基坑圍護(hù)樁與池壁共同作用的水池設(shè)計(jì)

鄧安妍

（南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

隨著城市的發(fā)展，管網(wǎng)越來越完善，生活污水水量逐漸增加，尤其是夏季，過多出水量導(dǎo)致溢流的情況經(jīng)常出現(xiàn)，因此越來越多的污水處理廠需要進(jìn)行改造，以滿足最大水量要求。有些項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)改造后，按照所有水泵滿負(fù)荷運(yùn)行仍不能滿足要求，因此需要新建單體設(shè)計(jì)。通常廠內(nèi)空間有限，新建單體的同時(shí)，原有單體不能停產(chǎn)，給設(shè)計(jì)和施工都帶來挑戰(zhàn)。為滿足廠內(nèi)有限空間的要求，圍護(hù)樁與池壁經(jīng)常需要緊貼設(shè)計(jì)，因此須對(duì)圍護(hù)樁與池壁間的受力狀態(tài)以及作用分擔(dān)情況進(jìn)行深入研究。

本文利用大型巖土軟件MIDAS GTS NX對(duì)某工程粗格柵及進(jìn)水泵房建立泵站結(jié)構(gòu)、圍護(hù)樁和周圍土層整體進(jìn)行三維模型和研究，得到的結(jié)論可為同類工程設(shè)計(jì)提供參考。

咬合樁的工作機(jī)理為鋼筋混凝土樁與素混凝土樁切割咬合，樁與樁間排列形成相互咬合的樁墻，樁與樁間可在一定程度上傳遞剪力[1]。排樁應(yīng)采用隔樁施工，施工時(shí)先施工副樁再施工主樁，并要求副樁的超緩凝混凝土在初凝前必須完成主樁施工。當(dāng)主樁施工時(shí)采用全套管鉆機(jī)切割掉相鄰副樁相交部分的素混凝土，從而實(shí)現(xiàn)咬合。

1 工程概況

該工程為四川省某市污水處理廠，工程規(guī)模為10萬m3/d，日總變化系數(shù)1.30，日處理峰值系數(shù)1.20。該技改工程中的粗格柵及進(jìn)水泵房單體原有1座，已經(jīng)按4.5萬m3/d規(guī)模建成，隨著生活污水水量的不斷增加，遠(yuǎn)期生活污水量將增至5萬m3/d，考慮生活水量總變化系數(shù)，須新建一座新的泵房，并與現(xiàn)狀進(jìn)水井、現(xiàn)狀粗格柵以及進(jìn)水泵房出水管聯(lián)通互為備用。在改擴(kuò)建的過程中，須注意施工組織順序，編制合理優(yōu)化的施工組織方案。對(duì)鄰近的構(gòu)建筑物要進(jìn)行保護(hù)[2]。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)工藝專業(yè)條件，結(jié)合地質(zhì)和周邊環(huán)境情況，設(shè)計(jì)泵房尺寸12m×6.2m×10.4m，壁板厚度為800mm，底板厚度為1000mm，為鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)。空間有限，因此未進(jìn)行飛邊設(shè)計(jì)。新建溢流井尺寸4.75m×3.3m×9.9m，整個(gè)基坑呈不規(guī)則凸出形狀，基坑距離現(xiàn)狀溢流井、現(xiàn)狀粗格柵及進(jìn)水泵房、現(xiàn)狀管道和檢查井較近，設(shè)計(jì)廢除臨近檢查井和管道，后期結(jié)合新建泵房對(duì)拆除部分進(jìn)行重建，恢復(fù)功能。新建泵房基坑開挖會(huì)對(duì)周圍已有構(gòu)筑物產(chǎn)生影響，現(xiàn)狀場地狹窄，因此設(shè)計(jì)采用支護(hù)開挖施工方式，基坑采用φ800鉆（沖）孔灌注樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)灌注樁咬合兼做止水帷幕，底部采用注漿加固。本工程設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為474.30m，坑底標(biāo)高為463.90m，總埋深10.40m。基坑冠梁中心標(biāo)高處設(shè)置鋼筋混凝土斜撐和對(duì)撐，下部設(shè)置HM型鋼臨時(shí)支撐，型鋼臨時(shí)支撐水平方向不少于6道，豎向不少于2道，型鋼采用壁厚≥14mm，圍檁不小于500mm×500mm“H”形鋼。主要施工順序須根據(jù)總體施工安排，首先進(jìn)行基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，其次開挖基坑土方，最后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要有以下施工步驟（在整平、圍擋施工場地等前期準(zhǔn)備工作后）。1）關(guān)閉現(xiàn)狀泵站、溢流井閥門。2）施工四周圍護(hù)樁。3）基坑開挖至冠梁底標(biāo)高，施工冠梁及混凝土支撐梁。4）進(jìn)行型鋼臨時(shí)支撐，基坑開挖至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高，泵房、井底部噴漿封底加固，及時(shí)施工墊層、結(jié)構(gòu)底板及部分側(cè)墻。連接溢流井、現(xiàn)狀泵房的鋼筋混凝土管內(nèi)套鋼管施工。5）第一次澆筑的底板及部分側(cè)墻砼達(dá)到設(shè)計(jì)值后，繼續(xù)施工側(cè)墻至冠梁下方。井與泵房間的基坑應(yīng)在側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，臨時(shí)支撐拆除前回填土密實(shí)。6）側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，回填土方。

