回填區(qū)擋土墻下雙樁抗剪研究

文／李京安、姜現(xiàn)、劉明、董志強 中國建筑第八工程局有限公司東北公司 遼寧大連 116021

引言：

我國山區(qū)、丘陵地區(qū)建造過程中可能出現(xiàn)高大填方工程，由于下沉庭院、場地高差和景觀階梯的設計，因高填方建筑造型美觀的要求，多采用直立收坡支擋結(jié)構。由于建筑、景觀專業(yè)對高填方擋土墻造型美觀的要求，一般要求采用直立式擋土墻結(jié)構。在采用懸臂式擋土墻支擋進行支擋工程設計中，主要存在以下問題：（1）填方體的厚度的不同，引起回填土體差異性沉降；（2）在高回填土設置支擋加固結(jié)構易引起結(jié)構變形不協(xié)調(diào)、變形錯臺、應力集中，甚至結(jié)構傾覆破壞等；（3）高懸臂段收坡加固美觀性問題等[1]。

為解決以上問題可采用雙排樁基懸臂式擋土墻結(jié)構[2]，由懸臂式擋土墻、雙排樁基和承臺組成，可以解決傳統(tǒng)擋土墻穩(wěn)定性差與抗變形能力差等問題。因為該結(jié)構型式的特殊性，在回填土沉降后，擋土墻的剪力將大部分由樁基礎承擔，但回填土地區(qū)樁基的抗剪承載力較小，如何提高樁基礎的抗剪承載力是研究中重點。《建筑樁基礎技術規(guī)范》（JGJ94-2008）中給出了單樁和群樁水平承載力與位移的計算方法和不同天然土體的經(jīng)驗系數(shù)，但對回填土缺少相關的規(guī)定，對于樁基在承臺中的固結(jié)連接缺少相關節(jié)點構造做法，對雙樁的抗剪承載力試驗裝置和方法也較為欠缺；這些都是本文的研究方向。

目前國內(nèi)有關雙樁擋土墻設計、施工和檢測的全過程的系統(tǒng)研究還鮮有報道，因此本文對解決存在的關鍵技術問題及如何設計和施工顯得尤為重要，特別是在樁端固結(jié)構造、雙樁抗剪承載力檢測等方面。

1.工程概況

項目建設地點位于遼寧省大連市高新園區(qū)西部，臨近三寰牧場南側(cè)，中科院能源學院西側(cè)，本期有9 個地塊，采用市政道路或公共綠地分割；總占地面積約26.7 萬平米，總建筑面積約24.7 萬平米；場地整體西高東低，兩側(cè)高中間低，地塊規(guī)劃最低點77.5 米，最高點117 米，高差39.5 米，局部需回填13 米；各地塊內(nèi)部標高關系與場地整體一致，以回填為主，回填1～12 米不等。根據(jù)地勘揭露本工程建址地貌類型屬于剝蝕低丘，原狀地表為少量耕植土，其下為殘坡積碎石，稍濕、稍密，下為強風化板巖和中風化板巖。

建筑設計，通過合理的總圖布置充分利用場地，趨利避害，建筑布局采用不同標高入口設計，人工造勢，利用高差，營造豐富的建筑空間體驗。部分對采光通風要求不高的房間采用半埋，在建筑周邊形成較多與建筑脫離的擋土墻[3]。

