楊 春,宋 珪,黃志強(qiáng)

(1.江西省地質(zhì)工程〈集團(tuán)〉公司,江西 南昌 330029;2.中國地質(zhì)大學(xué),湖北 武漢 430074)

某超高層建筑圍護(hù)樁優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 春1,宋 珪1,黃志強(qiáng)2

(1.江西省地質(zhì)工程〈集團(tuán)〉公司,江西 南昌 330029;2.中國地質(zhì)大學(xué),湖北 武漢 430074)

結(jié)合蘇州某超高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程實(shí)例,對(duì)圍護(hù)樁配筋進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)沿周邊非均勻配筋和均勻配筋進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和經(jīng)濟(jì)比較,同時(shí)對(duì)圍護(hù)樁不同長度下基坑受力變形特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:圍護(hù)樁采用不均勻配筋及長短交錯(cuò)布置,在受力性能上變化不大,但是能夠降低工程造價(jià),縮短工期,獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

超高層建筑;圍護(hù)樁;優(yōu)化設(shè)計(jì);配筋;樁長

0 前言

對(duì)于超高層建筑,基礎(chǔ)工程造價(jià)一般占土建工程總造價(jià)的 25%～40%,施工工期約占總工期的 1/3,同時(shí),深基坑的施工也是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)極大的任務(wù),因此,圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全,關(guān)系到整個(gè)工程的進(jìn)度。

目前在設(shè)計(jì)圍護(hù)墻的問題上,蘇州大部分采用比較保守的做法,采用 3道支撐以上時(shí),入土比仍然達(dá)到 0185以上。在止水帷幕上采取 “850 mm的三軸水泥土攪拌樁,進(jìn)入不透水層或微透水層。采用鉆孔灌注樁作為圍護(hù)的時(shí)候,基本上采用沿圓周均勻配筋,并且樁長一致,這固然對(duì)于施工是便利的,但鋼筋與混凝土用量增加了,是不經(jīng)濟(jì)的做法。本文結(jié)合工程實(shí)例,從配筋和樁長兩方面計(jì)算討論了圍護(hù)樁的優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)今后類似的工程具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

該工程位于蘇州工業(yè)園區(qū)星桂路與星海路之間,蘇惠路北側(cè)、相門塘河道南側(cè)。場地地形西北角較低,地面高程 1148～1197 m;其余地形較為平坦,地面高程 1197～2184 m。場地地貌單元屬長江三角洲沖積平原。四周道路路面高程 4100 m,相門塘堤面高程 3100 m。

通過勘察,自地表至 4010 m深度范圍內(nèi)所揭露的土層,由填土、粉性土和粉砂組成,具有成層分布的特點(diǎn),各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表 1所示?；油谏罘秶鷥?nèi)需要穿越透水性很大的粉土粉砂層 (④層和⑤層),需考慮坑底下臥層即粉砂層的承壓水問題。淺層 (約 5 m)土層強(qiáng)度高、透水性差。

表 1 場地土的物理力學(xué)參數(shù)

經(jīng)過比較分析,基坑支護(hù)方式?jīng)Q定采用淺層放坡土釘墻、深層 2道鋼筋混凝土支撐,采取先澆底板后挖主樓深坑的做法。

2 圍護(hù)樁的計(jì)算分析

2.1 基坑整體滑移穩(wěn)定性計(jì)算理論

按圓弧滑動(dòng)假定計(jì)算基坑開挖階段主要是第一道支撐安裝后第二道支撐安裝前地基的穩(wěn)定性。對(duì)于多道支撐的基坑來說,一般總能得到滿足。

2.2 基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算理論

基坑抗隆起穩(wěn)定性是基于太沙基 (Terzaghi)公式[1]和普朗特等 (Prandtl-Reissner)公式[2]。

假定開挖面以下的墻體能起到抵抗基地土體隆起的作用。即將墻地面作為基準(zhǔn)面,采用太沙基和普朗特 -瑞斯納關(guān)于地基極限承載力公式。由此得到抗隆起安全系數(shù) K:

式中:K——抗隆起安全系數(shù),根據(jù)基坑安全等級(jí)確定;γ1、γ2——墻背開挖面以上土的平均重度和墻前土的平均重度;c——墻背土的平均粘聚力;D——開挖面至墻底的距離;H——基坑開挖深度;Nc、Nq——承載力系數(shù);q——地面荷載。

對(duì)于太沙基公式:

對(duì)于普朗特 -瑞斯納公式:

式中:φ——土的內(nèi)摩擦角。

2.3 墻體內(nèi)力與變形計(jì)算的桿系有限元計(jì)算理論

圍護(hù)墻施工階段沿基坑周邊取單位長度采用桿系有限元法計(jì)算。地層對(duì)墻體的作用采用等效彈簧進(jìn)行模擬。圍護(hù)墻劃分為梁單元,支撐為僅承受軸力的桿單元,考慮各施工階段施工參數(shù)變化、墻體位移的影響,滿足強(qiáng)度及變形控制的安全穩(wěn)定性要求。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖階段計(jì)算時(shí)累加結(jié)構(gòu)的前一施工步的位移值以及支撐的變形,按“先變形、后支撐”的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,并計(jì)算主體結(jié)構(gòu)回筑階段(即換撐階段)各工況的內(nèi)力組合,最終的位移為各階段之累計(jì)值。對(duì)于本工程計(jì)算假定如下:

(1)土壓力計(jì)算理論采用朗金土壓力理論,c、φ值取固結(jié)快剪峰值,采用水土分算;

(2)地面超載取為 20 kN/m2;(3)計(jì)算簡圖如圖 1所示。

圖 1 桿系有限元計(jì)算簡圖

計(jì)算結(jié)果如圖 2所示。

圖 2 圍護(hù)樁內(nèi)力和變形計(jì)算結(jié)果

3 圍護(hù)樁采取沿周長不均勻配筋的設(shè)計(jì)和施工

3.1 圓形截面抗彎構(gòu)件沿圓周不均勻配筋的計(jì)算公式

根據(jù)材料力學(xué)理論,抗彎構(gòu)件拉壓應(yīng)力分布是與距離中和軸大小密切相關(guān)的,距離中和軸越遠(yuǎn),拉應(yīng)力和壓應(yīng)力越大[3]。因此將鋼筋布置在距離中和軸較遠(yuǎn)處范圍可以充分發(fā)揮其承載潛力。在中和軸附近范圍布置一定的構(gòu)造鋼筋即可。如圖 3。

圖 3 構(gòu)造鋼筋的布置

本工程按拉壓區(qū)鋼筋局部均勻?qū)ΨQ配置,即拉壓區(qū)鋼筋面積均為 Ag1。假定受拉區(qū)鋼筋的受拉屈服與受壓區(qū)邊緣混凝土受壓破壞同時(shí)發(fā)生,即受壓區(qū)邊緣混凝土達(dá)到其極限壓應(yīng)變 010033時(shí),受拉區(qū)邊緣鋼筋達(dá)到極限拉應(yīng)變 0101。假定圍護(hù)樁直徑為2r。

根據(jù)材料力學(xué)平截面假定,求得受壓區(qū)高度 h為:

圓形截面抗彎構(gòu)件沿周邊局部均勻配筋的計(jì)算在國家規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-99)附錄D中已有專門計(jì)算公式。

3.2 均勻配筋與不均勻配筋的抗彎承載能力比較

圓形抗彎構(gòu)件采取周邊均勻配筋和不均勻配筋在抵抗同樣彎矩時(shí)鋼筋用量是不一樣的,后者較為節(jié)省[4]。針對(duì)本工程基坑圍護(hù)樁,按周邊均勻配筋和不均勻配筋情況,對(duì)其抗彎承載能力進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如下。

已知混凝土強(qiáng)度為 C30(fc=1413 MPa),鋼筋為二級(jí) (fc=300 MPa),圍護(hù)樁直徑 900 mm,混凝土保護(hù)層厚度 50 mm。根據(jù)前面的計(jì)算知,彎矩為87719 kN·m(79811 kN·m ×111)。

按國家規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2002)“7.3.8”條規(guī)定,可算得按周邊均勻配筋時(shí)圍護(hù)樁的配筋為 7275 mm2。

按本節(jié)公式計(jì)算周邊不均勻配筋時(shí)的鋼筋,得到圍護(hù)樁的配筋為 4995 mm2。比均勻配筋節(jié)省3113%。

3.3 圍護(hù)樁采用沿周邊不均勻配筋的施工措施

由于采用周邊不均勻配筋,鋼筋設(shè)置方向特別重要,需要在施工中加以注意。本工程的圍護(hù)樁樁頂設(shè)在地面以下約 3 m,設(shè)置時(shí)更顯困難,因?yàn)闃俄斾摻钤谑┕r(shí)不露出地面。

為此需要在鋼筋籠上設(shè)置定向鋼筋。目前方便的做法是鋼筋籠吊鉤鋼筋作為定向鋼筋。為了便于鋼筋籠放置時(shí)微調(diào),吊鉤鋼筋比均勻配置的情況粗一些。對(duì)于該工程,采用直徑 16 mm鋼筋。

具體放置時(shí),由專業(yè)工程人員現(xiàn)場檢查,鋼筋籠進(jìn)前大致調(diào)整到設(shè)計(jì)角度方位 (設(shè)計(jì)的誤差允許在±5°),最終定位前小心旋轉(zhuǎn)整體鋼筋籠,適當(dāng)微調(diào),達(dá)到最終位置。

