徐國炎

（廈門順安隆工程建設(shè)有限公司，福建 廈門 361000）

淺談擴(kuò)展獨(dú)立柱基礎(chǔ)的抗沖切設(shè)計(jì)與施工

徐國炎

（廈門順安隆工程建設(shè)有限公司，福建 廈門 361000）

國內(nèi)目前的房屋基礎(chǔ)按其埋深可分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)。淺基礎(chǔ)主要以擴(kuò)展基礎(chǔ)為主，擴(kuò)展基礎(chǔ)系指柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、墻下條形基礎(chǔ)和筏形基礎(chǔ)。本文根據(jù)工程實(shí)例，對(duì)擴(kuò)展獨(dú)立柱基礎(chǔ)的抗沖切設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行探討。

擴(kuò)展獨(dú)立柱基礎(chǔ)；抗沖切設(shè)計(jì)；施工

深基礎(chǔ)包括有柱、墩、沉井、地下連續(xù)墻等。淺基礎(chǔ)按使用材料的不同，可分為柔性基礎(chǔ)或彈性基礎(chǔ)和剛性基礎(chǔ)。柔性基礎(chǔ)和彈性基礎(chǔ)均以采用鋼筋砼為主，柔性和彈性采用何種設(shè)計(jì)理論及配筋量不同，柔性基礎(chǔ)的配筋量大于彈性基礎(chǔ)的配筋量。剛性基礎(chǔ)主要有砼基礎(chǔ)、毛石砼基礎(chǔ)、磚基礎(chǔ)、毛石基礎(chǔ)、灰土基礎(chǔ)等，均無配置鋼筋抵抗變形拉力。淺基礎(chǔ)的地基又可分為天然地基和人工地基。天然地基為基礎(chǔ)持力層直接落于天然老土層或巖石上。人工地基為基礎(chǔ)持力層無法直接落于天然老土層或巖石上，而需要經(jīng)過處理后才能作為持力層的地基，如換填、強(qiáng)夯、灰土攪拌等。淺基礎(chǔ)是相對(duì)深基礎(chǔ)而言的，二者的差別主要在施工方法及設(shè)計(jì)原則。下面主要淺論天然擴(kuò)展淺基礎(chǔ)的抗沖切設(shè)計(jì)與施工成本。

1 天然擴(kuò)展淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)高度與施工成本的關(guān)系

施工成本由人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、措施費(fèi)、管理費(fèi)等組成。當(dāng)基礎(chǔ)底面積確定后，沖切承載力取決于基礎(chǔ)高度，基礎(chǔ)高度越高沖切承載力越大，施工成本越高。剛性基礎(chǔ)即根據(jù)上部的荷載大小與地基承載力確定基礎(chǔ)底面積，基礎(chǔ)高度按剛性角或基礎(chǔ)臺(tái)階高寬比確定，具體執(zhí)行GB50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》。因剛性基礎(chǔ)的材料的抗沖切拉應(yīng)力強(qiáng)度較低，若上部荷載稍大時(shí)，基礎(chǔ)高度將較大，施工成本也隨之較高。柔性或彈性基礎(chǔ)的底面積也是根據(jù)上部荷載與地基承載力確定，基礎(chǔ)高度也取決于抗沖切承載力。沖切力越大基礎(chǔ)高度越高，成本也就越高。柔性或彈性基礎(chǔ)高度按規(guī)范的沖切公式確定。

2 柱下獨(dú)立基礎(chǔ)抗沖切破壞機(jī)理

按規(guī)范規(guī)定柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)高度分別采用不同的設(shè)計(jì)方法。柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的受沖切機(jī)理：柱下獨(dú)立基礎(chǔ)在柱中心荷載F(KN)作用下，如果基礎(chǔ)高度不足，則將沿著柱周邊（或階梯高度變化處）產(chǎn)生沖切破壞，形成與底面夾角為45°的斜裂面的角錐體（如右圖）。因此，由沖切破壞錐體以外（AL）的地基反力所產(chǎn)生的沖切力（FL）應(yīng)小于沖切面砼的抗沖切能力。