圖1 典型擋土墻剖面

2.擋土墻樁基礎設計優(yōu)化

2.1 擋土墻下雙樁受力模型

根據(jù)地勘情況樁基持力層為中風化板巖，擋土墻為永久性擋墻，樁基礎長期變形較小，回填土長期變形較大，存在擋土墻下部土體與基礎脫離的風險，故在計算樁基抗剪承載力時可不考慮承臺側(cè)抗效應系數(shù)和承臺底摩阻效應系數(shù)；擋土墻下樁基礎可簡化受力模型為：（1）擋土墻、樁基礎和下部土體均處于彈性受力狀態(tài)；（2）不考慮承臺側(cè)部和底部對樁基礎的支撐左右；（3）不考慮承臺和底板下土體的支撐效果；（4）樁基進入強風化層后土體無主動土壓力。擋土墻下雙樁受力模型可簡化承臺中心點的豎向合力 V，水平合力 F 與彎矩 M，如圖2 所示。《建筑樁基礎技術規(guī)范》（JGJ94-2008）中給出了單樁和群樁水平承載力與位移的計算方法和不同天然土體的經(jīng)驗系數(shù)，但對回填土缺少相關的規(guī)定，對于樁基在承臺中的固結(jié)連接缺少相關節(jié)點構造做法，對雙樁的抗剪承載力試驗裝置和方法也較為欠缺，以下將分別從樁基固接節(jié)點構造、承臺破壞形式和雙樁抗剪承載力計算等幾個方面進行介紹。

圖2 樁基簡化計算模型

2.2 樁基固接節(jié)點及受力分析

傳統(tǒng)樁基礎深入承臺50～100mm，實際約束狀態(tài)介于交接與固接之間，這種連接方式相較于樁頂自由可以減小樁頂水平位移，同時相對與樁頂固接可以減低樁頂?shù)募s束彎矩[4]，本工程擋土高度多為5～8 米，水平剪力大，提高樁基抗剪承載力是減少樁基礎數(shù)量的關鍵點。《建筑樁基礎技術規(guī)范》（JGJ94-2008）未給出樁基礎固接的構造做法，參考類似規(guī)范和文獻：（1）美國《基礎設計與分析（第五版）》，樁頂固定時，樁頂伸入樁帽部分至少為300mm，且樁帽位于樁頂之上的混凝土厚度至少應為300mm；（2）美國陸軍工程兵團的技術說明《深基礎設計》要求樁頂與樁帽達到固定時，樁頂伸入樁帽的最小垂直長度為2D；（3）《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012），樁基伸入樁帽100～150mm，通過樁頂鋼筋與樁帽連接。本文參考Bowles《基礎設計與分析（第五版）》提出樁基固接連接的構造做法，樁頭錨入承臺內(nèi)300mm，如圖3 所示。

圖3 樁基固接構造

圖4 樁基、承臺應力結(jié)果

圖5 樁基彎矩和剪力

為驗證承臺固接效果，基于前文受力模型假定采用有限元軟件ABAQUS 建立三維數(shù)值模型，分析承臺與樁的受力情況，通過持續(xù)加載直到混凝土達到設計強度，可以發(fā)現(xiàn)樁基礎根部先于承臺破壞，承臺范圍樁基礎轉(zhuǎn)角滿足固接要求。

2.3 擋土墻下雙樁抗剪承載力

根據(jù)《建筑樁基礎技術規(guī)范》（JGJ94-2008）采用理正工具箱按位移樁頂位移10mm反算樁基抗剪承載力，以A3-20 地塊A3-20-44 孔點為例，回填土厚度8 米，強風化板巖8.4 米，以下均為中風化板巖；地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m 值，對稍密填土取值范圍為4～8，本項目初步計算時取為6，根據(jù)施工前試樁結(jié)果進行驗證。分別計算800mm 單樁和雙樁、1000mm 單樁和雙樁的抗剪承載力，如表1，從表中可以看出雙樁固接的方式較單樁增加明顯，以1000mm 雙樁為固接為例分析樁基礎的彎矩和剪力分布，根據(jù)樁基礎的內(nèi)力分布，采用分段配筋的方式，樁基礎上部2/3 部分對豎向鋼筋進行加強，且加強深度應進入強風化不小于1 米。

