鉆孔咬合樁基坑圍護結構設計計算方法探討

任紅林 吳建忠 朱正誼

(1.上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,200092,上海;2.南空軍隊干部住房發展中心上海辦事處,200433,上海;3.上海地建土木工程咨詢有限公司,200092,上海∥第一作者,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支擋結構。由于其樁體相交咬合,與傳統鉆孔灌注樁加止水帷幕的結構形式相比,既省去了樁體背后的止水帷幕,又可以明顯提升防水效果,造價也有所降低;同時由于該結構采用全套管跟管鉆進的干法掘進工藝,可有效地防止孔內流沙、涌泥,樁身施工質量易于保證,特別適用于一般旋挖鉆機難以施工的較硬巖土層和卵礫石層,以及鉆孔泥漿難以護壁的軟弱淤泥質地層和松散砂層,故近年來在基坑圍護工程中的應用日益廣泛。

1 鉆孔咬合樁基坑圍護結構的受力特點和作用機理

如圖1所示,在鉆孔咬合灌注樁基坑圍護結構中,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,在施工時應先施工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型樁為基坑圍護的骨架樁,一般采用C25、C30混凝土。B型樁施工時,利用套管鉆機的切割能力切割掉相鄰A型樁相交部分的混凝土,以實現兩者的樁身咬合。

在基坑外側的水土壓力作用下,當A型樁與B型樁咬合面的抗剪能力可保證其協調變形時,由兩種樁組成的連續式樁墻共同承擔外部荷載;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A型樁為不放置鋼筋籠的素混凝土樁時,由于混凝土的抗拉強度遠小于鋼筋,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,因此必須在綜合考慮基坑支擋結構變形、內力不同作用模式的情況下建立咬合樁的設計計算方法。

在目前的工程應用中,在A型樁中放置矩形鋼筋籠時,由于矩形鋼筋籠在吊裝過程中易發生扭轉,受力方向不易保證,施工較為困難,故在實際工程中應用較少。常見的咬合樁結構為“一葷一素”間隔排列的方式,故本文將主要針對此種樁型的設計計算方法進行討論。

2 配筋樁與素混凝土樁間隔排列鉆孔咬合樁基坑圍護結構的設計計算方法

作為一種新型的基坑支擋結構,其設計計算目前尚無相關規程規范可以遵循,因此在實際工程中不同的設計單位提出的計算模型可能存在一定差異。如針對配筋樁與素混凝土樁間隔排列的鉆孔咬合樁基坑圍護結構,一種保守的計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荷載能力,僅將配筋樁作為受力構件考慮。此種設計方法雖然安全,但不經濟,造成一定浪費。

2.1 設計計算原則

針對鉆孔咬合灌注樁的結構特點,在其設計計算中應遵循以下幾個原則。

(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程中會產生一定裂縫而削弱其剛度,本文采用0.8的折減系數模擬該效應。

(2)抗彎:由于混凝土的抗拉強度遠小于鋼筋,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生的彎矩全部由配筋樁承擔;在計算中不考慮素混凝土樁的抗彎能力,其抗彎承載力在設計中作為安全儲備。

(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。材料的不同會引起樁體剛度產生差異,在計算中應對此予以考慮。

基于上述原則,本文借鑒地下連續墻、SMW(勁性水泥土墻)工法樁等圍護結構的計算模型,對鉆孔咬合樁圍護結構提出剛度等代地下連續墻的設計計算方法。

2.2 剛度等代地下連續墻的設計計算方法

剛度等代地下連續墻設計計算方法的實質是:在考慮配筋樁與素混凝土樁材料、截面等差異的基礎上,按照抗彎剛度EI等效的原理,將鉆孔咬合樁連續式樁墻等代為材料、截面相同的板式地下連續墻,然后按照地下連續墻的設計方法進行圍護結構的變形與內力計算。

圖2為素混凝土樁(A型)與配筋樁(B型)組成的一個計算單元。其中R、d分別為樁的半徑和直徑,a為樁身搭接長度。按此整個計算單元的長度為2(d-a)。如等代后的地下連續墻厚度為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(本文取0.8);

E3——等代地下連續墻的模量;

b——等代地下連續墻的厚度。

圖2 鉆孔咬合樁計算單元示意

根據圓形截面的慣性矩計算公式:

