何世鳴,郭躍龍,趙曉東,程金霞,賈 城,楊 敏

(1.北京建材地質(zhì)工程公司,北京 100102;2.北京工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院,北京 100124)

部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔(浮)樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

何世鳴1,郭躍龍2,趙曉東2,程金霞1,賈 城1,楊 敏1

(1.北京建材地質(zhì)工程公司,北京 100102;2.北京工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院,北京 100124)

介紹了一種新型的抗拔(浮)樁——部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁。該新型樁有效改善了抗拔樁的樁身結(jié)構(gòu),能充分發(fā)揮抗拔樁的承載力,改變了混凝土受拉時(shí)的受力性狀,克服了普通抗拔樁容易產(chǎn)生裂縫的弊病。結(jié)合有關(guān)地下結(jié)構(gòu)浮力方面的研究成果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔樁荷載試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)抗拔(浮)樁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔(浮)樁;孔隙水壓力折減系數(shù);樁身結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展和居民生活水平的不斷提高,地下空間(地下室、地下車庫(kù)、地下商場(chǎng)等)的利用已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)。隨著基坑開挖深度越來(lái)越大,抗浮設(shè)計(jì)已成為地下建筑設(shè)計(jì)中重要問題之一,其關(guān)鍵是以結(jié)構(gòu)所受浮力的確定和抗拔樁的合理設(shè)計(jì)方法為主。

有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果表明,北京市區(qū)受地下水位持續(xù)下降的影響,建筑場(chǎng)地內(nèi)孔隙水壓力分布呈現(xiàn)明顯的非線性特征,實(shí)測(cè)孔隙水壓力曲線明顯偏離按最高水位計(jì)算求得的理論靜水壓力曲線;砂土、粉土等滲透性好的含水層中實(shí)測(cè)孔隙水壓力同按該層地下水水位求得的理論靜水壓力值基本吻合,即在不考慮滲流作用時(shí)不應(yīng)對(duì)浮力進(jìn)行折減;滲透性較差的粘土及粉質(zhì)粘土等相對(duì)隔水層中,實(shí)測(cè)孔隙水壓力明顯小于理論靜水壓力,有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,孔隙水壓力折減系數(shù)可取為 0.6～0.8,實(shí)際工程中若地下室底板位于厚層粘性土層中時(shí)可根據(jù)具體情況按此系數(shù)進(jìn)行折減。

在抗浮設(shè)計(jì)中,除了結(jié)構(gòu)所受浮力在某些土層中可以適當(dāng)折減外,抗拔樁的設(shè)計(jì)也是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。傳統(tǒng)鉆孔灌注樁在承受抗拔(浮)力時(shí),樁身混凝土呈拉伸狀態(tài),混凝土的抗拉強(qiáng)度很低,所以抗拔(浮)樁在拉伸作用下混凝土產(chǎn)生裂隙,隨著樁身混凝土的破壞樁身鋼骨架也隨之發(fā)生破壞。我們?cè)诠こ虘?yīng)用實(shí)踐中提出一種新型的預(yù)應(yīng)力抗拔(浮)樁——部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔(浮)樁,該新型樁已獲國(guó)家發(fā)明和實(shí)用新型專利 (CN200710065368.6, CN200720104256.2)。部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁能夠克服抗拔樁樁身混凝土受拉使混凝土產(chǎn)生裂縫的弊病,同時(shí)使樁身受力及其傳遞更加合理。

1 部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔(浮)樁的特征

1.1 樁身軸力

非預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁的樁身軸力沿樁身向下逐漸減小(見圖 1),樁頂位置的樁身軸力最大,樁底最小。而預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁的樁身軸向力沿樁身向上逐漸減小,軸力最大處取決于施加預(yù)應(yīng)力的著力點(diǎn)位置。

1.2 樁周摩阻力

圖1 樁身軸力沿樁段分布示意圖

抗拔(浮)樁的荷載傳遞除樁身自重平衡一小部分以外,其余全部由樁周摩阻力來(lái)平衡。非預(yù)應(yīng)力抗拔(浮)樁隨著上拔荷載的增加,樁側(cè)摩阻力由淺而深逐步發(fā)揮,其規(guī)律與承受靜壓荷載時(shí)的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮情況一樣,但是摩阻力的方向相反。而部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁的樁周摩阻力隨著上拔荷載的增加,樁側(cè)摩阻力在粘結(jié)段以上由深而淺逐步發(fā)揮,在粘結(jié)段以下,由淺而深發(fā)揮。

