天津某地下交通中心工程樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

胡奇凡

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概述

天津某地下交通中心工程由單層和雙層多跨框架結(jié)構(gòu)組成，單層基坑開挖深度12.65 m，雙層基坑開挖深度22.66 m，呈東西走向長條形布置，南北寬約36.2～82.2 m，詳見圖1。

圖1 某交通中心工程結(jié)構(gòu)平面(單位:mm)

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

本工程場地地質(zhì)勘察所涉及110 m深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物，一般具有成層分布的特點(diǎn)，自上而下為第四系全新統(tǒng)人工填土層(人工堆積Qml)，第Ⅰ陸相層(第四系全新統(tǒng)上組河床～河漫灘相沉積Q43al)、第Ⅰ海相層(第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積Q42m)、第Ⅱ陸相層(第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積Q41h及河床～河漫灘相沉積Q41al)、第Ⅲ陸相層(第四系上更新統(tǒng)五組河床～河漫灘相沉積Q3eal)、第Ⅱ海相層(第四系上更新統(tǒng)四組濱?！毕珟喑练eQ3dmc)、第Ⅳ陸相層(第四系上更新統(tǒng)三組河床～河漫灘相沉積Q3cal)、第Ⅲ海相層(第四系上更新統(tǒng)二組淺?！珵I海相沉積Q3bm)、第Ⅴ陸相層(第四系上更新統(tǒng)一組河床～河漫灘相沉積Q3aal)、第Ⅳ海相層(第四系中更新統(tǒng)上組濱海三角洲相沉積Q22mc)、第Ⅵ陸相層(第四系中更新統(tǒng)中組河床～河漫灘相沉積Q22al)。

場地內(nèi)揭示的潛水含水層主要為全新統(tǒng)中組海相層(Q42m)⑥層及其以上土層，主要由⑥2、⑥4層粉質(zhì)黏土、⑥3、⑥5層粉土及④層粉質(zhì)黏土、表部人工填土組成，以全新統(tǒng)下組湖沼相(Q41h)沉積⑦層粉質(zhì)黏土和河床～河漫灘相(Q41al)沉積⑧1層為相對隔水底板;靜止水位埋深一般0.50～4.90 m(高程-0.93～+1.92 m)。潛水主要接受大氣降水、河流和塘補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)、氣候、潮汐有所變化。一般年變幅在0.50～1.00 m，本工程抗浮設(shè)計(jì)水位為+3.00 m。

1.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概述

地勘資料揭示，本工程場地基坑下為飽和的粉土和粉砂，適宜采用鉆孔樁，各土層鉆孔灌注樁樁基設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表1。

表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)一覽(鉆孔灌注樁)

本工程采用蓋挖法施工，立柱采用鋼管混凝土柱，下設(shè)鉆孔灌注基礎(chǔ)樁，單樁單柱，僅在局部設(shè)置施工階段臨時(shí)柱，柱下設(shè)鉆孔灌注樁。該方案樁柱一次完成，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換次數(shù)少，便于過程控制。

2 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 工程樁承載力設(shè)計(jì)值

結(jié)構(gòu)受力分析采用大型數(shù)值模擬軟件MADIS GEN 780進(jìn)行整體三維數(shù)值模擬分析，模擬過程嚴(yán)格按實(shí)際開挖的施工步驟進(jìn)行，并提取全過程中單樁最大的抗壓和抗拔荷載作為設(shè)計(jì)依據(jù)。模型中工程樁采用豎向彈簧模擬，根據(jù)該工程周邊工程樁基的實(shí)測資料，從工程類比的角度出發(fā)，彈簧剛度取為1.2×109N/m;設(shè)計(jì)中利用有限元數(shù)值模擬分析軟件SAP84對多個(gè)結(jié)構(gòu)橫斷面進(jìn)行受力分析，以驗(yàn)證三維模型的準(zhǔn)確性，最終結(jié)合三維和二維模擬分析的結(jié)果確定工程樁的承載力設(shè)計(jì)值。數(shù)值模擬模型詳見圖2、圖3，工程樁承載力設(shè)計(jì)值見表2。

圖2 MADIS GEN三維模型

圖3 SAP84二維模型

2.2 直樁不注漿方案設(shè)計(jì)