圖3 素混凝土樁慣性矩計算圖

如圖4,I3的計算公式為:

將式(2)、式(5)代入式(1),即可得到等代后地下連續墻的厚度。可以看出,在求解等代地下連續墻厚度的計算過程中,同時考慮素混凝土樁、配筋樁剛度及其材料的差異,比較全面反應了鉆孔咬合樁的結構特征。

圖4 I3計算圖

2.3 鉆孔咬合樁基坑圍護結構變形內力的計算分析

根據式(1)得到等代地下連續墻的厚度后,即可取1延米單寬按照桿系有限元進行基坑圍護結構的變形內力計算。對于基坑圍護結構的變形,由于等代地下連續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準組合作用下1延米單寬等代地下連續墻的桿系有限元計算結果。

對于圍護結構的內力,也應是 A型樁、B型樁按其剛度比共同承擔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墻桿系有限元計算的彎矩為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,認為所有彎矩均有配筋樁承擔。每根配筋樁承擔的彎矩為:

得到樁身彎矩后即可據此進行配筋設計。進行配筋后,嚴格來講會引起配筋樁剛度E2I2的變化,故應進行多次疊代計算。但由于鋼筋截面在整個結構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墻厚度的變化也很小,故對最終彎矩及配筋的計算結果影響幾乎可忽略不計;同時考慮到在一般設計的配筋計算中大多會適當增加鋼筋面積,因此按式(6)或式(7)的一次計算結果在通常情況下均可滿足工程要求,而不必進行多次的疊代分析。

3 圍護墻體抗滲性能

采用鉆孔咬合樁作為基坑圍護結構時,主要通過嚴格控制樁的垂直度、素混凝土樁采用超緩凝混凝土以利于切割、施工前通過試成樁確定素混凝土樁和配筋樁的最佳施工時間間隔等措施,保證樁體可充分咬合,并保證咬合面具有足夠的強度,以使墻體的抗滲指標達到設計要求。

在實際施工過程中,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施工配筋樁以實現咬合切割等情形,這樣會導致樁體咬合不好或難以實現咬合,達不到抗滲的目的;特別是對地下水豐富、滲透系數大的土層條件更應對此制定專門的防滲預案。對此,一方面應在施工過程中加強監測;另一方面,一旦發現漏水應及時采取墻后補樁或注漿等措施,以保證基坑穩定。

4 工程實例

4.1 基坑圍護方案設計

上海南空國順路131弄項目是一個由住宅及辦公樓組成的綜合社區。其中,在10號辦公樓及裙房下設置地下兩層停車庫,車庫基坑長度約60 m,寬度約55 m,開挖深度8.85 m。

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

本基坑北鄰國順路,東靠政本路,基坑邊緣距國順路、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,對基坑變形的要求很高。根據上海市標準《基坑工程設計規范》(DGJ 08-61—97)及《地基基礎設計規范》(DBJ 08-11—1999)的相關規定,本基坑工程的安全性等級和環境保護等級按一級考慮,結構重要性系數為1.1。

表1 場地土層及主要物理力學指標

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

圖5 基坑圍護橫斷面(單位:mm(除標高外))

4.2 設計計算

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)中的各參數為:R=400 mm,θ=0.722 7 rad,a=200 mm,y1=264.575 1 mm。據此按式(5)得:

據式(2),配筋樁慣性矩

據式(3),素混凝土樁慣性矩

據式(1),等代地下連續墻的厚度

采用同濟啟明星基坑分析軟件,根據地下連續墻模型按照先撐后挖的施工工況所計算的等代地下連續墻的位移及內力包絡如圖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。

從計算結果可以看出,基坑變形滿足一級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進行計算。

圖6 等代地下連續墻的位移及內力計算包絡圖

5 結語

通過對鉆孔咬合樁基坑圍護結構受力特點的分析,按照剛度等代地下連續墻思路提出了其設計計算方法,并從變形和內力兩個方面進行了討論。最后通過一個工程實例表明,這種設計方法基本上綜合反映了素混凝土樁、配筋樁在基坑變形、內力方面不同的作用特點,能比較合理地描述鉆孔咬合樁的作用機理,可作為實際工程設計中的一個有益思路。

[1]DGJ 08-61—97 基坑工程設計規范[S].

[2]DBJ 08-11—1999 地基基礎設計規范[S].