某超高層建筑圍護樁優化設計

楊 春,宋 珪,黃志強

(1.江西省地質工程〈集團〉公司,江西 南昌 330029;2.中國地質大學,湖北 武漢 430074)

某超高層建筑圍護樁優化設計

楊 春1,宋 珪1,黃志強2

(1.江西省地質工程〈集團〉公司,江西 南昌 330029;2.中國地質大學,湖北 武漢 430074)

結合蘇州某超高層建筑圍護結構設計的工程實例,對圍護樁配筋進行優化,并對沿周邊非均勻配筋和均勻配筋進行強度、剛度和經濟比較,同時對圍護樁不同長度下基坑受力變形特征進行了研究。結果表明:圍護樁采用不均勻配筋及長短交錯布置,在受力性能上變化不大,但是能夠降低工程造價,縮短工期,獲得最佳的經濟效益和社會效益。

超高層建筑;圍護樁;優化設計;配筋;樁長

0 前言

對于超高層建筑,基礎工程造價一般占土建工程總造價的 25%～40%,施工工期約占總工期的 1/3,同時,深基坑的施工也是一項風險極大的任務,因此,圍護結構是否安全,關系到整個工程的進度。

目前在設計圍護墻的問題上,蘇州大部分采用比較保守的做法,采用 3道支撐以上時,入土比仍然達到 0185以上。在止水帷幕上采取 “850 mm的三軸水泥土攪拌樁,進入不透水層或微透水層。采用鉆孔灌注樁作為圍護的時候,基本上采用沿圓周均勻配筋,并且樁長一致,這固然對于施工是便利的,但鋼筋與混凝土用量增加了,是不經濟的做法。本文結合工程實例,從配筋和樁長兩方面計算討論了圍護樁的優化設計,對今后類似的工程具有一定的指導意義。

1 工程概況

該工程位于蘇州工業園區星桂路與星海路之間,蘇惠路北側、相門塘河道南側。場地地形西北角較低,地面高程 1148～1197 m;其余地形較為平坦,地面高程 1197～2184 m。場地地貌單元屬長江三角洲沖積平原。四周道路路面高程 4100 m,相門塘堤面高程 3100 m。

通過勘察,自地表至 4010 m深度范圍內所揭露的土層,由填土、粉性土和粉砂組成,具有成層分布的特點,各土層的物理力學參數如表 1所示。基坑挖深范圍內需要穿越透水性很大的粉土粉砂層 (④層和⑤層),需考慮坑底下臥層即粉砂層的承壓水問題。淺層 (約 5 m)土層強度高、透水性差。

表 1 場地土的物理力學參數

經過比較分析,基坑支護方式決定采用淺層放坡土釘墻、深層 2道鋼筋混凝土支撐,采取先澆底板后挖主樓深坑的做法。

2 圍護樁的計算分析

2.1 基坑整體滑移穩定性計算理論

按圓弧滑動假定計算基坑開挖階段主要是第一道支撐安裝后第二道支撐安裝前地基的穩定性。對于多道支撐的基坑來說,一般總能得到滿足。

2.2 基坑坑底抗隆起穩定性計算理論

基坑抗隆起穩定性是基于太沙基 (Terzaghi)公式[1]和普朗特等 (Prandtl-Reissner)公式[2]。

假定開挖面以下的墻體能起到抵抗基地土體隆起的作用。即將墻地面作為基準面,采用太沙基和普朗特 -瑞斯納關于地基極限承載力公式。由此得到抗隆起安全系數 K:

式中:K——抗隆起安全系數,根據基坑安全等級確定;γ1、γ2——墻背開挖面以上土的平均重度和墻前土的平均重度;c——墻背土的平均粘聚力;D——開挖面至墻底的距離;H——基坑開挖深度;Nc、Nq——承載力系數;q——地面荷載。

對于太沙基公式:

對于普朗特 -瑞斯納公式:

式中:φ——土的內摩擦角。

2.3 墻體內力與變形計算的桿系有限元計算理論

圍護墻施工階段沿基坑周邊取單位長度采用桿系有限元法計算。地層對墻體的作用采用等效彈簧進行模擬。圍護墻劃分為梁單元,支撐為僅承受軸力的桿單元,考慮各施工階段施工參數變化、墻體位移的影響,滿足強度及變形控制的安全穩定性要求。

圍護結構開挖階段計算時累加結構的前一施工步的位移值以及支撐的變形,按“先變形、后支撐”的原則進行結構分析,并計算主體結構回筑階段(即換撐階段)各工況的內力組合,最終的位移為各階段之累計值。對于本工程計算假定如下:

(1)土壓力計算理論采用朗金土壓力理論,c、φ值取固結快剪峰值,采用水土分算;

(2)地面超載取為 20 kN/m2;(3)計算簡圖如圖 1所示。

圖 1 桿系有限元計算簡圖

計算結果如圖 2所示。

圖 2 圍護樁內力和變形計算結果

3 圍護樁采取沿周長不均勻配筋的設計和施工

3.1 圓形截面抗彎構件沿圓周不均勻配筋的計算公式

根據材料力學理論,抗彎構件拉壓應力分布是與距離中和軸大小密切相關的,距離中和軸越遠,拉應力和壓應力越大[3]。因此將鋼筋布置在距離中和軸較遠處范圍可以充分發揮其承載潛力。在中和軸附近范圍布置一定的構造鋼筋即可。如圖 3。

圖 3 構造鋼筋的布置

本工程按拉壓區鋼筋局部均勻對稱配置,即拉壓區鋼筋面積均為 Ag1。假定受拉區鋼筋的受拉屈服與受壓區邊緣混凝土受壓破壞同時發生,即受壓區邊緣混凝土達到其極限壓應變 010033時,受拉區邊緣鋼筋達到極限拉應變 0101。假定圍護樁直徑為2r。

根據材料力學平截面假定,求得受壓區高度 h為:

圓形截面抗彎構件沿周邊局部均勻配筋的計算在國家規范《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-99)附錄D中已有專門計算公式。

3.2 均勻配筋與不均勻配筋的抗彎承載能力比較

圓形抗彎構件采取周邊均勻配筋和不均勻配筋在抵抗同樣彎矩時鋼筋用量是不一樣的,后者較為節省[4]。針對本工程基坑圍護樁,按周邊均勻配筋和不均勻配筋情況,對其抗彎承載能力進行了計算,計算結果如下。

已知混凝土強度為 C30(fc=1413 MPa),鋼筋為二級 (fc=300 MPa),圍護樁直徑 900 mm,混凝土保護層厚度 50 mm。根據前面的計算知,彎矩為87719 kN·m(79811 kN·m ×111)。

按國家規范《混凝土結構設計規范》(GB 50010-2002)“7.3.8”條規定,可算得按周邊均勻配筋時圍護樁的配筋為 7275 mm2。

按本節公式計算周邊不均勻配筋時的鋼筋,得到圍護樁的配筋為 4995 mm2。比均勻配筋節省3113%。

3.3 圍護樁采用沿周邊不均勻配筋的施工措施

由于采用周邊不均勻配筋,鋼筋設置方向特別重要,需要在施工中加以注意。本工程的圍護樁樁頂設在地面以下約 3 m,設置時更顯困難,因為樁頂鋼筋在施工時不露出地面。

為此需要在鋼筋籠上設置定向鋼筋。目前方便的做法是鋼筋籠吊鉤鋼筋作為定向鋼筋。為了便于鋼筋籠放置時微調,吊鉤鋼筋比均勻配置的情況粗一些。對于該工程,采用直徑 16 mm鋼筋。

