臧夢(mèng)夢(mèng),彭 泉,王翠英
(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢430068;2.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司,湖北 武漢 430022)
預(yù)應(yīng)力管樁具有樁身耐錘擊、抗裂性好、穿透力強(qiáng)且施工速度快等優(yōu)點(diǎn),其施工質(zhì)量可控性、對(duì)周邊環(huán)境的負(fù)面影響遠(yuǎn)好于鉆孔灌注樁,同時(shí)成本較低[1]。預(yù)應(yīng)力管樁與水泥土兩種材料組合在一起,形成水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系,既能發(fā)揮水泥土較好的抗?jié)B止水性能,又能發(fā)揮管樁剛度大、抗拉及抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn),近年來(lái)在軟土地區(qū)基坑支護(hù)中應(yīng)用廣泛[2]。水泥土擋墻內(nèi)置管樁,水泥土與管樁之間有一定的黏結(jié)強(qiáng)度,連結(jié)成一個(gè)整體,使得墻體剛度提高,共同承擔(dān)作用在墻背處的水土壓力,增強(qiáng)了墻體的抗彎能力,有效地減小墻體變位,改善了單一水泥土擋墻剛度偏弱的受力方式[3]。
許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)水泥土擋墻內(nèi)置管樁這種支撐形式做了大量的研究和試驗(yàn)工作,并取得了良好的效果。彭人瑋[4]對(duì)因基坑土方塌方、PHC工程管樁水平斷裂問(wèn)題進(jìn)行了探討;蘇振明[5]對(duì)PHC管樁承受水平荷載進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明PHC管樁承受水平荷載能力可參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)執(zhí)行;趙修明等[6]結(jié)合天津軟土地區(qū)某工程深厚填土區(qū)域深基坑支護(hù)工程實(shí)例,采用放坡結(jié)合扶壁管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)替代常規(guī)鉆孔灌注樁+支撐的支護(hù)方式,取消了水平支撐體系,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明采用扶壁樁有利于減少基坑位移、增強(qiáng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性;況龍川等[7-8]、呂晶[9]對(duì)軟土的一般工程特性、軟土基坑水泥土擋墻的可靠度指標(biāo)、基坑穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。
目前,由于工期緊,工程建設(shè)項(xiàng)目多,水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系的理論研究相對(duì)滯后,許多工程設(shè)計(jì)和施工通常僅依靠經(jīng)驗(yàn),缺乏完善的理論支撐,如水泥土擋墻內(nèi)置管樁的平面布置形式及單元等效剛度計(jì)算,水泥土擋墻及管樁的入土深度確定,管樁前置或后置及不同管樁間距對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的影響,針對(duì)這些問(wèn)題的研究較少。鑒于此,本文研究了水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系理論計(jì)算方法。首先根據(jù)管樁內(nèi)置于水泥土擋墻中的不同形式,給出了其平面布置形式,并計(jì)算了水泥土擋墻內(nèi)置管樁不同平面布置形式的單元等效剛度;然后確定了水泥土擋墻內(nèi)置管樁的入土深度和管樁間距,并進(jìn)行了水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系承載力及穩(wěn)定性驗(yàn)算;最后以仙桃市沔陽(yáng)大道某基坑項(xiàng)目為依托,通過(guò)建立數(shù)值模型,分析了管樁前置、后置及不同管樁間距對(duì)水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系位移、內(nèi)力的影響。該研究成果具有一定的理論和實(shí)用價(jià)值。
1.1.1 支護(hù)體系的平面布置形式
水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系,即在高壓旋噴樁、深層攪拌樁、粉噴樁、高壓注漿中通過(guò)靜壓或振動(dòng)等方法插入管樁[10]。該支護(hù)體系中管樁的平面布置可采用多種形式(見(jiàn)圖1),管樁與水泥土攪拌樁的配置關(guān)系見(jiàn)圖2。
圖1 管樁的平面布置形式(單位:mm)[11]Fig.1 Plane layout of the pipe piles(unit:mm)[11]
圖2 管樁與水泥土攪拌樁的配置關(guān)系Fig.2 Configuration relationship between pipe piles and cement-soil mixing piles