對表2中各種工程樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，統(tǒng)一按樁徑φ2 200 mm鉆孔灌注樁直樁無注漿方案設(shè)計(jì)，選取的有代表性地質(zhì)鉆孔資料如表3所示。

表2 工程樁承載力設(shè)計(jì)值

表3 SXJB地質(zhì)鉆孔

續(xù)表3

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)，鉆孔灌注樁大直徑樁單樁極限抗壓承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk和極限抗拔承載力Tuk分別如式(1)、式(2)所示

式中 Qgsk——總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

Qgpk——總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

u——樁身周長;

li——樁周第i層土的厚度;

Ap——樁端面積;

λi——抗拔系數(shù);

qsik——樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

qpk——樁徑為 800 mm時(shí)的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

ψsi、ψp——分別為大直徑樁側(cè)阻力，端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù);

βsi、βp——分別為后注漿側(cè)阻力，端阻力增強(qiáng)系數(shù)，為進(jìn)行注漿，均取值為1。

各樁的抗壓、抗拔設(shè)計(jì)樁長詳見表4。

表4 φ2 200 mm鉆孔灌注樁直樁方案計(jì)算樁長

計(jì)算表明:S2號樁最短57.5 m，加上基坑深度，鉆孔深度將達(dá)到70 m以上，S3號、S4號和S5號工程樁設(shè)計(jì)樁長超出地質(zhì)勘查探明地層范圍，因此，工程樁整體均偏長，必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

工程樁的極限承載力主要受樁身強(qiáng)度、樁周土的物理力學(xué)性質(zhì)，以及樁土接觸面的幾何特性等3方面影響。隨著混凝土質(zhì)量的不斷提高，樁身強(qiáng)度已不是控制樁基強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，提高樁基的極限承載力主要從提高樁周土力學(xué)性質(zhì)和改善樁土接觸面幾何特性入手，前者普遍應(yīng)用的方法為樁側(cè)和樁尖后注漿技術(shù)，后者主要從改變樁體形狀入手，如常見的擠擴(kuò)支盤樁，旋挖擴(kuò)孔樁等。

采用樁側(cè)和樁尖注漿方案提高1號樁和2號樁的樁周土體承載力以減小樁長;在3號樁、4號樁和5號樁的樁尖和樁身設(shè)置兩擴(kuò)大頭，擴(kuò)頭直徑3200 mm，同時(shí)對樁側(cè)和樁尖進(jìn)行全斷面注漿，以增強(qiáng)樁側(cè)土的力學(xué)性質(zhì)，改善樁土接觸面特性。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)相關(guān)規(guī)定，抗壓樁變截面以上2d(d為樁徑)范圍內(nèi)土體不計(jì)摩阻力，抗拔樁變截面以上6d范圍內(nèi)樁側(cè)土破壞面周長按πD(D為擴(kuò)大頭直徑)計(jì)算，粉質(zhì)黏土樁側(cè)后注漿增強(qiáng)系數(shù)和樁端后注漿增強(qiáng)系數(shù)分別取1.4和2.2，砂類土樁側(cè)后注漿增強(qiáng)系數(shù)和樁端后注漿增強(qiáng)系數(shù)分別取1.8和2.4。計(jì)算得優(yōu)化后的樁長詳見表5。

表5 優(yōu)化后計(jì)算樁長

3 試樁及結(jié)果分析

3.1 試樁方案

為確保樁基設(shè)計(jì)滿足承載力要求，對工程樁進(jìn)行了試樁實(shí)驗(yàn)，試樁分別針對2號樁和4號樁進(jìn)行，其中2號樁兩根，樁長均為38 m，編號S1、S2，4號樁3根，樁長35、37 m和40 m，編號分別為S3、S4和S5。試樁后壓漿控制參數(shù)見表6。

表6 試樁后壓漿控制參數(shù)

根據(jù)2號樁樁長抗壓控制，4號樁樁長抗拔控制的特點(diǎn)，按照《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106—2003)的有關(guān)規(guī)定，2號樁單樁豎向抗壓靜荷載試驗(yàn)采用壓重平臺反力裝置，即由壓重平臺提供反力通過試樁鋼梁及6臺500 t并聯(lián)液壓千斤頂對試樁進(jìn)行豎向抗壓荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)采用靜載荷測試儀，采用壓力傳感器直接測定壓力，試樁沉降采用4塊位移傳感器記錄，基準(zhǔn)梁采用鋼質(zhì)，長14 m，試驗(yàn)裝置如圖4所示。

