B型樁施工時(shí),利用套管鉆機(jī)的切割能力切割掉相鄰A型樁相交部分的混凝土,以實(shí)現(xiàn)兩者的樁身咬合。

在基坑外側(cè)的水土壓力作用下,當(dāng)A型樁與B型樁咬合面的抗剪能力可保證其協(xié)調(diào)變形時(shí),由兩種樁組成的連續(xù)式樁墻共同承擔(dān)外部荷載;但由于兩種樁型剛度的差異,其受力特征也有所不同。尤其是當(dāng)A型樁為不放置鋼筋籠的素混凝土樁時(shí),由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鋼筋,其抗彎能力極差,理論上可不予以考慮,但其又有一定的抗變形能力,忽略之將引起較大的浪費(fèi),因此必須在綜合考慮基坑支擋結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力不同作用模式的情況下建立咬合樁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

在目前的工程應(yīng)用中,在A型樁中放置矩形鋼筋籠時(shí),由于矩形鋼筋籠在吊裝過(guò)程中易發(fā)生扭轉(zhuǎn),受力方向不易保證,施工較為困難,故在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。常見(jiàn)的咬合樁結(jié)構(gòu)為“一葷一素”間隔排列的方式,故本文將主要針對(duì)此種樁型的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行討論。

2 配筋樁與素混凝土樁間隔排列鉆孔咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

作為一種新型的基坑支擋結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)計(jì)算目前尚無(wú)相關(guān)規(guī)程規(guī)范可以遵循,因此在實(shí)際工程中不同的設(shè)計(jì)單位提出的計(jì)算模型可能存在一定差異。如針對(duì)配筋樁與素混凝土樁間隔排列的鉆孔咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu),一種保守的計(jì)算方法是素混凝土樁僅作為止水帷幕考慮,而忽略其抗變形和承擔(dān)荷載能力,僅將配筋樁作為受力構(gòu)件考慮。此種設(shè)計(jì)方法雖然安全,但不經(jīng)濟(jì),造成一定浪費(fèi)。

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算原則

針對(duì)鉆孔咬合灌注樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在其設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則。

(1)抗變形:素混凝土樁雖然未放置鋼筋籠,但考慮到其截面、剛度等因素,素混凝土樁仍具有一定的抗變形能力。由于素混凝土樁在變形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定裂縫而削弱其剛度,本文采用0.8的折減系數(shù)模擬該效應(yīng)。

(2)抗彎:由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鋼筋,故可不考慮素混凝土樁的抗彎及抗剪能力,坑外水土壓力及活載產(chǎn)生的彎矩全部由配筋樁承擔(dān);在計(jì)算中不考慮素混凝土樁的抗彎能力,其抗彎承載力在設(shè)計(jì)中作為安全儲(chǔ)備。

(3)配筋樁與素混凝土樁混凝土的材料存在差異。為便于施工切割,素混凝土樁一般采用C15、C20混凝土,并放入緩凝型減水劑;配筋樁一般采用C25、C30混凝土。材料的不同會(huì)引起樁體剛度產(chǎn)生差異,在計(jì)算中應(yīng)對(duì)此予以考慮。

基于上述原則,本文借鑒地下連續(xù)墻、SMW(勁性水泥土墻)工法樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型,對(duì)鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)提出剛度等代地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

2.2 剛度等代地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

剛度等代地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)計(jì)算方法的實(shí)質(zhì)是:在考慮配筋樁與素混凝土樁材料、截面等差異的基礎(chǔ)上,按照抗彎剛度EI等效的原理,將鉆孔咬合樁連續(xù)式樁墻等代為材料、截面相同的板式地下連續(xù)墻,然后按照地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力計(jì)算。

圖2為素混凝土樁(A型)與配筋樁(B型)組成的一個(gè)計(jì)算單元。其中R、d分別為樁的半徑和直徑,a為樁身搭接長(zhǎng)度。按此整個(gè)計(jì)算單元的長(zhǎng)度為2(d-a)。如等代后的地下連續(xù)墻厚度為b,則有:

變換后得:

式中:

E1,I1——分別為素混凝土樁的模量和慣性矩;

E2、I2——分別為配筋樁的模量和慣性矩;

k——素混凝土樁剛度折減系數(shù)(本文取0.8);

E3——等代地下連續(xù)墻的模量;

b——等代地下連續(xù)墻的厚度。

圖2 鉆孔咬合樁計(jì)算單元示意

根據(jù)圓形截面的慣性矩計(jì)算公式:

圖3 素混凝土樁慣性矩計(jì)算圖

如圖4,I3的計(jì)算公式為:

將式(2)、式(5)代入式(1),即可得到等代后地下連續(xù)墻的厚度?？梢钥闯?在求解等代地下連續(xù)墻厚度的計(jì)算過(guò)程中,同時(shí)考慮素混凝土樁、配筋樁剛度及其材料的差異,比較全面反應(yīng)了鉆孔咬合樁的結(jié)構(gòu)特征。

圖4 I3計(jì)算圖

2.3 鉆孔咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形內(nèi)力的計(jì)算分析

根據(jù)式(1)得到等代地下連續(xù)墻的厚度后,即可取1延米單寬按照桿系有限元進(jìn)行基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形內(nèi)力計(jì)算。對(duì)于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,由于等代地下連續(xù)墻綜合考慮了素混凝土樁、配筋樁的剛度,故可直接采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下1延米單寬等代地下連續(xù)墻的桿系有限元計(jì)算結(jié)果。

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,也應(yīng)是 A型樁、B型樁按其剛度比共同承擔(dān)外部荷載引起的彎矩。假如A型樁中放置矩形鋼筋籠,1延米單寬等代地下連續(xù)墻桿系有限元計(jì)算的彎矩為M(單位kN·m/m),則A型樁、B型樁按其剛度比例分擔(dān)的彎矩分別為:

式(6)中,MA,MB的單位均為kN·m;n為 A型樁、B型樁的剛度比,

如A型樁為素混凝土樁,則忽略其抗彎矩能力,認(rèn)為所有彎矩均有配筋樁承擔(dān)。每根配筋樁承擔(dān)的彎矩為:

得到樁身彎矩后即可據(jù)此進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。進(jìn)行配筋后,嚴(yán)格來(lái)講會(huì)引起配筋樁剛度E2I2的變化,故應(yīng)進(jìn)行多次疊代計(jì)算。但由于鋼筋截面在整個(gè)結(jié)構(gòu)截面中所占的比例很小,E2I2的變化一般都小于5%,所引起等代地下連續(xù)墻厚度的變化也很小,故對(duì)最終彎矩及配筋的計(jì)算結(jié)果影響幾乎可忽略不計(jì);同時(shí)考慮到在一般設(shè)計(jì)的配筋計(jì)算中大多會(huì)適當(dāng)增加鋼筋面積,因此按式(6)或式(7)的一次計(jì)算結(jié)果在通常情況下均可滿足工程要求,而不必進(jìn)行多次的疊代分析。

3 圍護(hù)墻體抗?jié)B性能

采用鉆孔咬合樁作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),主要通過(guò)嚴(yán)格控制樁的垂直度、素混凝土樁采用超緩凝混凝土以利于切割、施工前通過(guò)試成樁確定素混凝土樁和配筋樁的最佳施工時(shí)間間隔等措施,保證樁體可充分咬合,并保證咬合面具有足夠的強(qiáng)度,以使墻體的抗?jié)B指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在實(shí)際施工過(guò)程中,因各種原因可能造成樁體垂直度偏差較大、素混凝土樁施工完成后未能及時(shí)施工配筋樁以實(shí)現(xiàn)咬合切割等情形,這樣會(huì)導(dǎo)致樁體咬合不好或難以實(shí)現(xiàn)咬合,達(dá)不到抗?jié)B的目的;特別是對(duì)地下水豐富、滲透系數(shù)大的土層條件更應(yīng)對(duì)此制定專(zhuān)門(mén)的防滲預(yù)案。對(duì)此,一方面應(yīng)在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè);另一方面,一旦發(fā)現(xiàn)漏水應(yīng)及時(shí)采取墻后補(bǔ)樁或注漿等措施,以保證基坑穩(wěn)定。