1.1.2 支護(hù)體系不同平面布置形式的單元等效剛度的計(jì)算
水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系主要承受水平土壓力作用,該支護(hù)體系橫截面抗彎剛度EI對(duì)支護(hù)體系水平抗力的影響很大。水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系不同平面布置形式的單元等效剛度,見(jiàn)表1。
表1 水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系不同平面布置形式的單元等效剛度
選用不同平面布置形式水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)對(duì)樁身承載力、裂縫、變形等進(jìn)行驗(yàn)算,并確保接頭與樁身等強(qiáng)度連接[12]。
確定水泥土擋墻內(nèi)置管樁的入土深度就是要確定兩個(gè)參數(shù):管樁的入土深度ld和水泥土攪拌樁的入土深度Dcs。管樁的入土深度ld應(yīng)根據(jù)墻體的內(nèi)力和變形條件、基坑的抗隆起穩(wěn)定性分析來(lái)確定;水泥土攪拌樁入土深度Dcs的確定主要是考慮土體水力條件。
1.2.1 管樁入土深度ld的確定
在分析水泥土擋墻結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力和穩(wěn)定性時(shí),擋墻的入土深度僅計(jì)算到管樁底端。為了便于計(jì)算,將水泥土擋墻內(nèi)土體折算為單一土層,采用各層土性指標(biāo)的加權(quán)平均值進(jìn)行計(jì)算。其土壓力分布和計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。在圖3(b)中,對(duì)C點(diǎn)取矩,則有:
(1)
其中,Ep可通過(guò)下式計(jì)算:
(2)
則公式(1)可寫(xiě)為
(3)
根據(jù)圖3(b)中的幾何關(guān)系,有:
圖3 土壓力分布和計(jì)算簡(jiǎn)圖[13]Fig.3 Distribution diagram and calculation diagram of earth pressure[13]注:Rc為嵌固作用力(kN)。
(4)
式中:l為管樁間距(m);x為O點(diǎn)以下最小插入深度(m);∑E為主動(dòng)土壓力、水壓力及地面超載的合力(kN);a為合力距基坑底面的距離(m);d為管樁直徑(m);γ為擋墻范圍內(nèi)各層土體重度的加權(quán)平均值(kN/m3);Ka、Kp分別為主、被動(dòng)土壓力系數(shù);Ea為主動(dòng)土壓力(kN);Ep為被動(dòng)土壓力(kN);
q為水土側(cè)壓力設(shè)計(jì)值(kN/m2)。
由公式(3)、(4)計(jì)算出x、d以后,可得到管樁入土深度為:ld=1.2x+d。
對(duì)于加一道支撐的第一類擋墻,采用自由端法確定管樁的入土深度,其計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。其中,ep、ea和eq分別為某深度處的被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值、主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值和作用合力標(biāo)準(zhǔn)值。該方法保守地假設(shè)擋墻在土體內(nèi)未形成嵌固作用,上端承擔(dān)支承作用,下端為自由端。
圖4 自由端法確定管樁入土深度計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.4 Calculation diagram of burid depth of pipe piles by free earth support method
如圖4所示,根據(jù)平衡條件,對(duì)A點(diǎn)取矩,有:
(5)
式中:h為基坑開(kāi)挖深度(m);h0為合力作用點(diǎn)到基坑表面的距離(m);Eq為作用合力(kN)。
于是管樁的入土深度為ld=1.2x。
1.2.2 水泥土攪拌樁入土深度Dcs的確定
水泥土攪拌樁的入土深度主要由水力條件決定,其中最重要的是抗?jié)B流穩(wěn)定性,其計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。當(dāng)?shù)叵滤蛏系臐B流力大于土體的有效重度時(shí),土體顆粒將處于漂浮狀態(tài),導(dǎo)致滲流失穩(wěn)。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生,須滿足以下要求[14-15]:
圖5 水泥土攪拌樁入土深度計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.5 Calculation diagram of buried depth of the cement-soil mixing pile
(6)
(7)
式中:Ks為抗?jié)B流安全系數(shù),取1.5~2.0;γ′為坑底土體的有效重度(kN/m3);j為地下水向上的滲流力(kN/m3);i為滲流水力坡度;γw為水的重度(kN/m3);hw為土體到地下水水位的高度(m);Dcs為水泥土攪拌樁的最小插入深度(m),其計(jì)算公式為