4號樁抗拔試驗(yàn)采用自平衡法進(jìn)行，試驗(yàn)荷載箱由荷蘭Tomer Systems B.V.(通莫系統(tǒng)有限公司)研制開發(fā)，并由杭州歐感科技有限公司引進(jìn)和改制的，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖6 樁身傳感器布置

圖4 單樁豎向抗壓靜荷載試驗(yàn)裝置示意

圖5 自平衡法試樁示意

為精確測定試樁樁周各土層側(cè)摩阻力和樁尖阻力，在樁鋼筋籠綁扎后固定振弦式傳感器于鋼筋籠上，留出足夠長度的線頭與振弦式傳感器讀數(shù)儀連接，靜載試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行樁身內(nèi)力測試，樁身傳感器布置詳見圖6。

3.2 試樁結(jié)果分析

根據(jù)樁身軸力測試結(jié)果，計(jì)算得樁在承載力極限狀態(tài)時(shí)，樁側(cè)摩阻力及端阻力統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表7～表11。

根據(jù)S1、S2號樁試樁結(jié)果，考慮到大直徑擴(kuò)孔樁側(cè)阻力和端阻力尺寸效應(yīng)，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)對樁側(cè)各土層的實(shí)測極限承載力進(jìn)行修正并與地質(zhì)勘查獲得極限承載力進(jìn)行對比，詳見表12，擴(kuò)頭所占承載力比例詳見表13。

表7 S1號樁試樁結(jié)果

表8 S2號樁試樁結(jié)果

表9 S3號樁試樁結(jié)果

表10 S4號樁試樁結(jié)果

表11 S5號樁試樁結(jié)果

表12 樁側(cè)、樁端注漿土層極限承載力統(tǒng)計(jì)

表13 擴(kuò)頭區(qū)極限承載力統(tǒng)計(jì)

表12結(jié)果表明，樁側(cè)注漿使各土層極限承載力均得到了較大提高，對于黏性土，側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)介于1.38～1.74，砂性土側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)介于1.42～1.95，并且隨著土層埋深的增加，側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)呈逐漸增大趨勢;樁端土的極限端阻力增強(qiáng)系數(shù)為2.002。因此，樁側(cè)和樁端注漿對提高樁的極限承載力有明顯的積極作用。

表13結(jié)果表明，在樁身和樁端設(shè)置的擴(kuò)大頭提供的抗拔力占抗拔樁總抗拔力的35.85% ～42.00%，而擴(kuò)頭的側(cè)面積僅為樁身側(cè)面積的7.3% ～8.3%，因此擴(kuò)大頭的側(cè)壓效應(yīng)對抗拔力的貢獻(xiàn)較大，設(shè)置擴(kuò)大頭對提高樁的抗拔能力具有明顯效果，并且隨著樁長增加，擴(kuò)頭提供抗拔力的比例呈減小趨勢。

4 結(jié)論

針對天津某地下交通中心工程工程樁的設(shè)計(jì)過程，對工程樁極限承載力的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)探討，并結(jié)合試樁結(jié)果對優(yōu)化方案進(jìn)行效果驗(yàn)證，主要結(jié)論如下。

(1)樁側(cè)注漿對提高樁側(cè)土極限承載力效果顯著，對于該工程場地的黏性土極限承載力增強(qiáng)系數(shù)介于1.38～1.74，并且隨著土層埋深增加，極限承載力增強(qiáng)系數(shù)呈增大趨勢。

(2)樁端注漿能有效提高樁端土的極限承載力，增強(qiáng)系數(shù)可達(dá)2.0以上。

(3)在樁身和樁端設(shè)置擴(kuò)頭能有效提高抗拔樁的極限承載力，該工程中設(shè)置兩擴(kuò)頭，樁身直徑φ2 200 mm，擴(kuò)頭直徑φ3 200 mm，擴(kuò)頭提供抗拔承載力占樁總抗拔承載力的35.85% ～42.00%;在擴(kuò)頭大小和數(shù)量不變情況下，隨著樁長增加，擴(kuò)頭提供承載力所占比例逐漸下降。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 94—2003 建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.