1.3 樁土應(yīng)力

由樁身變形曲線可以知道,部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔樁的樁土間應(yīng)力分布特征如圖 2右側(cè)所示。

圖2 樁土之間應(yīng)力沿樁段分布示意圖

預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁是一個(gè)方興未艾的抗浮手段,與普通抗拔 (浮)樁相比,預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁具有以下一些優(yōu)點(diǎn):

(1)能充分合理地發(fā)揮樁體與土體之間的側(cè)阻力,提高樁的抗拔力;

(2)與普通抗拔樁相比,預(yù)應(yīng)力抗拔樁具有樁身短、樁徑小、結(jié)構(gòu)輕的特點(diǎn);

(3)成本較低,經(jīng)濟(jì),根據(jù)我們實(shí)例對(duì)比,預(yù)應(yīng)力抗拔樁的工程造價(jià)比普通抗拔樁的工程造價(jià)低;

(4)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)張拉鎖定的變形數(shù)據(jù),及時(shí)調(diào)整預(yù)應(yīng)力的鎖定值,一旦發(fā)現(xiàn)異常不良情況,能立即采取相應(yīng)加固措施,避免出現(xiàn)大的事故,這就能提高工程的安全可靠性;

(5)改善了混凝土的受力性狀,防止混凝土裂隙的產(chǎn)生,防止樁身鋼骨架的銹蝕破壞;

(6)與現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁相比,部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁可實(shí)現(xiàn)干作業(yè),文明施工,粘結(jié)可靠,質(zhì)量易于保證,施工速度快,效率高。

2 抗拔樁設(shè)計(jì)

本文以北京大學(xué)留學(xué)生公寓一～五號(hào)樓地庫(kù)部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁工程的設(shè)計(jì)及施工為背景進(jìn)行研究探討。

2.1 工程概況及水文地質(zhì)條件

2.1.1 工程概況

北京大學(xué)留學(xué)生公寓位于北京市海淀區(qū)中關(guān)村,是一個(gè)集住宿、餐飲、會(huì)議、文化交流、辦公休閑、健身娛樂于一體的綜合性公寓園區(qū)。本工程于公寓園區(qū)西部,一、二、三號(hào)樓地下部分連為一體,基礎(chǔ)埋深 12.0 m左右;四、五號(hào)樓地下部分連為一體,基礎(chǔ)埋深 8.0 m左右。一～五號(hào)樓均為筏板基礎(chǔ),一號(hào)樓東西兩側(cè)為地下 3層車庫(kù)、地上部分無(wú)建筑物。本工程 ±0=51.9 m。

2.1.2 工程地質(zhì)條件

2.1.2.1 地形地貌

擬建場(chǎng)地為永定河沖積扇的中部,地形平坦,各鉆孔孔口絕對(duì)標(biāo)高為 49.49～49.89 m。

2.1.2.2 地層

根據(jù)鉆孔資料及土工試驗(yàn)資料,擬建場(chǎng)地地層分為人工填土層及一般第四系沉積層,劃分為 7個(gè)大層。

①素填土,褐黃、灰褐、灰黑色,軟塑～可塑,主要由粉質(zhì)粘土組成,含少量樹根及碎石、灰渣等建筑垃圾,個(gè)別鉆孔頂部為水泥路面;

①1雜填土,灰褐色,稍濕,松散,主要成分為建筑垃圾;

②1砂質(zhì)粉土,褐灰、青灰色、局部褐黃色,很濕,稍密,夾有粘質(zhì)粉土及粉質(zhì)粘土,含有小貝殼及朽樹根;

②2粉砂,褐黃、灰褐色,飽和,中下密～中密,局部密實(shí),含有機(jī)質(zhì),局部夾有砂質(zhì)粉土及粘質(zhì)粉土,偶夾有細(xì)砂薄層,分布不均;

②3粉質(zhì)粘土,灰、褐灰色,可塑,夾有粉質(zhì)粘土及重粉質(zhì)粘土,含有貝殼等有機(jī)質(zhì)及少量姜石,分布不均;