(8)
在實(shí)際工程中,水泥土擋墻中的管樁往往按一定間距插入水泥土中,使相鄰管樁之間形成非加管區(qū)。該組合結(jié)構(gòu)的加管區(qū)和非加管區(qū)承受相同的水土壓力。但在加管區(qū),由于水泥土與管樁的共同作用,組合結(jié)構(gòu)的變形小、剛度大,可作為非加管區(qū)的支點(diǎn)。管樁間距越大,加管區(qū)與非加管區(qū)界面上的剪力越大。當(dāng)管樁間距增大到一定程度,受水平水土壓力作用,在加管區(qū)與非加管區(qū)交界面上產(chǎn)生剪切破壞,因此應(yīng)根據(jù)該交界面上的抗剪能力確定合適的管樁間距[16],其計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6。
圖6 管樁間距計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.6 Calculation diagram of pipe pile spacing
如圖6所示,加管區(qū)與非加管區(qū)交界面上的剪應(yīng)力τ應(yīng)滿足下式:
(9)
式中:τcu為水泥土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(kPa);q為水土側(cè)壓力設(shè)計(jì)值(kN/m2);Be為水泥土的有效厚度(m);l1為相鄰交界面之間的距離(m),l1=l-b,其中l(wèi)為管樁間距(m),b為管樁寬度(m)。
經(jīng)整理,得到管樁的最大間距計(jì)算公式為
(10)
1.4.1 豎向受彎承載力的驗(yàn)算
當(dāng)水泥土擋墻接近破壞時(shí),有繞墻內(nèi)側(cè)坑底傾覆的趨勢(shì),形成未開(kāi)裂水泥土受壓、管樁受拉,兩種材料的接觸面?zhèn)鬟f拉力的結(jié)構(gòu),如圖7所示。當(dāng)接觸面上的剪切力超過(guò)其摩阻力時(shí),擋墻開(kāi)始破壞,水泥土擋墻與管樁發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。根據(jù)平衡條件,建立管樁與水泥土擋墻的承載力計(jì)算公式[16]如下:
l·x·qu=f=τf·πd·l0
(11)
式中:x為受壓區(qū)寬度(m);l0為摩擦區(qū)的計(jì)算長(zhǎng)度(m),取墻身最不利截面(通常位于基坑底面以下1 m處)距墻頂、墻底距離l1、l2的較小值;τf為平均摩擦應(yīng)力設(shè)計(jì)值(kN);d為管樁直徑(m);l為管樁間距;qu為水泥土擋墻抗壓剛度設(shè)計(jì)值(kPa)。
為了保證水泥土擋墻處于正常使用階段,產(chǎn)生的最大彎矩M需要滿足下式:
(12)
式中:B為主動(dòng)土壓力水平分力對(duì)O點(diǎn)的力臂(m);a為力矩對(duì)O點(diǎn)的力臂(m)。
圖7 水泥土擋墻受彎承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.7 Calculation of flexural bearing capacity of the retaining wall
1.4.2 整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性的驗(yàn)算
加筋水泥土擋墻和地基的整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算往往是采用通過(guò)墻底土層的圓弧滑動(dòng)面來(lái)計(jì)算的。這種擋墻的特點(diǎn)是滑動(dòng)面的圓心一般位于墻面上方,靠近基坑內(nèi)側(cè)。通過(guò)試算確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和最小安全系數(shù),當(dāng)不考慮錨拉力或支撐的作用且考慮滲流力時(shí),其整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性的允許最小安全系數(shù)應(yīng)不小于1.25[17]。對(duì)于懸臂式擋墻內(nèi)置管樁,可以按下式進(jìn)行整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算,其計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖8。其整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性安全系數(shù)的計(jì)算公式如下:
(13)
式中:K為整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性安全系數(shù);ci為第i分條土的黏聚力(kPa);cd為管樁黏聚力(kPa);bi為第i分條土的寬度(m);b0為管樁計(jì)算單位寬度(m);hi為第i分條土的平均高度(m);φi為第i分條土的內(nèi)摩擦角(°);αi為第i分條土弧線中點(diǎn)切線與水平線的夾角(°)。
圖8 懸臂式擋墻內(nèi)置管樁整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算 簡(jiǎn)圖[18]Fig.8 Calculation diagram of the overall stability of built- in pipe pile of the cantilever retaining wall[18]