表1 樁基抗剪承載力計算結(jié)果（kN）

3.雙樁抗剪承載力檢測

規(guī)范對于樁頂嵌固的具體要求未明確，本項目樁頂固結(jié)要求樁頂入承臺擬定為300mm，并且樁縱筋按受拉錨入承臺，樁基礎伸入承臺范圍鑿毛處理，與混凝土承臺澆筑為一個整體。建筑基樁檢測技術規(guī)范（JGJ106-2014）規(guī)定對3 組兩樁承臺進行水平靜載荷試驗，樁徑0.8m 和1m 各三組，樁基持力層取強風化或中風化板巖，每組試驗裝置見圖6；承臺水平承載力檢測值根據(jù)設計要求及經(jīng)驗確定，對0.8 米直徑樁基現(xiàn)場預估最大加載量為3000kN，地面摩擦系數(shù)按0.5 考慮，同時考慮配種滑移安全系數(shù)1.2，因此配重總噸位為720t；1 米直徑樁基礎配重總噸位為1000t。加載應分級進行，采用逐級等量加載；分級荷載宜為最大加載量或預估極限承載力的1/10，其中第一級可取分級荷載的2 倍直到達到水平位移的設計允許值為止。水平試樁樁型的選取綜合考慮預估承載力、施工工藝、豎向荷載的影響，樁徑采用通常800～1200mm，本項目選取直徑800 和1000mm 兩種樁基。（1）800mm 樁基礎上部0.6 倍樁長范圍且不小于10 米采用14 根20mm 直徑三級鋼，樁端10 倍樁基直徑范圍為箍筋加密區(qū)，箍筋為三級鋼8@100，其他部分為箍筋非加密區(qū)，箍筋為三級鋼8@250；下部0.4倍樁長范圍采用7 根20mm 直徑三級鋼，此部分不設置箍筋。（2）1000mm 樁基上部0.6 倍樁長且不小于10米范圍采用18 根三級鋼直徑20mm 三級鋼，樁端10 倍樁基直徑范圍為箍筋加密區(qū)，箍筋為三級鋼8@100，其他部分為箍筋非加密區(qū)，箍筋為三級鋼8@250；下部0.4 倍樁長范圍采用9 根直徑20mm 三級鋼，此部分不設置箍筋。作為對比組采用相同的方式對800mm 和1000mm 單樁及承臺進行抗剪承載力檢測試驗，檢測樁選擇在雙樁承臺周邊，配筋一致，地質(zhì)條件相似。

圖6 樁基抗剪試驗裝置

圖7 樁基抗剪試驗結(jié)果

經(jīng)試驗：（1）雙樁800mm 和1000mm 直徑樁基礎試驗結(jié)果分別為790kN 和1281.6kN，單樁抗剪承載力分別為395kN 和840.8kN，較計算結(jié)果增加-2.5%和16.5%；（2）單 樁 試 驗 結(jié)果 分 別 為109.2kN 和164.4kN。800mm 和1000mm 直徑雙樁固接的單樁抗剪承載力分別是單樁鉸接抗剪承載力的3.62 倍和5.11 倍。

結(jié)語：

通過對高回填區(qū)域雙樁擋土墻的抗剪性能研究及試驗，可以獲得下列結(jié)論：

（1）對高回填區(qū)永久擋土墻下樁基礎抗剪分析時考慮回填土與擋土墻承臺的沉降差，從長期安全較大對受力模型進行合理的簡化，忽略承臺側(cè)面和地面土體的有利影響。

（2）本文給出的樁基與承臺的固接連接的構造做法，經(jīng)有限元分析承臺的破壞晚于樁基礎，可滿足樁基礎固接的假定要求。

（3）樁基固接連接抗剪承載力較鉸接連接承載力有較大提高，但樁基礎彎矩也有明顯增大，對受剪力影響較大的樁基礎，抗剪承載力的提高對結(jié)構造價影響較多時，可通過分段配筋抵抗增加的彎矩。

（4）針對樁基礎抗剪承載力設計要求，編制雙樁抗剪承載力檢測的方案，通過試驗檢測1 米直徑的樁基礎較計算值提高約16.5%，較單樁鉸接抗剪承載力提高5.11倍，大直徑樁基礎的抗剪承載力有較多的安全儲備，在類似項目中受抗剪控制的樁基礎優(yōu)先采用大直徑樁基。

（5）回填土的壓（夯）實系數(shù)對樁基礎的抗剪承載力有較大的影響，施工前需采取試樁的方式確定水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，作為計算樁基承載力的依據(jù)。