②4粘質(zhì)粉土,褐灰色,很濕,中密,含有云母片,分布不均;

③1粉質(zhì)粘土,褐黃色,可塑,局部夾有粘質(zhì)粉土,含少量姜石,分布不均;

③2粘質(zhì)粉土,黃、褐黃色,局部褐灰色,濕～很濕,中密,夾有粉質(zhì)粘土,含少量姜石及鐵錳質(zhì)氧化物,分布不均,局部缺失;

③3細(xì)砂,褐黃色,中下密,飽和,含有云母和氧化鐵;

④細(xì)砂,褐黃、黃褐色,飽和,含有云母碎片,局部含有少量姜石;

④1砂質(zhì)粉土,褐黃色,很濕,中密,含有少量云母碎片;

④2粘土,褐黃色,可塑,僅 64號(hào)孔揭遇;

⑤重粉質(zhì)粘土,黃褐、褐黃色,可塑～硬塑,含有少量鐵錳質(zhì)氧化物及姜石;

⑤1粉砂,褐黃色,飽和,中密,在⑤層中以透鏡體形式產(chǎn)出;

⑤2粉質(zhì)粘土,褐黃色,可塑;

⑤3砂質(zhì)粉土,褐黃色,很濕,中密,含有云母;

⑥粘土,黃褐、褐黃色,可塑,含少量鐵錳結(jié)核及姜石,偶夾有重粉質(zhì)粘土薄層;

⑥1粘質(zhì)粉土,褐黃色,很濕,中密,含有云母片;

⑦砂質(zhì)粉土,黃褐、褐黃色,濕～很濕,密實(shí),偶夾有粉砂及粘質(zhì)粉土,局部缺陷;

⑧細(xì)中砂,褐黃、黃色,中密～密實(shí),主要由石英質(zhì)的顆粒組成,含少量云母碎片;

⑨卵石,雜色,飽和,密實(shí),成分以微風(fēng)化的安山巖為主,含少量石英砂巖、輝巖,中粗砂充填,粒徑一般為 30～40 mm,最大約 60 mm,含量 30%～70%,沖擊鉆進(jìn)較為困難;

⑩細(xì)砂,褐黃色,飽和,中上密,含有少量云母碎片,分布不均,僅部分鉆孔揭露;

總之，小學(xué)語(yǔ)文開卷有益輔導(dǎo)課，適用于三至六年級(jí)學(xué)生。是對(duì)主體課文的補(bǔ)充，屬于學(xué)生自讀性質(zhì)的內(nèi)容，側(cè)重點(diǎn)各有不同，教師要準(zhǔn)確領(lǐng)會(huì)課文的目標(biāo)要求，精心備課，大膽教學(xué)，大力進(jìn)行學(xué)法指導(dǎo)。這對(duì)學(xué)生良好學(xué)習(xí)習(xí)慣的形成、學(xué)習(xí)能力的提高有著十分重要的作用，將使學(xué)生受益無(wú)窮。

2.1.3 水文地質(zhì)條件

據(jù)勘察揭露,場(chǎng)地內(nèi)地下水有 4層,主要為第四系地層中的孔隙水、微承壓水和承壓水,穩(wěn)定水位為0.80～3.40 m,水位標(biāo)高為 46.20～48.82 m。主要受大氣降水和地下徑流補(bǔ)給,水位應(yīng)季節(jié)性而變化。各層地下水類型及賦存條件見表 1。

表1 地下水類型

歷史水位:1959年地下水位接近地表,近 3～5年水位絕對(duì)標(biāo)高49 m。

抗浮設(shè)防功能水位標(biāo)高為 49 m。

腐蝕性評(píng)價(jià):根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果,場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性;但在干濕交替條件下,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有弱腐蝕性。

2.2 抗拔樁設(shè)計(jì)方案

該工程有地下 3層車庫(kù),一號(hào)樓東西兩側(cè)地上部分無(wú)建筑物,其中 A區(qū)面積為 SA=840 m2,B區(qū)面積為 SB=2005 m2,地下建筑物按每層 c=20 kN/ m2計(jì)算。根據(jù)勘察報(bào)告及施工經(jīng)驗(yàn),樁的側(cè)限摩擦阻力的加權(quán)平均為 qsi=60 kN/m2。防滲按一級(jí)抗裂縫設(shè)計(jì)(注:不考慮樁的自重)。