4 工程實(shí)例

4.1 基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)

上海南空國(guó)順路131弄項(xiàng)目是一個(gè)由住宅及辦公樓組成的綜合社區(qū)。其中,在10號(hào)辦公樓及裙房下設(shè)置地下兩層停車(chē)庫(kù),車(chē)庫(kù)基坑長(zhǎng)度約60 m,寬度約55 m,開(kāi)挖深度8.85 m。

本工程場(chǎng)地地下水位埋深按0.5 m考慮,自上而下分布的地層依次為:①填土,②3-1黏質(zhì)粉土,②3-2砂質(zhì)粉土,④淤泥質(zhì)黏土,⑤1-1黏土,坑底位②3-2砂質(zhì)粉土層。在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)分布有厚度6～8 m的②3-2砂質(zhì)粉土。該層土透水性好,易產(chǎn)生管涌和流砂,因此必須采取可靠的基坑止水及降水措施。場(chǎng)地地層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

本基坑北鄰國(guó)順路,東靠政本路,基坑邊緣距國(guó)順路、政本路道路紅線為3 m左右,且這兩條道路下分布有多條給水、雨(污)水管線及通信光纜,對(duì)基坑變形的要求很高。根據(jù)上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ 08-61—97)及《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DBJ 08-11—1999)的相關(guān)規(guī)定,本基坑工程的安全性等級(jí)和環(huán)境保護(hù)等級(jí)按一級(jí)考慮,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

表1 場(chǎng)地土層及主要物理力學(xué)指標(biāo)

綜上所述,在綜合考慮水文地質(zhì)與工程條件、變形控制要求、工程造價(jià)等因素的基礎(chǔ)上,本基坑選用Φ800 mm@600 mm的鉆孔咬合灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),按素混凝土樁、配筋樁間隔布置考慮,樁長(zhǎng)16 m,豎向設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐,坑底以下5 m土層采用裙邊加固。基坑圍護(hù)橫斷面如圖5。

圖5 基坑圍護(hù)橫斷面(單位:mm(除標(biāo)高外))

4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

素混凝土樁采用C20混凝土,彈性模量為25 500 MPa;配筋樁及等代地下連續(xù)墻采用C30混凝土,彈性模量為30 000 MPa。按此布置式(5)中的各參數(shù)為:R=400 mm,θ=0.722 7 rad,a=200 mm,y1=264.575 1 mm。據(jù)此按式(5)得:

據(jù)式(2),配筋樁慣性矩

據(jù)式(3),素混凝土樁慣性矩

據(jù)式(1),等代地下連續(xù)墻的厚度

采用同濟(jì)啟明星基坑分析軟件,根據(jù)地下連續(xù)墻模型按照先撐后挖的施工工況所計(jì)算的等代地下連續(xù)墻的位移及內(nèi)力包絡(luò)如圖6。其中,最大水平位移為 12 mm,彎矩范圍為-110.25～452.1 kN·m,剪力范圍為-105.6～175.1 kN·m。

從計(jì)算結(jié)果可以看出,基坑變形滿足一級(jí)基坑的變形控制要求,配筋樁配筋按M=452.1 kN·m×1.2=543 kN·m進(jìn)行計(jì)算。

圖6 等代地下連續(xù)墻的位移及內(nèi)力計(jì)算包絡(luò)圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鉆孔咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的分析,按照剛度等代地下連續(xù)墻思路提出了其設(shè)計(jì)計(jì)算方法,并從變形和內(nèi)力兩個(gè)方面進(jìn)行了討論。最后通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例表明,這種設(shè)計(jì)方法基本上綜合反映了素混凝土樁、配筋樁在基坑變形、內(nèi)力方面不同的作用特點(diǎn),能比較合理地描述鉆孔咬合樁的作用機(jī)理,可作為實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)有益思路。

[1]DGJ 08-61—97 基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]DBJ 08-11—1999 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].