考慮水泥土剛度的預(yù)制矩形樁在基坑工程的應(yīng)用

陳 晨

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 矩形樁與水泥土相互作用原理

假設(shè)水泥土與矩形樁組合結(jié)構(gòu)截面在荷載的作用下發(fā)生形變?nèi)栽谕粋€(gè)面內(nèi)，不考慮水泥土與矩形樁之間的滑移，忽略材料的溫度、收縮等因素對(duì)材料產(chǎn)生的不利影響且兩種材料在外力的作用下變形具有相同的曲率，水泥土與矩形樁在荷載的作用下可分為以下四個(gè)階段：

第一階段：水泥土與矩形樁均為彈性；

第二階段：受拉區(qū)水泥土發(fā)生開裂，矩形樁仍為彈性；

第三階段：矩形樁單獨(dú)工作階段；

第四階段：組合結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

當(dāng)水泥土與矩形樁均處于第一階段時(shí)，兩者均處于彈性階段，此時(shí)水泥土與矩形樁組合結(jié)構(gòu)剛度可表示為：

式中B為組合剛度；Es，Eh為水泥土、矩形樁彈性模量；IS、Ih為水泥土、矩形樁截面慣性矩。

但實(shí)際工程中，水泥土與矩形樁均不可能處于理想的彈性狀態(tài)，參考鄭剛等人進(jìn)行型鋼與水泥土抗彎試驗(yàn)研究[1]，水泥土與矩形樁組合剛度可表示為：

式中Bini為考慮水泥土剛度貢獻(xiàn)系數(shù)的組合剛度；α為水泥土剛度貢獻(xiàn)系數(shù)。

2 工程實(shí)例研究

2.1 工程概況

本項(xiàng)目位于上海市，基坑開挖深度范圍內(nèi)分部的土層主要有素填土及局部分布的浜底淤泥、灰黃色黏土、淤泥質(zhì)粘性土及砂質(zhì)粉土?；酉虏糠植加杏倌噘|(zhì)黏土、軟塑粘性土，土的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。場(chǎng)地地下水位埋深為0.5～0.7m。

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 基坑支護(hù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選取項(xiàng)目基坑開挖深度約6.95米，基坑安全等級(jí)三級(jí)。豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用850mm厚水泥土墻內(nèi)插650*300預(yù)制矩形樁，矩形樁間距600mm。水平內(nèi)支撐采用一道型鋼內(nèi)支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用啟明星FRWS進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)考慮水泥土強(qiáng)度及不考慮水泥土強(qiáng)度作用的情況分別進(jìn)行計(jì)算。預(yù)制矩形樁采用C30混凝土，水泥土彈性模量取2000Mpa。計(jì)算時(shí)采用剛度等效的方法將矩形樁以及水泥土+矩形樁的組合結(jié)構(gòu)等效成地下連續(xù)墻來計(jì)算。

僅考慮矩形樁剛度時(shí)，將矩形樁換算成單位長(zhǎng)度的地下連續(xù)墻，假設(shè)地下連續(xù)墻厚度為h，彈性模量為Ec，根據(jù)剛度等效原則可得：

考慮水泥土剛度時(shí)，將水泥土與矩形樁組合截面換算成單位長(zhǎng)度地下連續(xù)墻，假設(shè)地下連續(xù)墻厚度為h，彈性模量為Ec，根據(jù)剛度等效原則可得：

設(shè)計(jì)計(jì)算工況如下：

工況1：開挖至支撐標(biāo)高以下0.5m；

工況2：架設(shè)型鋼內(nèi)支撐；

工況3：開挖至坑底；

工況4：底板換撐；

工況5：拆除型鋼支撐。

經(jīng)計(jì)算，兩種情況圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律基本一致，安裝內(nèi)支撐前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于懸臂狀態(tài)，最大位移在樁頂位置處，隨著深度的增加逐漸減小。因此工況位移較小，水泥土的作用未完全發(fā)揮，考慮水泥土作用的矩形樁水平位移略小于僅考慮矩形樁剛度的情況?；娱_挖到底后，因?yàn)橹蔚募s束作用，無論是否考慮水泥土強(qiáng)度的影響，矩形樁樁頂位移均僅有少量增加。整個(gè)樁身位移呈兩端小中間大的凸形，最大位移在坑底位置附近。此時(shí)考慮水泥土剛度的矩形樁計(jì)算得到的深層水平位移最大值為25.6mm，未考慮水泥土作用時(shí)，深層水平位移最大值為27.7mm，兩者相比最大位移減少了約8%。

2.3 水泥土剛度貢獻(xiàn)系數(shù)的確定

在實(shí)際工程中，如計(jì)算時(shí)未考慮水泥土作用時(shí)，得到的結(jié)果偏保守，深層水平位移偏大，不考慮水泥土剛度折減時(shí)，由于水泥土性質(zhì)為非線性，當(dāng)位移過大的情況下，會(huì)高估水泥土對(duì)矩形樁的剛度作用。根據(jù)王建[2]等人給出的水泥土剛度系數(shù)曲線分別計(jì)算系數(shù)時(shí)矩形樁的深層水平位移，與之對(duì)應(yīng)的計(jì)算位移最大值分別為：27.2mm、26.6mm、26.2mm、25.9mm。由于基坑工程中圍護(hù)樁最大水平位移對(duì)基坑及周邊環(huán)境影響最大，因而通過考慮不同水泥土剛度作用的最大深層水平位移與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，得出大致的水泥土剛度貢獻(xiàn)系數(shù)。隨著基坑的開挖，樁身最大水平位移實(shí)測(cè)值為26.3mm。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥土剛度貢獻(xiàn)系數(shù)=0.7時(shí)，計(jì)算出的豎向圍護(hù)最大深層水平最大值與監(jiān)測(cè)值最接近。

3 結(jié)論

1）通過啟明星FRWS計(jì)算發(fā)現(xiàn)，水泥土剛度提高了豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，考慮水泥土剛度相較于只考慮矩形樁的情況，最大深層水平位移減小了8%。

2）通過對(duì)剛度貢獻(xiàn)系數(shù)取不同值計(jì)算，與樁身深層水平位移監(jiān)測(cè)值比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)，計(jì)算出的深層水平位移最大值與監(jiān)測(cè)值最為相近。

3）豎向圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮基坑工程的復(fù)雜性，影響因素較多，不能做到計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致但仍可為今后類似相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。