本工程由于設(shè)置逐樁旁站檢查,鋼筋籠方位合格率達(dá)到 99%。達(dá)到設(shè)計(jì)要求,從而實(shí)現(xiàn)確保質(zhì)量,降低成本的目標(biāo)。

4 圍護(hù)樁采取長短樁交錯(cuò)布置的設(shè)計(jì)

大量的工程實(shí)踐、理論研究及試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),排樁式抗滑樁樁后主動(dòng)區(qū)的土體在樁發(fā)生變形時(shí),產(chǎn)生不一致的變形,隨著變形的發(fā)展,會(huì)形成土壓力拱。墻樁前被動(dòng)區(qū)的土體在樁的推動(dòng)下也會(huì)形成反方向的土壓力拱[5]。如圖 4所示。

圖 4 土拱效應(yīng)示意圖

土壓力拱的實(shí)質(zhì)是:介質(zhì)的不均勻變形產(chǎn)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和應(yīng)力重分布現(xiàn)象。土拱效應(yīng)使得樁前或樁后土體形成土體的弧形壓力拱圈,拱圈將巖土體施加的滿布力變成作用到相鄰的排樁的集中力。

在設(shè)計(jì)該工程時(shí),利用坑底土體的壓力拱原理,樁按長短樁交錯(cuò)布置,此方案充分考慮了坑底被動(dòng)土在樁的推力下的成拱效應(yīng)。

該工程圍護(hù)樁長短樁樁長相差 115 m,在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)可以采用長樁進(jìn)行考慮,原因如下:(1)樁尖范圍樁的內(nèi)力本來就是最小的,按土拱效應(yīng),交錯(cuò)布置的樁在集中荷載下依然足以抵抗樁的內(nèi)力;(2)樁尖范圍內(nèi)土體基本未受基坑開挖的擾動(dòng),被動(dòng)抗力較大,更容易形成壓力拱;(3)樁尖范圍的土體受到前后 (主動(dòng)和被動(dòng)土壓力)、上下 (垂直自重壓力)、左右 (平衡的水土壓力)等荷載,處于三向應(yīng)力狀態(tài),強(qiáng)度高于普通土體。

針對(duì)基坑穩(wěn)定性,采用啟明星軟件對(duì)主樓基坑圍護(hù)樁按長樁、短樁、和介于二者的樁,進(jìn)行了坑底穩(wěn)定性安全計(jì)算,結(jié)果如表 2所示。

表 2 不同深度圍護(hù)樁的基坑穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算一覽表

從表 2可以看到,采用長短樁進(jìn)行圍護(hù),其穩(wěn)定性不會(huì)受很大影響,具有足夠的安全性,但經(jīng)濟(jì)性卻十分明顯。

5 結(jié)論

(1)鉆孔灌注樁做為圍護(hù)樁在強(qiáng)度設(shè)計(jì)上可以采用局部對(duì)稱,而不必采用沿周長均勻配筋。根據(jù)本文的計(jì)算,按周邊不均勻配筋時(shí)圍護(hù)樁的配筋較傳統(tǒng)的方法節(jié)省了 3113%的鋼筋。

(2)對(duì)于圍護(hù)樁采取長短交錯(cuò)布置,只要長度差適宜,可以保證基坑的坑底穩(wěn)定性,經(jīng)濟(jì)效益也較為明顯。

(3)對(duì)于圍護(hù)樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)是多個(gè)方面的,由于條件的限制,本文僅從配筋和樁長兩個(gè)方面進(jìn)行了分析,如何全面地進(jìn)行優(yōu)化還需要更為深入的研究。

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Opt im ization Design of Reta in ing Pile for a Super High2rise Building

YANG Chun1,SONG Gui1,HUANG Zhi-qiang2(1.Jiangxi Geo-engineering〈Group〉Corporation,Nanchang Jiangxi 330029,China;2.China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China)

Combined with the engineering case of the retaining structure design of a super high-rise building in Suzhou,the reinforcement steelwasopt imized;comparisonwasmade on the strength,stiffness and economic of surrounding non-uniform reinforcement and uniform reinforcement;and studywasmade on the stress deformation characteristics of foundation pit un-der the condition of retaining pileswith different length.The results show that there is little change in mechanical behavior when non-uniform reinforcement steel and retaining pile with different length are adopted,but low project cost,short con-struction period and the best economic and social benefits can be achieved.

super high-rise building;retaining pile;opt imization design;reinforcement steel;pile length

TU473.2

A

1672-7428(2011)06-0036-04

2011-03- 18;

2011-04-19

楊春 (1966-),男(漢族),江西南昌人,江西省地質(zhì)工程 (集團(tuán))公司高級(jí)工程師,探礦工程專業(yè),從事巖土工程施工工作,上海市徐匯區(qū)龍漕路 1弄 1號(hào) (200235),yangchun1966@sohu.com。