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(fā)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(hù)支擋結(jié)構(gòu)。由于其樁體相交咬合,與傳統(tǒng)鉆孔灌注樁加止水帷幕的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采用全套管跟管鉆進(jìn)的干法掘進(jìn)工藝,可有效地防止孔內(nèi)流沙、涌泥,樁身施工質(zhì)量易于保證,特別適用于一般旋挖鉆機(jī)難以施工的較硬巖土層和卵礫石層,以及鉆孔泥漿難以護(hù)壁的軟弱淤泥質(zhì)地層和松散砂層,故近年來在基坑圍護(hù)工程中的應(yīng)用日益廣泛。

1 鉆孔咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和作用機(jī)理

如圖1所示,在鉆孔咬合灌注樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(hù)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(jī)的切割能力切割掉相鄰A型樁相交部分的混凝土,以實(shí)現(xiàn)兩者的樁身咬合。

在基坑外側(cè)的水土壓力作用下,當(dāng)A型樁與B型樁咬合面的抗剪能力可保證其協(xié)調(diào)變形時,由兩種樁組成的連續(xù)式樁墻共同承擔(dān)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(dāng)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(qiáng)度遠(yuǎn)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(fèi),因此必須在綜合考慮基坑支擋結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力不同作用模式的情況下建立咬合樁的設(shè)計計算方法。

在目前的工程應(yīng)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(fā)生扭轉(zhuǎn),受力方向不易保證,施工較為困難,故在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。常見的咬合樁結(jié)構(gòu)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(shè)計計算方法進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法

作為一種新型的基坑支擋結(jié)構(gòu),其設(shè)計計算目前尚無相關(guān)規(guī)程規(guī)范可以遵循,因此在實(shí)際工程中不同的設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu),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(dān)荷載能力,僅將配筋樁作為受力構(gòu)件考慮。此種設(shè)計方法雖然安全,但不經(jīng)濟(jì),造成一定浪費(fèi)。

2.1 設(shè)計計算原則

針對鉆孔咬合灌注樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在其設(shè)計計算中應(yīng)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(chǎn)生一定裂縫而削弱其剛度,本文采用0.8的折減系數(shù)模擬該效應(yīng)。

(2)抗彎:由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)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(chǎn)生的彎矩全部由配筋樁承擔(dān);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(shè)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(chǎn)生差異,在計算中應(yīng)對此予以考慮。

基于上述原則,本文借鑒地下連續(xù)墻、SMW(勁性水泥土墻)工法樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計算模型,對鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)提出剛度等代地下連續(xù)墻的設(shè)計計算方法。

2.2 剛度等代地下連續(xù)墻的設(shè)計計算方法

剛度等代地下連續(xù)墻設(shè)計計算方法的實(shí)質(zhì)是:在考慮配筋樁與素混凝土樁材料、截面等差異的基礎(chǔ)上,按照抗彎剛度EI等效的原理,將鉆孔咬合樁連續(xù)式樁墻等代為材料、截面相同的板式地下連續(xù)墻,然后按照地下連續(xù)墻的設(shè)計方法進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)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(xù)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(shù)(本文取0.8);

E3——等代地下連續(xù)墻的模量;

b——等代地下連續(xù)墻的厚度。

圖2 鉆孔咬合樁計算單元示意

根據(jù)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(xù)墻的厚度?？梢钥闯?在求解等代地下連續(xù)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(yīng)了鉆孔咬合樁的結(jié)構(gòu)特征。

圖4 I3計算圖

2.3 鉆孔咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形內(nèi)力的計算分析

根據(jù)式(1)得到等代地下連續(xù)墻的厚度后,即可取1延米單寬按照桿系有限元進(jìn)行基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形內(nèi)力計算。對于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,由于等代地下連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)組合作用下1延米單寬等代地下連續(xù)墻的桿系有限元計算結(jié)果。

對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,也應(yīng)是 A型樁、B型樁按其剛度比共同承擔(dān)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(xù)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(dān)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(rèn)為所有彎矩均有配筋樁承擔(dān)。每根配筋樁承擔(dān)的彎矩為:

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

3 圍護(hù)墻體抗?jié)B性能

采用鉆孔咬合樁作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時,主要通過嚴(yán)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(qiáng)度,以使墻體的抗?jié)B指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。

在實(shí)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(shí)現(xiàn)咬合切割等情形,這樣會導(dǎo)致樁體咬合不好或難以實(shí)現(xiàn)咬合,達(dá)不到抗?jié)B的目的;特別是對地下水豐富、滲透系數(shù)大的土層條件更應(yīng)對此制定專門的防滲預(yù)案。對此,一方面應(yīng)在施工過程中加強(qiáng)監(jiān)測;另一方面,一旦發(fā)現(xiàn)漏水應(yīng)及時采取墻后補(bǔ)樁或注漿等措施,以保證基坑穩(wěn)定。

4 工程實(shí)例

4.1 基坑圍護(hù)方案設(shè)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(qū)。其中,在10號辦公樓及裙房下設(shè)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(zhì)粉土,②3-2砂質(zhì)粉土,④淤泥質(zhì)黏土,⑤1-1黏土,坑底位②3-2砂質(zhì)粉土層。在基坑開挖范圍內(nèi)分布有厚度6～8 m的②3-2砂質(zhì)粉土。該層土透水性好,易產(chǎn)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(xué)指標(biāo)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(jù)上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程設(shè)計規(guī)范》(DGJ 08-61—97)及《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DBJ 08-11—1999)的相關(guān)規(guī)定,本基坑工程的安全性等級和環(huán)境保護(hù)等級按一級考慮,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

表1 場地土層及主要物理力學(xué)指標(biāo)

綜上所述,在綜合考慮水文地質(zhì)與工程條件、變形控制要求、工程造價等因素的基礎(chǔ)上,本基坑選用Φ800 mm@600 mm的鉆孔咬合灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),按素混凝土樁、配筋樁間隔布置考慮,樁長16 m,豎向設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐,坑底以下5 m土層采用裙邊加固?；訃o(hù)橫斷面如圖5。

圖5 基坑圍護(hù)橫斷面(單位:mm(除標(biāo)高外))

4.2 設(shè)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(xù)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(shù)為:R=400 mm,θ=0.722 7 rad,a=200 mm,y1=264.575 1 mm。據(jù)此按式(5)得:

據(jù)式(2),配筋樁慣性矩

據(jù)式(3),素混凝土樁慣性矩

據(jù)式(1),等代地下連續(xù)墻的厚度

采用同濟(jì)啟明星基坑分析軟件,根據(jù)地下連續(xù)墻模型按照先撐后挖的施工工況所計算的等代地下連續(xù)墻的位移及內(nèi)力包絡(luò)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(jié)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(jìn)行計算。

圖6 等代地下連續(xù)墻的位移及內(nèi)力計算包絡(luò)圖

5 結(jié)語

通過對鉆孔咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的分析,按照剛度等代地下連續(xù)墻思路提出了其設(shè)計計算方法,并從變形和內(nèi)力兩個方面進(jìn)行了討論。最后通過一個工程實(shí)例表明,這種設(shè)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(nèi)力方面不同的作用特點(diǎn),能比較合理地描述鉆孔咬合樁的作用機(jī)理,可作為實(shí)際工程設(shè)計中的一個有益思路。

[1]DGJ 08-61—97 基坑工程設(shè)計規(guī)范[S].

[2]DBJ 08-11—1999 地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].