具體放置時,由專業工程人員現場檢查,鋼筋籠進前大致調整到設計角度方位 (設計的誤差允許在±5°),最終定位前小心旋轉整體鋼筋籠,適當微調,達到最終位置。

本工程由于設置逐樁旁站檢查,鋼筋籠方位合格率達到 99%。達到設計要求,從而實現確保質量,降低成本的目標。

4 圍護樁采取長短樁交錯布置的設計

大量的工程實踐、理論研究及試驗研究發現,排樁式抗滑樁樁后主動區的土體在樁發生變形時,產生不一致的變形,隨著變形的發展,會形成土壓力拱。墻樁前被動區的土體在樁的推動下也會形成反方向的土壓力拱[5]。如圖 4所示。

圖 4 土拱效應示意圖

土壓力拱的實質是:介質的不均勻變形產生的應力轉移和應力重分布現象。土拱效應使得樁前或樁后土體形成土體的弧形壓力拱圈,拱圈將巖土體施加的滿布力變成作用到相鄰的排樁的集中力。

在設計該工程時,利用坑底土體的壓力拱原理,樁按長短樁交錯布置,此方案充分考慮了坑底被動土在樁的推力下的成拱效應。

該工程圍護樁長短樁樁長相差 115 m,在進行穩定性計算時可以采用長樁進行考慮,原因如下:(1)樁尖范圍樁的內力本來就是最小的,按土拱效應,交錯布置的樁在集中荷載下依然足以抵抗樁的內力;(2)樁尖范圍內土體基本未受基坑開挖的擾動,被動抗力較大,更容易形成壓力拱;(3)樁尖范圍的土體受到前后 (主動和被動土壓力)、上下 (垂直自重壓力)、左右 (平衡的水土壓力)等荷載,處于三向應力狀態,強度高于普通土體。

針對基坑穩定性,采用啟明星軟件對主樓基坑圍護樁按長樁、短樁、和介于二者的樁,進行了坑底穩定性安全計算,結果如表 2所示。

表 2 不同深度圍護樁的基坑穩定性系數計算一覽表

從表 2可以看到,采用長短樁進行圍護,其穩定性不會受很大影響,具有足夠的安全性,但經濟性卻十分明顯。

5 結論

(1)鉆孔灌注樁做為圍護樁在強度設計上可以采用局部對稱,而不必采用沿周長均勻配筋。根據本文的計算,按周邊不均勻配筋時圍護樁的配筋較傳統的方法節省了 3113%的鋼筋。

(2)對于圍護樁采取長短交錯布置,只要長度差適宜,可以保證基坑的坑底穩定性,經濟效益也較為明顯。

(3)對于圍護樁的優化設計是多個方面的,由于條件的限制,本文僅從配筋和樁長兩個方面進行了分析,如何全面地進行優化還需要更為深入的研究。

[1] 李明宇,郭院成,劉耀宗.深基坑隆起穩定性的模糊概率分析[J].河南科學,2009,(8).

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[5] 廖雄華,王蕾笑,張克緒,等.土體非線彈性 -塑性本構模型[J].巖土力學,2003,(1):41-46.

Opt im ization Design of Reta in ing Pile for a Super High2rise Building

YANG Chun1,SONG Gui1,HUANG Zhi-qiang2(1.Jiangxi Geo-engineering〈Group〉Corporation,Nanchang Jiangxi 330029,China;2.China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China)

Combined with the engineering case of the retaining structure design of a super high-rise building in Suzhou,the reinforcement steelwasopt imized;comparisonwasmade on the strength,stiffness and economic of surrounding non-uniform reinforcement and uniform reinforcement;and studywasmade on the stress deformation characteristics of foundation pit un-der the condition of retaining pileswith different length.The results show that there is little change in mechanical behavior when non-uniform reinforcement steel and retaining pile with different length are adopted,but low project cost,short con-struction period and the best economic and social benefits can be achieved.

super high-rise building;retaining pile;opt imization design;reinforcement steel;pile length

TU473.2

A

1672-7428(2011)06-0036-04

2011-03- 18;

2011-04-19

楊春 (1966-),男(漢族),江西南昌人,江西省地質工程 (集團)公司高級工程師,探礦工程專業,從事巖土工程施工工作,上海市徐匯區龍漕路 1弄 1號 (200235),yangchun1966@sohu.com。