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        抗拔樁設(shè)計(jì)成本控制因素探討

        2022-05-06 07:39:26朱正宜
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年3期
        關(guān)鍵詞:抗浮抗拔縱梁

        朱正宜

        (廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510030)

        1 抗拔樁常規(guī)設(shè)計(jì)方法

        地鐵結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)時(shí),一般情況先計(jì)算該設(shè)計(jì)部位浮力以及結(jié)構(gòu)自重、覆土自身的抗浮力,若自身質(zhì)量不足以抵抗浮力,再考慮利用兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重力及摩阻力。當(dāng)結(jié)構(gòu)寬度大、底板埋深大、覆土淺,前述抗浮力仍不足時(shí),則需要考慮設(shè)置抗拔樁等其他抗浮措施。

        《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 476—2019)關(guān)于抗浮計(jì)算要求如公式(1)所示。

        式中:為建筑結(jié)構(gòu)自重、附加物自重、抗浮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值總和(kN),該文為便于區(qū)分,后續(xù)按=(建筑結(jié)構(gòu)自重)+(覆土自重)+(圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重)+(圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗浮力)+(抗拔樁抗拔力);N為浮力設(shè)計(jì)值(kN);K為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù),見表1。

        表1 建筑工程抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kw

        該工程抗浮等級為甲級,抗浮安全系數(shù)施工期按1.05考慮,使用期按1.1考慮。

        由于常規(guī)抗浮樁設(shè)置于框架柱或底縱梁下,抗浮樁間距一般超過3倍樁徑。為簡化研究,本次不考慮群樁效應(yīng)。

        地鐵抗浮計(jì)算通常采用斷面計(jì)算,即選取典型橫斷面計(jì)算單位長度內(nèi)浮力值、抗浮力值。當(dāng)抗浮安全系數(shù)不滿足要求時(shí),則增設(shè)抗浮樁。

        式中:T為群樁的總抗拔承載力(kN);為計(jì)算范圍抗拔樁數(shù)量(根);Q為單根抗拔樁極限承載力特征值(kN);G為單樁容重(kN);Q為單根抗拔樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);為樁身直徑(m);λ為抗拔系數(shù);q為樁側(cè)表面第層土黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);l為第層土內(nèi)的樁長(m)。

        樁身裂縫宜采用抗拔樁極限承載力特征值控制,裂縫寬度應(yīng)符合下列規(guī)定,如公式(2)所示。

        式中:為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的最大裂縫寬度,mm;為最大裂縫寬度限值,該工程按0.2mm考慮。樁身的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值見表2。

        表2 樁身的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值

        2 某車站抗拔樁設(shè)計(jì)

        南昌某地下三層車站,車站結(jié)構(gòu)總寬度25.9m,總高度20.2m,頂板覆土約2.93m。基坑深度23.33m,采用1m厚地下連續(xù)墻,疊合墻形式。結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示。

        圖1 結(jié)構(gòu)橫斷面布置圖(單位:m)

        場地范圍自上而下依次為①1雜填土、③1粉質(zhì)黏土、③5礫砂、③6圓礫、③6j礫砂、⑤1-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑤1-2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑤1-3微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖??垢∮?jì)算取地下水位至地面處,地墻摩阻力僅考慮坑底以下擾動較小部分??拱螛锻翆釉O(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

        表3 抗拔樁設(shè)計(jì)巖土參數(shù)

        取縱向柱跨7m作為單元進(jìn)行抗浮驗(yàn)算,抗浮水位取至地面。其驗(yàn)算過程:1)浮力設(shè)計(jì)值N=25.9×20.2×10×7=36622.6kN。2)結(jié)構(gòu)自重1=93.99×25×7+13.8×0.8×1.2×25×2=17110.65kN(注:橫斷面面積93.99m,柱截面0.8m×1.2m,柱總高13.8m)。3)覆土浮容重2=25.9×2.93×(18-10)×7=4249.67kN。4)圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重3=27×1×(25-10)×2×7=5670kN。

        由于++<N,因此須考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)摩阻力參與抗浮。圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗浮力,僅考慮坑底以下擾動較小部分地墻摩阻力。因此,=1834.924×7×2=12844.468kN。由于K=/N=1.089,小于抗浮安全系數(shù)1.1,考慮設(shè)置抗拔樁??拱螛冻休d能力須滿足N×K-(+++)=6080.07kN。

        由于設(shè)置抗拔樁后對結(jié)構(gòu)受力改變較大,須建立模型計(jì)算樁頂荷載。采用SAP2000平面模型,按抗浮工況計(jì)算樁頂荷載結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,若縱向跨度7m內(nèi)只設(shè)置2根抗拔樁,則每根抗拔樁樁頂承受上拔力為498.26×7=3487.82kN。可見11m樁長不能滿足要求。經(jīng)試算,樁長取11.5m,單樁抗拔極限承載力設(shè)計(jì)值為3519kN,安全系數(shù)1.28,滿足抗浮要求。若縱向跨度7m內(nèi)設(shè)置4根抗拔樁,則每根抗拔樁樁頂承受上拔力為498.26×7/2=1743.835kN。經(jīng)試算,樁長取6m,單樁抗拔極限承載力設(shè)計(jì)值為1761kN,安全系數(shù)1.28,滿足抗浮要求。

        下文對抗拔樁設(shè)計(jì)參數(shù)對鋼筋抗拉強(qiáng)度發(fā)揮及抗拔樁成本的影響進(jìn)行探討,以此明確方案的經(jīng)濟(jì)性。