3 建立數(shù)值模型

3.1 有限元幾何模型

本文采用專業(yè)巖土工程分析軟件MIDAS GTS NX對(duì)擬建基坑開挖過程進(jìn)行了三維精細(xì)化建模。將開挖深度的3～5倍作為基坑開挖數(shù)值模擬的影響范圍，有限元模型尺寸為50m×42m×30m，如圖1所示。為得到3個(gè)方向上質(zhì)量較高的網(wǎng)格，減少畸變網(wǎng)格的產(chǎn)生，當(dāng)劃分網(wǎng)格時(shí)采用計(jì)算精度較高的“四面體”網(wǎng)格，分別對(duì)基坑處進(jìn)行局部加密，坑外土體網(wǎng)格尺寸為3.0m，坑內(nèi)土體尺寸為1.0m。整個(gè)模型四周約束法向位移，底部采用固定約束，考慮地下水位的影響（設(shè)置地下水位在地表以下0.5m），在四周施加固定水頭邊界，整個(gè)模型共23565個(gè)節(jié)點(diǎn)，138259個(gè)單元。

為充分考慮圍護(hù)樁體系（主副樁交叉）在基坑開挖過程中承擔(dān)側(cè)向土壓力，同時(shí)在水池建成后，池壁與樁體疊合后，仍然能與池體共同作用分擔(dān)側(cè)向土壓力，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，在滿足池體抗浮工況下可減少壁板厚度，本次取外側(cè)壁板500mm，底板650mm，中隔墻300mm，比傳統(tǒng)不考慮樁—池壁共同作用設(shè)計(jì)減少約30%。

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程的地質(zhì)勘察報(bào)告，將土層按深度范圍內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)簡化為6個(gè)土層，采用模擬土體卸載特性較好的修正摩爾-庫倫模型本構(gòu)，共包括11個(gè)計(jì)算參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗(yàn)中的線切割剛度Eref50、主固結(jié)儀加載中的切線剛度Erefoed、重新加載剛度Erefur、壓縮模量Es、剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m、重度γ、泊松比v、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、正常固結(jié)下的側(cè)壓力系數(shù)K0、參考?jí)毫ref，各土層力學(xué)參數(shù)見表1。結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)：鉆孔灌注樁、混凝土支撐以及池體結(jié)構(gòu)采用C30鋼筋混凝土，彈性模量E按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)置為30GPa，混凝土重度按鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程設(shè)置為25kN/m3，泊松比0.25。鋼支撐、鋼圍檁采用HM型鋼，彈性模量E為200GPa，重度為78.5kN/m3，泊松比0.20。

表1 各土層力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算工況的設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，按實(shí)際施工的工況，首先進(jìn)行四周圍護(hù)樁的施工，其次放坡開挖至圍護(hù)樁頂標(biāo)高，施工冠梁及砼支撐，開挖至基底，施做臨時(shí)鋼支撐并進(jìn)行袖閥管坑底注漿，最后施工水池主體結(jié)構(gòu)，待側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后回填。模擬中將其簡化為3層開挖，開挖前先將坑內(nèi)地下水位降至坑下0.5m處。通過對(duì)網(wǎng)格單元以及邊界（包括滲流邊界）進(jìn)行激活和鈍化、施加荷載來完成整個(gè)流固耦合的基坑開挖過程。其中考慮20kPa面荷載施作用。施工過程的數(shù)值模擬工況見表2。