需設(shè)計(jì)的參數(shù)有樁徑、樁長(zhǎng)、單樁承載力設(shè)計(jì)值及樁的配筋等。

2.2.1 荷載條件

(1)依據(jù)勘察報(bào)告,一～三號(hào)樓基礎(chǔ)埋深 12.0 m左右,水頭差:

(2)浮力荷載

基礎(chǔ)埋深 12.0 m,基底位于④層粉砂及⑤層重粉質(zhì)粘土之上,根據(jù)有關(guān)地下建筑浮力的研究成果,結(jié)構(gòu)所受浮力可以在靜水壓力的基礎(chǔ)上乘以折減系數(shù) 0.6～0.8不等,此處為安全考慮取ξ=0.8。

(3)總設(shè)計(jì)荷載 (總標(biāo)準(zhǔn)荷載 ×荷載分項(xiàng)系數(shù)×建筑物重要系數(shù))

2.2.2 單樁承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算

2.2.2.1 單樁承載力設(shè)計(jì)值選樁徑 d=400 mm,有效樁長(zhǎng) l=6 m

式中:k1——樁的安全系數(shù),取 1.7;k2——抗拔樁的折減系數(shù),按規(guī)范取 0.8;Rk——單樁抗拔力特征值,kN;qsi——第 i層土側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(根據(jù)地勘報(bào)告加權(quán)取值),kPa;Up——樁周長(zhǎng);hi——第 i層土層厚,m。

2.2.2.2 總樁數(shù)

采用正方形網(wǎng)格狀布樁,實(shí)際樁間距為 3.9 m ×3.9 m。

2.2.3 抗拔樁樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼絞線承受拉力,當(dāng)軸心受拉構(gòu)件破壞時(shí),在裂縫截面處混凝土已退出工作,全部拉力由鋼絞線承受,即:

式中:n——所需鋼絞線數(shù);fptk——預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,選用 “s15.2,fptk=1860 MPa; As——每束鋼絞線的截面面積。

但為滿足灌注樁的最小配筋率及構(gòu)造要求,最終選用主筋 3“12+3“s15.2的鋼絞線 (圖 3),As= 544 mm2。

按規(guī)范要求抗拔樁通長(zhǎng)配筋,并保證主筋錨入底板 30d,縱向鋼筋、鋼絞線沿樁身均勻布置,為了防止鋼筋鋼絞線籠腐蝕,鋼筋鋼絞線籠保護(hù)層厚為50 mm,底端為 0.5 m,加樁頂 0.5 m保護(hù)樁,總樁長(zhǎng)為 7 m,有效樁長(zhǎng)為 6 m。

圖3 鋼筋鋼絞線籠截面圖

箍筋采用 “6.5@200 mm,并采用螺旋式纏繞,在樁頂(3～5)d范圍箍筋適當(dāng)加密,鋼筋鋼絞線籠每隔 2 m設(shè)一道 “12 mm焊接加強(qiáng)箍筋。

配筋為 “300 mm籠子的下端做成一個(gè)錐形,將鋼絞線用一個(gè)U(22)型卡鎖死,鋼絞線下端 1.5 m范圍內(nèi)與混凝土粘結(jié),其余段鋼絞線與混凝土非粘結(jié);鋼絞線上端鎖定在底板上,單根鋼絞線的張拉控制應(yīng)力控制在 0.75fptk,樁頂進(jìn)入底板 100 mm。樁身結(jié)構(gòu)見圖4。

抗拔樁部位的防水按有關(guān)要求執(zhí)行 (在樁頂及四周涮水泥滲透劑,然后在樁的四周做一圈止水帶)。

樁基材料的受拉承載力為:

式中:λ0——建筑物重要系數(shù);取 1.1;ft——混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,C25混凝土取 1.78MPa;As——混凝土有效面積,扣除保護(hù)層厚度。

代入公式得:

234058≤223568+254820=478388

即單樁抗拔承載力遠(yuǎn)小于鋼筋鋼絞線混凝土樁抗拉承載力,保證了抗拔樁不出現(xiàn)混凝土裂縫。

2.2.4 群樁地基整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

將樁和樁間土一起結(jié)為實(shí)體基礎(chǔ),其整體的穩(wěn)定性應(yīng)滿足整個(gè)樁和樁間土構(gòu)成的實(shí)體所受的總的摩阻力和浮重應(yīng)大于總的設(shè)計(jì)荷載。

即滿足:

式中:Rk=∑i-1nλi(qsili)×ui,為群樁呈整體破壞時(shí)的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值;Gs′——樁間土的浮重力,Gs′=γ′V;λi——抗拔系數(shù),取 0175;V——樁間土的體積;ui——A、B區(qū)的周長(zhǎng),通過從樁基平面圖上計(jì)算,A、B區(qū)的周長(zhǎng)為 359 m。

圖4 部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔樁結(jié)構(gòu)

即群樁地基抗拔穩(wěn)定性滿足整體穩(wěn)定性的要求。

經(jīng)過對(duì)原方案優(yōu)化設(shè)計(jì),樁長(zhǎng)可縮短為原樁長(zhǎng)(9 m)的 2/3,樁的數(shù)量 A區(qū)由 191根減為 70根,B區(qū)由 553根減為 166根,大大降低了工程量,節(jié)省了財(cái)力物力。

3 抗拔樁施工

抗浮工程樁采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔,放置鋼筋鋼絞線籠灌注混凝土成樁的工藝,必須時(shí)采用了先壓灌混凝土后插入鋼筋鋼絞線籠的方式成樁。預(yù)應(yīng)力抗拔(浮)樁施工簡(jiǎn)便,樁底的預(yù)應(yīng)力鋼絞線用U型鎖卡鎖在一起,部分粘結(jié)段的鋼絞線也有效的保證了樁底鋼絞線的鎖定牢固,使樁底混凝土自身成為很好的預(yù)應(yīng)力承載體。平均每臺(tái)鉆機(jī)每天可成樁30根。

4 結(jié)語(yǔ)

部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔樁既不同于普通抗拔樁也不同于一般的預(yù)應(yīng)力抗拔樁,部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔樁既方便實(shí)施,又接近理想的應(yīng)力分布情況。

部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔 (浮)樁利用事先施加的預(yù)應(yīng)力,因而能夠改變樁體受力狀態(tài)和改善樁體受力路徑,充分合理發(fā)揮樁體與土體之間的側(cè)阻力,提高樁的抗拔力,并能控制結(jié)構(gòu)物上拔位移量。

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OptimalDesign of Partbonding Prestress Uplift Pile

HE Shim ing1,GUO Yue2long2,ZHAO Xiao2dong2,CHENG Jin2xia1,JIA Cheng1,YANGM in1(1.BeijingBuildingMaterial Geotechnical Engineering Company,Beijing 100102,China;2.BeijingUniversity of Technology,Beijing 100124,China)

The paper introduces a new uplift pile,part2bonding pre2stress uplift pile.It effectively improves the pile shaft structure;can make full use of the bearing capacity,remodel the mechanical characteristic of the stretched concrete and overcome the cracks of the normal uplift pile.Optimal design wasmade on the uplift pile by combining the research on underground structure buoyancywith the on2site test on part2bonding pre2stress.

part2bonding pre2stress uplift pile;reduction coefficient of pore water

TU473.1

A

1672-7428(2010)07-0039-05

2010-03-01

何世鳴(1965-),男(漢族),河北涉縣人,北京建材地質(zhì)工程公司副總工程師、教授級(jí)高級(jí)工程師、一級(jí)注冊(cè)建造師、注冊(cè)巖土工程師,北京市建委巖土工程技術(shù)專業(yè)專家,兼中國(guó)地質(zhì)大學(xué)研究生導(dǎo)師、長(zhǎng)春工程學(xué)院及北京工業(yè)大學(xué)客座教授、昆明理工大學(xué)兼職教授,探礦工程專業(yè),碩士,從事巖土工程設(shè)計(jì)施工技術(shù)質(zhì)量管理及新技術(shù)開發(fā)研究工作,北京市朝陽(yáng)區(qū)望京西路甲 50-1號(hào)卷石天地大廈A座 4層,he. shi.ming@263.net。