對(duì)于矩形獨(dú)立柱基礎(chǔ)，柱短邊一側(cè)沖切破壞較柱長邊一側(cè)危險(xiǎn)，所以一般只需根據(jù)柱短邊一側(cè)沖切破壞條件來確定底板厚度，即求矩形截面柱的矩形基礎(chǔ)，應(yīng)驗(yàn)算柱與基礎(chǔ)交處（如下圖）以及基礎(chǔ)變階處的受沖切承載力。按式FL≤0.7βhpftαmho驗(yàn)算。

3 按規(guī)范的方法計(jì)算抗沖切承載力確定基礎(chǔ)高度砼無法充分利用

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002規(guī)定根據(jù)受沖切機(jī)理及規(guī)范規(guī)定分析，AL 范圍地基反力產(chǎn)生的沖切應(yīng)力為與底面成45°角的拉應(yīng)力。規(guī)范僅考慮由沖切面砼來承沖切拉應(yīng)力，而砼的抗拉強(qiáng)度ft又很低，若在柱中心荷載很大的情況下，套用FL≤0.7βhpftαmho計(jì)算，勢(shì)必造成基礎(chǔ)厚度很厚，特別是在地基承載力較高（如巖石層）的情況下，多層或小高層較多設(shè)計(jì)成獨(dú)立柱基礎(chǔ)，經(jīng)常出現(xiàn)基礎(chǔ)厚度超過一米，這種持力層落于堅(jiān)硬土層或巖石上的多層或小高層的獨(dú)立柱基的砼僅在沖切面才能充分利用。在其他位置均無法充分利用，對(duì)施工的經(jīng)濟(jì)成本及工期而言均不太合理，在堅(jiān)硬土層或巖石層上鑿出基坑，效率低、工期長，若受自然因素影響（如下雨）基坑又需要抽水，成本就更高。所以，在堅(jiān)硬土層或巖石層上，基礎(chǔ)高度越小經(jīng)濟(jì)成本及工期成本越低。若能考慮在受沖切面配置一些抗沖切拉應(yīng)力的鋼筋，那么基礎(chǔ)的厚度就能大大減少，又能充分發(fā)揮鋼筋抗拉與砼抗壓材料強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，并達(dá)到節(jié)約施工經(jīng)濟(jì)成本及縮短工期的目的。

4 獨(dú)立柱基抗沖切受力的破壞特征與梁抗剪的相似性及計(jì)算公式套用建議

獨(dú)立柱基受沖切的破壞形式與梁的受剪破壞形式極其相似，破壞時(shí)均產(chǎn)生斜裂縫。若在可能出現(xiàn)斜裂縫的位置配置一定數(shù)量的鋼筋來抵抗沖切拉應(yīng)力，這些鋼筋與可能出現(xiàn)的斜裂縫相互垂直，如下圖，基礎(chǔ)厚度按規(guī)范規(guī)定最小厚度。公式參照受剪彎起鋼筋的計(jì)算公式。

因抗沖切公式的amho為抗沖切面面積，0.7為角度系數(shù)，βhp為受沖切承載力截面高度系數(shù)（09～1.0）ft為砼軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。整個(gè)公式的物理力學(xué)意義為受沖切面的抗沖切拉力的設(shè)計(jì)值。受剪彎鋼筋的抗剪拉力公式0.8fyAsSina,0.8為彎起鋼筋受剪承載力的折減系數(shù)，與βhp相似；Sina 彎起鋼筋的角度與受沖切承載力公式的0.7 相似。fyAs為受剪面鋼筋的抗拉強(qiáng)度，與amho相似。從擴(kuò)展基礎(chǔ)的受沖切破壞機(jī)理至設(shè)計(jì)計(jì)算均與梁的抗剪非常相似，僅名稱與代號(hào)不統(tǒng)一而已，因此，認(rèn)為要充分發(fā)揮材料強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，天然擴(kuò)展淺基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)高度時(shí)，在受沖切面配置一定數(shù)量的鋼筋來抵抗沖切拉應(yīng)力，計(jì)算時(shí)套用梁抗剪的彎起鋼筋計(jì)算公式可減少基礎(chǔ)高度，達(dá)到降低工程造價(jià)，縮短工期等目的。

5 設(shè)置抗沖切鋼筋達(dá)到節(jié)約施工成本及縮短工期的實(shí)例分析

案例一：某工程地上六層 下地一層 地下室為消防水池、水泵房，采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，獨(dú)立柱基面設(shè)置鋼筋砼梁式筏板基礎(chǔ)，筏板厚度300，砼強(qiáng)度等級(jí)C30，梁式筏板基礎(chǔ)僅受構(gòu)件自重及地面載。獨(dú)立柱基平面如下，柱截面尺寸均為600×700，基礎(chǔ)的單個(gè)最大荷載為作用在柱底的荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值：