表2 施工過程的數(shù)值模擬工況

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 圍護(hù)樁與池體變形分析

通過數(shù)值模擬，池壁位移如圖2所示，由于先放坡開挖再進(jìn)行支護(hù)，因此開挖圍護(hù)樁的最大側(cè)移δhmax始終在樁頂位置，隨著開挖逐漸變大，開挖完成后δhmax=7.58mm。在水池主體結(jié)構(gòu)施工完成、回填后，樁頂變形為δhmax=6.41mm，而此時(shí)池體最大側(cè)移在相同位置約為6.24mm。兩者結(jié)構(gòu)共同受力，變形協(xié)調(diào)。樁身位置和池體下部變形較小約2～3mm，池體與圍護(hù)樁基本保持一致。

圖2 池壁位移圖

4.2 圍護(hù)樁與池體內(nèi)力分析

通過數(shù)值模擬，X、Y方向的池壁彎矩如圖3、圖4所示。在模擬過程中給出了開挖過程及水池結(jié)構(gòu)施工、回填后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和水池壁板的彎矩云圖。隨著開挖的進(jìn)行，此時(shí)水池尚未施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩在X、Y方向上的彎矩變化一致，X向Mmax=67kN·m，Y向Mmax=67kN·m，并且彎矩作用最大值點(diǎn)隨開挖下移，符合基坑支護(hù)的一般變形規(guī)律。隨著水平支撐的拆除，作用在樁身的土壓力由懸臂的樁體及水池壁板（包括隔墻）共同承擔(dān)。此時(shí)跨度最大的壁板承擔(dān)更大彎矩，Y向樁體承擔(dān)彎矩Mmax=78kN·m，池壁承擔(dān)彎矩Mmax=59.38kN·m。

圖3 X方向彎矩

圖4 Y方向彎矩

4.3 常規(guī)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為簡化計(jì)算，以單塊矩形板受力形式來計(jì)算池壁配筋，該水池最長跨度板為Y方向上側(cè)壁板為8.8m×9.4m，最不利工況為池內(nèi)無水，池外有土，池壁外側(cè)受三角形荷載q=132.60kN/m2（池內(nèi)滿水工況略），支撐條件為一邊簡支，三邊固定[5]。

荷載設(shè)計(jì)值=γG×恒載+γQ×γl×活載，通過理正結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件可以得到該板底部受到彎矩370.6kN·m，兩側(cè)受到彎矩313.7kN·m。

5 經(jīng)濟(jì)效益

與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，考慮灌注樁與池體共同作用后，池壁彎矩減少，從而配筋減少，以單位長度計(jì)算，不考慮樁-池壁共同作用工況，壁厚設(shè)計(jì)為800mm，水平向最大彎矩為313.70kN·m，配筋采用22@100?？紤]樁-池壁共同作用，壁厚采用500mm，最大跨度板樁承擔(dān)彎矩80kN·m，池壁承擔(dān)50kN·m，配筋采用18@100。

6 結(jié)論

本文通過某工程粗格柵及進(jìn)水泵房結(jié)構(gòu)三維模型的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論。1）當(dāng)采用鉆孔灌注樁作為水池結(jié)構(gòu)深基坑支護(hù)方式時(shí)，樁體不僅能在開挖過程中起到限制土體側(cè)向位移的作用，還能在水池建成后與池壁共同作用，分擔(dān)池壁側(cè)向土壓力。在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限與構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限一致的情況下，可考慮按支護(hù)結(jié)構(gòu)與池壁共同受力進(jìn)行設(shè)計(jì)。2）樁體與池壁共同作用后，兩者變形協(xié)調(diào)。3）實(shí)際類似工程中，在滿足一定條件下，不能忽略圍護(hù)樁體在后續(xù)水池結(jié)構(gòu)中的受力作用，樁—池壁共同作用可減少池壁厚度和配筋，從而節(jié)約造價(jià)。

隨著污水處理量的增加，目前污水處理廠改造項(xiàng)目越來越多。在條件受限的情況下，應(yīng)進(jìn)行多方案比選，提出切實(shí)可行且經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案，并不斷探索和嘗試新方法和新工藝，不斷積累設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，以期為后續(xù)的改造項(xiàng)目提供參考。