本文以仙桃市沔陽(yáng)大道某基坑項(xiàng)目為建模依據(jù),該基坑開(kāi)挖深度為6.45 m,采用水泥土擋墻結(jié)合單排PRC管樁的支護(hù)形式,樁頂按1∶1.0放坡,放坡高度為2.5 m。水泥土擋墻尺寸為:主動(dòng)區(qū)寬3.85 m、高8.95 m,被動(dòng)區(qū)寬10.0 m、高5.0 m。采用MIDAS GTS NX軟件,選取4倍基坑開(kāi)挖深度作為整個(gè)模型的寬度,建立數(shù)值模型。管樁采用PRC-Ⅰ-500AB100,樁長(zhǎng)為14.0 m,分別研究水泥土擋墻結(jié)合單排管樁,當(dāng)管樁位于基坑內(nèi)側(cè)或外側(cè)(簡(jiǎn)稱前置樁或后置樁),樁間距分別為0.8 m、1.6 m和2.4 m三種情況下,管樁前置或后置時(shí),水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身位移及內(nèi)力的變化。
樁間距為0.8 m條件下水泥土擋墻結(jié)合單排前置樁時(shí)樁身位移及內(nèi)力變化,見(jiàn)圖9至圖12。
圖9 水泥土擋墻內(nèi)置單排前置樁時(shí)樁身位移云圖Fig.9 Displacement fringe of single-row front pile in the cement-soil retaining wall
圖10 水泥土擋墻內(nèi)置單排前置樁時(shí)坑內(nèi)方向位移云圖Fig.10 In-pit directional displacement fringe of the single-row front pile in the cement-soil retaining wall
圖11 水泥土擋墻內(nèi)置單排前置樁的樁身彎矩云圖Fig.11 Bending moment fringe of single-row front pile in the cement-soil retaining wall
圖12 水泥土擋墻內(nèi)置單排前置樁時(shí)樁身剪力云圖Fig.12 Shear force fringe of single-row front piles in the cement-soil retaining wall
由于篇幅所限,樁間距分別為1.6 m、2.4 m時(shí)水泥土擋墻結(jié)合單排前置樁以及3種不同間距時(shí)水泥土擋墻結(jié)合單排后置樁的樁身位移云圖、坑內(nèi)方向位移云圖、樁身彎矩云圖、樁身剪力云圖省略。
對(duì)水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身位移及內(nèi)力的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到水泥土擋墻分別結(jié)合單排前、后置樁時(shí)的樁身最大位移、樁頂位移、樁身最大彎矩、樁身最大剪力隨樁間距的變化情況,見(jiàn)圖13至圖16。
圖13 水泥土擋墻內(nèi)置單排前、后置樁時(shí)樁身最大 位移隨樁間距的變化 Fig.13 Variation diagram of the maximum displace- ment of the pile body with pile spacing in the cement-soil retaining wall
圖14 水泥土擋墻內(nèi)置單排前、后置樁時(shí)樁頂位移 隨樁間距的變化Fig.14 Variation diagram of pile-top displacement of the pile body with pile spacing in the cement-soil retaining wall
圖15 水泥土擋墻內(nèi)置單排前、后置樁樁身最大彎矩 隨樁間距的變化Fig.15 Variation diagram of the maximum bending moment of the pile body with pile spacing in the cement-soil retaining wall
圖16 水泥土擋墻內(nèi)置單排前、后置樁樁身最大剪力 隨樁間距的變化Fig.16 Variation diagram of maximum shear force of pile body with pile spacing in the cement- soil retaining wall
由圖13至圖16可知,水泥土擋墻內(nèi)置單排前、后置樁時(shí)樁身最大位移隨樁間距的增加而增大,但增幅較小,而樁身最大彎矩和最大剪力隨樁間距的增加均增大。
水泥土擋墻內(nèi)置前、后置樁時(shí)不同樁間距下樁身最大位移及內(nèi)力的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 水泥土擋墻內(nèi)置前、后置樁時(shí)不同樁間距下樁身最大位移及內(nèi)力的對(duì)比
由表2可知:水泥土擋墻結(jié)合單排管樁的支護(hù)形式中,管樁位置離坑內(nèi)越近,樁身內(nèi)力增幅越小,且樁頂位移越小。因此,在水泥土擋墻內(nèi)置單排管樁時(shí),管樁位置應(yīng)設(shè)置在基坑內(nèi)側(cè)較近處。