中心豎直荷載F=5257.14KN，力矩M=2800KN.M，基礎(chǔ)尺寸為4600×3300×300～1100。驗(yàn)算抗沖切,并進(jìn)行造價(jià)工期等比較。

若采用配置適量鋼筋與沖切面垂直位置基礎(chǔ)邊緣厚度以滿足規(guī)范的最小要求200，柱邊厚度選用400。計(jì)算配筋設(shè)置如前所述，再進(jìn)行驗(yàn)算。配置1225。

公式套用彎起鋼筋抗剪承載力：亞砂土及薄層粉砂。

（2）2-2：淤泥質(zhì)亞粘土：灰色，流塑，夾薄層粉砂。

（3）2-3：亞粘土：灰色，流塑，夾粉砂，局部為亞砂土夾亞粘土。

（4）2-4：亞粘土：青灰色，軟塑，含氧化鐵斑，欠均一。

（5）3-1：亞粘土：灰色～褐黃色，硬塑，含少量鐵錳結(jié)核及灰色高嶺土條帶、浸斑。

（6）3-2：亞粘土：灰黃～灰色，軟塑，夾亞砂土。

（7）4-1：鈣質(zhì)泥巖(強(qiáng)風(fēng)化)：紫褐色，原巖經(jīng)強(qiáng)烈風(fēng)化呈砂土、粘土夾碎石狀。

3 主要施工方法

3.1 鉆孔樁施工

根據(jù)地質(zhì)情況，本工程樁基礎(chǔ)采用Ф1.2m沖擊鉆孔樁施工。

3.2 沉井施工

經(jīng)測(cè)量靠岸側(cè)基坑的開挖深度最大達(dá)11.5m，如采用全面放坡開挖，基坑開挖面積太大，很容易造成對(duì)老橋基礎(chǔ)的影響，且在標(biāo)高1.0～3.0m之間土層為淤泥質(zhì)土，很容易造成基坑坍方，承臺(tái)基坑采用沉井支護(hù)。

3.3 斜腿剛構(gòu)0號(hào)段施工

斜腿剛構(gòu)0號(hào)段采用斜腿鋼桁架和平衡架的施工方法，通過設(shè)置后錨墩，設(shè)計(jì)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束張拉，成功的完成了斜腿0#段的施工。

斜腿剛構(gòu)0號(hào)段施工時(shí)分三次澆筑砼成型，第一次澆筑至標(biāo)高8.68米處（距斜腳根部約5.5m），第二次澆筑至箱梁底板，第三次0#段澆筑完畢。為防止斜腿根部出現(xiàn)砼開裂，在第二次混凝土澆筑前，利用斜腿后側(cè)平衡剛架及承臺(tái)上現(xiàn)澆的鋼筋混凝土錨墩對(duì)斜腿進(jìn)行張拉，張拉之前用型鋼（2[32a]對(duì)斜腿進(jìn)行橫向支撐。

3.3.1 支架

0號(hào) 段平衡剛架采用2[32a（背焊）加工成型，單箱共設(shè)置5組平衡剛架。平衡鋼架在場外按設(shè)計(jì)加工成形，現(xiàn)場單件安裝焊接，組拼成型；同時(shí)進(jìn)行斜腿鋼桁架安裝施工，鋼桁架單組在場外加工成型，斜腿桁架上下弦桿采用2[25加工（上下弦桿根部2m范圍采用δ=1cm的鋼板加固）直桿及斜桿采用2[10加工。平衡鋼架頂標(biāo)高為8.18m，從頂往下46cm設(shè)2[32a的對(duì)口撐，并與斜腿上的預(yù)埋鋼板焊接。斜腿斷面中心預(yù)埋錨墊板，鋼絞線一端與錨墊板連接固定，另一端通過錨墩進(jìn)行張拉。鋼絞線穿過斜腿部分通過預(yù)埋的波紋管（波紋管與水平方向夾角為13度）防止與砼的接觸。

平衡架頂設(shè)28a工字鋼作為分配梁，間距60cm；分配梁頂搭鋼管腳手架，間距：60*60cm。0#段其余部分采用滿堂腳手架施工，間距：60*60cm。平衡架及斜腿桁架組與組之間均用[12設(shè)置剪刀撐。