        3 抗拔樁設(shè)計(jì)參數(shù)對成本的影響

        抗拔樁基本情況如下:1)總抗力3500kN左右,樁長、樁徑和樁數(shù)變化。2)受力鋼筋HRB400,保護(hù)層厚度70mm。3)材料單價(jià)HRB400級螺紋鋼5240元/t,C35混凝土535元/m。由于上部空樁長度17.57m,因此一并考慮空樁對成本的影響。

        3.1 樁徑對抗拔樁成本的影響

        將樁長保持在11.5m,總承載力和裂縫盡可能接近控制值。將不同樁徑及不同鋼筋直徑情況進(jìn)行對比,見表4。

        表4 樁長不變,樁徑、樁數(shù)變化對比表

        從表4可以看出:①總抗拔力固定,樁長和鋼筋直徑相同,隨樁徑的增加,鋼筋強(qiáng)度發(fā)揮度雖有提高,但是并不明顯,鋼筋的用量差別不大,混凝土的用量變化較大,抗拔樁的成本由混凝土量決定;②樁長和鋼筋直徑相同,樁徑越大,抗拔樁比表面積越小,單方抗拔力越小,混凝土的用量越多,抗拔樁總成本越大。樁徑越大,空樁在成本中占比越大。因此可以看出,抗拔樁盡量考慮樁徑較小的方式。樁長相同的情況下,樁徑越大單樁承載力越大,在總承載力需求一定的情況下,單樁調(diào)節(jié)幅度大,容易產(chǎn)生較大偏差。

        3.2 樁長對抗拔樁成本的影響

        樁徑保持不變,總承載力和裂縫盡可能接近控制值。將不同樁長及不同主筋直徑情況進(jìn)行對比,見表5。

        從表5可以看出:總抗拔力固定,樁徑相同的情況下,隨著樁長增加,鋼筋強(qiáng)度雖然提高了,但是并不明顯,鋼筋的用量差別較大,混凝土的用量變化不大,抗拔樁的成本由鋼筋用量決定。

        表5 樁徑不變,樁長、樁數(shù)變化對比表

        3.3 鋼筋直徑對抗拔樁成本的影響

        樁徑、樁長不變,總承載力和裂縫盡可能接近控制值。僅調(diào)整主筋直徑,對比不同鋼筋直徑情況。通常都會選取3種樁徑下總造價(jià)最低的樁長、樁數(shù)方案,并對比不同主筋直徑對造價(jià)的影響,見表6。從表6可以看出,同一樁長樁徑情況下,鋼筋直徑小,有利于提高鋼筋強(qiáng)度,總鋼筋的用量差別不大。但實(shí)際配置時(shí)要注意鋼筋間距須滿足最小間距要求。通過縱向?qū)Ρ?,可以看出樁徑較小的0.6m方案總成本相對較低,設(shè)計(jì)中宜優(yōu)先考慮較小直徑抗拔樁方案。受力鋼筋直徑亦采用細(xì)密布置原則。由于抗拔樁設(shè)置于底縱梁下,將改變底縱梁受力模式,因此樁數(shù)選擇要結(jié)合結(jié)構(gòu)形式及抗浮工況下底板受力情況綜合確定。

        表6 樁徑不變,樁長、樁數(shù)變化對比表

        4 方案選定

        根據(jù)車站結(jié)構(gòu)形式,車站為雙柱三跨車站,中間設(shè)置兩道縱梁。抗拔樁理想位置是柱底,其次為縱梁下方。同時(shí)考慮抗拔樁間距須大于3倍樁徑,因此該車站抗拔樁的平面主要有以下2個(gè)方案。

        4.1 每跨兩樁方案

        抗拔樁布置在框架柱與底縱梁交叉點(diǎn)位置,縱向間距7m,一個(gè)計(jì)算斷面內(nèi)布置2根抗拔樁,樁徑可采用0.6m、0.8m、1m、1.2m,滿足樁間距大于3倍樁徑。

        4.1 每跨四樁方案

        抗拔樁布置在框架柱與底縱梁交叉點(diǎn)位置及底縱梁中部,縱向間距3.5m,一個(gè)計(jì)算斷面內(nèi)布置4根抗拔樁,樁徑可采用0.6m、0.8m,滿足樁間距大于3倍樁徑。根據(jù)前述方案布置,對以下方案進(jìn)行對比,可以看出樁徑0.6m,每跨布置4根抗拔樁時(shí)總成本最低,見表7。因此本站宜選擇φ600樁徑,9.8m樁長,每跨布置4根的方案。

        表7 結(jié)合平面布置方案對比表

        5 結(jié)語

        對具體案例的研究,影響抗拔樁設(shè)計(jì)方案及造價(jià)的因素很多,具體設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下4個(gè)方面:1)樁徑越小,比表面積越大,單方抗拔力越大,混凝土用量越少,總成本相對較低,抗拔樁布置時(shí)盡量選擇細(xì)密的布置方式。2)樁長越長,鋼筋抗拉強(qiáng)度越低,單方鋼筋用量越大,總費(fèi)用越高;樁徑相同的情況下,隨樁長的增加,鋼筋強(qiáng)度發(fā)揮度雖有提高,但是并不明顯,鋼筋的用量差別較大,混凝土的用量變化不大,抗拔樁的成本由鋼筋用量決定。但空樁對成本造成一定的影響,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。3)同一樁長樁徑情況下,鋼筋直徑小有利于提高鋼筋強(qiáng)度,總鋼筋的用量差別不大。但實(shí)際配置時(shí)要注意鋼筋間距須滿足最小間距要求。4)抗拔樁對結(jié)構(gòu)受力有一定影響,設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合車站結(jié)構(gòu)形式,合理選擇樁的位置與數(shù)量。

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