深基坑懸臂式擋土灌注樁設計

李秉琴

（中鐵十六局集團第二工程有限公司， 天津 300162）

1 概況

新建石家莊至濟南鐵路客運專線衡景特大橋上跨大廣高速公路，衡景特大橋114#、115#墩臨近大廣高速公路路基邊坡。為保證基坑施工安全，防止因基坑開挖造成大廣高速公路路面失穩，決定采用鉆孔灌注樁進行基坑防護，不設內部支撐。

2 車輛荷載換算

將車輛荷載按均布荷載考慮，換算成均布土層，車輛荷載作用在防護樁后面引起的土體側壓力按等代均布土層厚度計算。

換算均布土層厚度可直接由防護樁懸臂高度確定的附加荷載強度計算：

h0= q/γ

式中：h0－換算土層厚度(m)；

q－車輛荷載附加荷載強度：墻高小于2m，取20kN/m2；墻高大于10m，取10kN/m2；根據直線內插法計算，本工程防護樁懸臂高度等于基坑深度h=7m，綜合考慮后取q=15 kN/m2。

γ－墻背填土的重度（kN/m3），取18 KN/m3。

則： h0= q/γ=15/18=0.83(m)

3 灌注樁長度計算

計算參數：h=7.0m，樁后土體內摩擦角φ=30°，假定土質均勻,忽略土內聚力C 的影響，忽略地下水的作用。

換算后土的重度：γ′=γ（h0+h）/ h=18×（7+0.83）/7=20.134（KN/m3）

主動土壓力系數：Ka=tg2（45-30/2）=0.33

被動土壓力系數：KP=tg2（45+30/2）=3

ea =hγ′Ka+qKa=7×20.134×0.33+15×0.33=51.5（kN/m2）

μ=ea/(KP-Ka)γ′=51.5/(3-0.33)×20.134=0.96(m)

l=h+μ=7+0.96=7.96（m）

主動土壓力合計：

∑Ea=Ea1+Ea2+Ea3=γ′h2Ka/2+qhKa+μea/2=20.134×7×7×0.33/2+15×7×0.33+51.5×0.96/2=222KN/m

主動土壓力合力作用點距離原地面位置 ：

a=（Ea1×2h/3+Ea2×h/2+Ea3×(h+μ/3)）/∑Ea=（162.78×14/3+34.65×7/2+24.72×7.32）/222=4.78（m）

被動土壓力：Ep=γ′χ2(Kp- Ka)/2

根據布氏（H.Blum）研究理論，由ΣMc=0 得：∑Ea×（l+χ-a）- Epχ/3=0

整理后得：x3-6∑Eaχ/(KP-Ka)γ′-6∑Ea（l-a）/(KP-Ka)γ′=0

令：χ=ωl，kr=(KP-Ka)γ′，得：ω3=6∑Ea（1+ω）/ krl2-6∑Ea×a/ krl3

先求：kr=(KP-Ka)γ′=（3-0.33）×20.134=53.75

令：m=6∑Ea/krl2=6×222/（53.75×7.962）=0.39

令：n=6∑Ea×a/krl3=6×222×4.78/（53.75×7.963）=0.23

得：ω3=m（1+ω）-n

由m、n 值查布氏理論曲線可得：ω=0.77

則：χ=ωl=0.77×7.96=6.13（m）

樁入土深度： t=μ＋1.2χ=0.96+6.13×1.2=8.3（m）

鉆孔灌注樁總長： L=h+t=7+8.3=15.3m

4 灌注樁截面及配筋計算

4.1 最大彎矩

首先求最大彎矩發生的位置： 設最大彎矩發生在0 點以下χm 位置上, 則由該處剪力等于零可得：∑Ea-γ′χm2(Kp- Ka)/2=0

則：

最大彎矩為：

4.2 截面及配筋計算

根據工程實際，本工程灌注樁受拉側是固定的，即靠近高速公路一側，采用不均勻配筋方式。灌注樁直徑D=1.25m，采用C25 混凝土，則fc =11.9N/mm2,采用HRB335 鋼筋，則fy=300 N/mm2。

等效矩形截面邊長：b=0.876D=1.25×0.876=1.095m=1095mm

取保護層厚度7cm，截面有效高度：Ho=1095-70=1025mm

as=M/(fc×b×Ho2)=1131.3×106/(11.9×1095×10252)=0.083

根據as查《簡明施工計算手冊》P232 表4-20 可得：γs=0.957

求受拉鋼筋截面面積：As=M/(γsfyHo)= 1131.3×106/（0.957×300×1025）=3844mm2

選配縱向受拉鋼筋，選擇現場已經采購的Φ22mm 鋼筋，單筋面積：A=379.9mm2求鋼筋根數：n=As/A=3844/379.9=10.12，取n=10 根。

另在受壓區配置5Φ22mm 的構造鋼筋，箍筋采用Φ8@200 圓鋼。

5 穩定性驗算

5.1 坑底隆起驗算

假設土層為中硬黏土，取黏聚力c=30kpa，為了更安全，不考慮土體與樁間的摩擦力以及樁后土體破壞面的阻力，則：K=2πc/（q+γh）=2×3.14×30/（15+18×7）=1.34＞1.2

故坑底不會發生隆起。

5.2 坑底管涌驗算

取抗管涌安全系數K=1.5，水重度γw=10KN/m3，土的浮重度γ′=γ-γ w=8KN/m3,地下水位至坑底距離h′=7-2=5（m），則：

（K×h′×γw-γ′×h′）/2γ′=（1.5×5×10-8×5）/2×8=2.19(m)＜t=8.3（m）

故坑底不會發生管涌現象。

5.3 施工注意事項

1.采用等效矩形截面配筋的擋土混凝土灌注樁，成孔后吊放鋼筋籠，受力鋼筋必須安放在樁的受拉一側，防止鋼筋籠錯位或扭轉，避免鋼筋位置不對造成灌注樁受力時破壞。

2.灌注樁樁間凈距0.25m，為確保整體性，在樁頂設冠梁，內部不設水平支撐。基坑底部采用20cm 素混凝土封底，坑內四周設排水明溝和集水坑，以便及時抽出積水。灌注樁外側沿基坑四周插入一圈拉森鋼板樁，防止周圍地下水沿灌注樁之間的縫隙進入基坑。

3.由于工程緊鄰高速公路，施工過程中可采用高度較小的反循環鉆機成孔，防止機械傾覆到高速公路上，鋼筋籠采用分段吊裝，減小吊車伸展高度。

4.開挖過程中，隨時監測高速公路路面、擋土灌注樁及周圍地面的沉降值和變形值，發現異常及時采取施加內支撐、坑內回填土等應急措施。

6 結論

2014 年10 月底，該工程全部施工完成。在施工過程中，定時對基坑周邊地面、樁頂冠梁及高速公路路面進行沉降及變形觀測，所有數值均在規范允許范圍內，驗證了該設計方案的科學性及可行性。在隨后施工的另外兩處連續梁工程中，由于橋墩基坑緊鄰市區主干道路，開挖深度較大，安全風險較高，項目繼續采用該方法進行了設計和施工，取得了良好效果。