圖二 斜腿0#段施工圖

3.3.2 斜腿臨時(shí)張拉

0# 段克服水平力張拉束共設(shè)置5束，每束鋼絞線設(shè)計(jì)7根，采用7-φ15.24高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，每根鋼絞線受控力為19.53t（每根鋼絞線張拉力按張拉至0.75Ry來控制）。0#段第一次砼混凝土澆筑完畢，混凝土等強(qiáng)至80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行應(yīng)力張拉。 張拉時(shí)，先局部拆除槽口模板，利用承臺(tái)上的臨時(shí)錨墩對(duì)斜腿進(jìn)行單端張拉，張拉順序按從中間向兩側(cè)對(duì)稱張拉。

3.3.3 模板

0號(hào) 塊采用竹膠模板作為外模，由于斜腿靠河心側(cè)砼與桁架之間凈空只有23cm，且桁架之間最大間距為2.2m。模板背帶縱向采用5*8cm的方木，間距25cm，橫向采用14mm槽鋼加固，間距30cm?？亢有膫?cè)斜腿模板立好之后，綁扎斜腿鋼筋及預(yù)埋各種預(yù)埋件；然后再施工靠河岸側(cè)模板，模板縱向背帶方木，橫向采用鋼管加固，利用“3”形卡，設(shè)置拉桿把斜腿兩側(cè)模板連接起來。

箱梁外模除底板采有膠合板外，其余部位全部采用光面竹膠板。箱梁內(nèi)模采用鋼木組合型式。內(nèi)模內(nèi)框架采用5×10cm方木，側(cè)面及底面采用2cm厚木板，頂面采用標(biāo)準(zhǔn)鋼模板。

3.3.4 波紋管的定位與安裝

普通鋼筋綁扎成型后，按照預(yù)應(yīng)力束道的定位坐標(biāo)，由中向兩端在底模上畫好標(biāo)線，并編上號(hào)，按每個(gè)斷面預(yù)應(yīng)力束道的豎向尺寸綁扎、焊接好定位箍筋，再穿入波紋管，綁扎牢固。

3.3.5 混凝土施工

砼采用攪拌站商品砼，砼坍落度控制在16±2cm，摻加早強(qiáng)緩凝劑，砼初凝時(shí)間不得小于6h，砼強(qiáng)度7天內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%。

混凝土澆注在立面上分三次灌注：第一次灌注斜腿；第二次灌注箱梁底板，第三次灌注箱梁腹板、頂板及翼板。箱梁混凝土采用泵送入模，插入式振動(dòng)器振搗。

3.4 斜腿剛構(gòu)1號(hào)段施工

1# 段斜坡段長9.414m，分三次進(jìn)行澆筑成型。為便于2#段支架搭設(shè)，斜坡段每隔90cm設(shè)置一個(gè)小臺(tái)階，并預(yù)埋鋼筋。底模采用土模，并按照設(shè)計(jì)坡度進(jìn)行刷坡，澆筑墊層混凝土。側(cè)面采用膠合板，背帶方木，并采用鋼管撐加固。斜坡段澆注完畢之后，進(jìn)行1#段配重梁施工。

3.5 斜腿剛構(gòu)2、3號(hào)段施工

3.5.1 支架

2號(hào) 段箱梁底板支架采用鋼管支架，縱×橫=90×60cm；翼板下支架：90×90cm。

3號(hào) 段支架采用貝雷桁片組上設(shè)分配梁(工25)，間距75 cm；分配梁上搭設(shè)鋼管支架。底板下采用75×90cm鋼管支架，腹板及隔板下支架間距50×50cm。

全橋共布置6排支撐樁，從北至南依次編號(hào)為：A、B、C、D、E、F排，各排均采用鋼管樁，鋼管樁直徑均采用Φ400mm，壁厚10mm。通過對(duì)打入樁的靜載試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)際情況，樁頂標(biāo)高取值為：7.422m，兩座橋A排共需布置27根樁，樁長13.6m；其中B排樁樁長12.3m，布置27根；C排樁樁長12.8m，布置31根；D排樁樁長13.2m，布置31根；E排樁樁長13.3m，布置27根，F(xiàn)排樁樁長14.4m，布置27根。鋼管樁上口采用2根35a工字鋼作為分配梁，工字鋼上口縱向采用貝雷片桁架。