本文將上述水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系理論計(jì)算方法應(yīng)用于某基坑支護(hù)方案計(jì)算中,來(lái)驗(yàn)證該數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。
圖17為仙桃市北側(cè)沔陽(yáng)大道某基坑支護(hù)典型剖面圖。
圖17 仙桃市北側(cè)沔陽(yáng)大道某基坑支護(hù)典型剖面圖Fig.17 Typical sectional view of a foundation pit support on Mianyang Avenue on the north side in Xiantao City
該地區(qū)地貌單元屬河流沖積平原,漢江一級(jí)階地,地勢(shì)較為平坦,場(chǎng)地層情況見(jiàn)圖17,場(chǎng)地內(nèi)地下水的類型主要為上層滯水、孔隙承壓水,由勘察結(jié)果得知,基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)基底無(wú)突涌,故不考慮承壓水對(duì)基坑的影響,只考慮上層滯水的影響。
3.2.1 管樁平面布置形式
管樁平面布置形式如圖17所示,管樁為前置樁。
3.2.2 水泥土擋墻內(nèi)置管樁的入土深度計(jì)算
分層計(jì)算水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的主、被動(dòng)土壓力,如圖18所示。
圖18 主、被動(dòng)土壓力分布圖(單位:kN)Fig.18 Active and passive earth pressure distribution (unit:kN)
(1) 管樁入土深度ld的確定。通過(guò)計(jì)算得到管樁的入土深度為
ld=1.2x+d=12.8 m
(2) 水泥土攪拌樁入土深度Dcs的確定?;娱_(kāi)挖深度范圍內(nèi)基底無(wú)突涌,不考慮承壓水的影響,水泥土擋墻阻止上層滯水。上層滯水水位在地面以下3.5 m,基坑底滯水低于坑底面0.5 m,其安全系數(shù)Ks取1.5,坑底土體的有效重度γ′為9 kN/m3,則水泥土攪拌樁的最小插入深度Dcs為
Dcs=1.5×4.95×1.11-4.95+2×0.5=4.29 m
實(shí)際基坑支護(hù)方案中Dcs取值為4.5 m。
3.2.3 管樁間距的確定
水土側(cè)壓力設(shè)計(jì)值q為3 000 kPa,水泥土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值τcu為200 kPa,水泥土的有效厚度Be為2.252 m,管樁寬度b為0.6 m,則管樁的最大間距為
=0.900 2 m
該計(jì)算結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果相近,實(shí)際基坑支護(hù)方案中l(wèi)max取值為0.9 m,表明管樁承載力及穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足需要。
管樁水平位移隨管樁入土深度的變化曲線,見(jiàn)圖19。
圖19 管樁水平位移隨管樁入土深度的變化曲線Fig.19 Variation curves of horizontal displacement of pipe piles with buried depth of pipe piles
由圖19可見(jiàn):管樁最大水平位移的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為16.9 mm,實(shí)測(cè)值為16.1 mm,兩者吻合度較好,從而驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。
(1) 給出了水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系常見(jiàn)的平面布置形式,并通過(guò)力學(xué)計(jì)算得出每種平面布置形式的單元等效剛度。
(2) 在分析水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及基坑抗隆起穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,確定了管樁的入土深度,并考慮土體水力條件確定了水泥土擋墻的入土深度。
(3) 依據(jù)加管區(qū)與非加管區(qū)交界面上所承受的剪力滿足水泥土的抗剪強(qiáng)度,確定了管樁間距。
(4) 水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系,其破壞始于水泥土擋墻與管樁接觸面間的剪切力超過(guò)其摩阻力,即管樁與水泥土相對(duì)錯(cuò)動(dòng),據(jù)此平衡條件,驗(yàn)算其豎向受彎承載力。
(5) 通過(guò)水泥土擋墻內(nèi)置管樁支護(hù)體系數(shù)值模擬得出:?jiǎn)闻藕笾脴遁^前置樁內(nèi)力變化偏大,極差為13.3,但兩者變化幅度均較?。还軜肚爸幂^管樁后置支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移、最大剪力偏小,最大彎矩偏大;管樁間距增加,樁身位移及內(nèi)力均增大,但變化幅度均較小。