3.5.2 模板

箱梁外模全部采用光面竹膠板。在支架頂面縱向鋪設(shè)15×15cm方木，橫向鋪設(shè)10×10cm方木。鋪設(shè)間距30cm。竹膠板用電鉆打孔，圓釘固定在方木上。模板分兩次立模，第一次為底板、挑臂及隔板，第二次為箱梁頂板內(nèi)模。

箱梁內(nèi)模采用鋼木組合型式。內(nèi)模內(nèi)框架采用5×10cm方木，側(cè)面及底面采用2cm厚木板，頂面采用標(biāo)準(zhǔn)鋼模板。內(nèi)模預(yù)先在加工場加工成型，接縫嚴(yán)密。

模板安裝工藝同0號(hào)塊。支架預(yù)壓原理同0#段。

3.5.3 鋼筋、混凝土及預(yù)應(yīng)力施工

混凝土澆筑分一次進(jìn)行。其他施工工藝同0號(hào)塊。

3.6 斜腿剛構(gòu)4號(hào)塊施工

剛構(gòu)4號(hào)段支架利用河中鋼管支架及貝雷桁片作為施工平臺(tái)，其他施工工藝同3號(hào)塊。

4 預(yù)應(yīng)力施工

4.1 預(yù)應(yīng)力筋的下料綁扎

下料前制作一個(gè)轉(zhuǎn)盤，把鋼絞線卷套入轉(zhuǎn)盤內(nèi)，上面用十字橫桿卡住，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤拉出鋼絞線，按每束鋼絞線的設(shè)計(jì)長度在下料槽內(nèi)拉直，放平用砂輪切割機(jī)切斷，并及時(shí)用扎絲將端部扎緊，然后按每束鋼絞線的根數(shù)進(jìn)行編束，編束時(shí)應(yīng)先將鋼絞線理順，用扎絲每隔1.0～1.5m把鋼絞線束扎緊，每根鋼絞線的方位一致。

4.2 鋼絞線安裝

鋼絞線在灌注砼前穿入，穿入端頭分三層制成錐形，并套上穿束器，通過牽引鋼絲繩將鋼絞線束從孔的一端拉到另一端，至兩端外露長度大致相等，同時(shí)注意鋼絞線不得扭轉(zhuǎn)。

4.3 鋼絞線的張拉工藝

4.3.1 張拉

為了校驗(yàn)預(yù)應(yīng)力值，在張拉過程中測(cè)出預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際伸長值，如與計(jì)算值相差±6%以上時(shí)，必須檢查其原因后，再行張拉。

張拉程序：0→僑張拉初始力（0.1σk）→σk控制力（持荷2 分鐘）→錨固→回零。

4.3.2 孔道壓漿

張拉完畢后，及時(shí)進(jìn)行孔道壓漿，以不超過24小時(shí)為宜，以免引起預(yù)應(yīng)力筋銹蝕或松弛。并及時(shí)將夾片周圍預(yù)應(yīng)力筋間隙用水泥砂漿封錨；封錨水泥砂漿強(qiáng)度不達(dá)到10MPa不得壓漿。壓漿泵輸漿壓力保持在0.5～0.6MPa，以保證壓入孔道內(nèi)的水泥漿密實(shí)為準(zhǔn)，并有適當(dāng)穩(wěn)壓時(shí)間（一般30秒）。水泥漿強(qiáng)度須保證在28天強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求或不低于35MPa，水泥漿的試件強(qiáng)度達(dá)到15MPa時(shí)，方能吊移，并及時(shí)封錨。

結(jié)束語

通過此工法，對(duì)于設(shè)置后錨墩，采用斜腿鋼桁架和平衡架的施工方法，分段張拉，比較成功的完成了斜腿鋼構(gòu)的施工。

[1]邱式中.鋼構(gòu)橋結(jié)構(gòu)新體系及其施工技術(shù)(二)——鋼梁拱圈的施工建筑施工，2003-07-30.

[2]姚廣成，鄭鳳霞，李曉鴻.一連續(xù)鋼構(gòu)橋主墩承臺(tái)有限元分析.科技信息(科學(xué)教研)，2008-05-20

[3]蘭英.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的施工仿真分析.石油大學(xué)，2009-05-01.

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