玻璃纤维(GFRP)筋在深基坑支护中的应用与计算

2012-05-15朱兆斌

铁道勘察 2012年1期

朱兆斌

(杭州铁路设计院有限责任公司，浙江杭州 310007)

1 概述

为了配合杭州东站扩建工程,需在杭州站新增高架候车室。新建的高架候车室占地面积为3 528 m2,总建筑面积为5 077 m2,地面以上层数为2层、局部3层,建筑高度20.7 m。高架候车室下既有的旅客地道需接长,新增站台处增设出入口。高架候车室为避让既有旅客地道,需降低桩基承台高度,因此形成约5.05～10.08 m深基坑。

2 工程地质

杭州站位于杭州市上城区,地形平坦,区域内为站场线路。本次工程设计高架候车室位于杭州站内,东侧近贴沙河,自然地面高程一般为6.5～7.5 m。

本工程场地所属区域的抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组。场地地基土类型为中软场地土,建筑场地为Ⅱ类。综合判定该场地为抗震有利地段。

本工程地貌类型表层主要为人类活动形成的人工填土,其下为钱塘江河漫滩相沉积的粉性土层；中部为海陆相交互沉积的黏性土层；下伏基岩有灰岩、泥质粉砂岩及石英砂岩。

根据区域资料及本次勘察,本场地上部地下水为孔隙潜水,水位埋藏较浅,距地表为0.48～3.00 m,相当于黄海高程的5.12～7.13 m之间,该层潜水主要受大气降水和河流补给影响,地下水位随季节有所变化,变化幅度约在1～2 m之间。场地附近无污染源存在。根据原地质资料、水质简分析试验结果显示,水化学类型为CL—HCO3—Na+、K+、Ca2+型,pH值分别为7.28和8.17。按《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)有关指标规定,分析判定：本场地地下水(土)对混凝土结构无腐蚀性,对混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。

3 原基坑支护方案

本基坑的开挖最大深度为10.08 m(黄海高程为-1.90 m),基坑的西侧外边缘紧靠既有四号站台。新增高架候车室13、14轴基础的承台西侧外边缘距离既有铁路8道中心线仅为50 cm,与既有高架候车室13、14轴基础的承台东侧外边缘的距离仅为131 cm(如图1所示)。

原设计基坑支护结构采用φ1 000钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩长20 m,采用密排布置,桩身外侧设置φ60 cm高压旋喷桩止水帷幕,搭接长度不小于15 cm,坑内设置一道钢筋混凝土内支撑。

图1 基坑平面示意

本基坑支护结构嵌入坑底以下部分与在建的地铁1号线秋涛路—城站区间左右线共四处相交(图1中的●,即为影响地铁盾构施工的支护桩)。其中,在里程K10+848附近,地铁隧道左线中心高程为-9.662 m,右线中心高程-9.718 m；在里程K10+819.5附近,地铁隧道左线中心高程-10.391 m,右线左线中心高程-10.431 m。

为确保地铁盾构机顺利穿越既有杭州站,需将原基坑支护方案进行优化调整。根据现场实际的施工条件,经多方案比选,最后采用基坑影响地铁部分的支护桩钢筋采用玻璃纤维(GFRP)筋替换的优化方案。

4 基坑支护优化方案

4.1 玻璃纤维(GFRP)筋简介

玻璃纤维(GFRP)筋(Glass Fiber Reinforce Polymer Bars)是一种以合成树脂为黏结剂,合成纤维为主要增强材料制成的复合材料。GFRP筋的特点是抗拉强度大[σb>500 MPa],可与20MnSi螺纹钢锚杆抗拉强度相媲美；阻燃、抗静电、易切割而不会产生火花,可用机械直接切割；耐腐蚀性强,可抵抗氯离子和低pH值溶液的侵蚀,在淋水、酸性较大的工况下使用不锈蚀；不导电,不导热,耐冲击性能好；热应力下尺寸稳定,热膨胀系数(1×10-5/℃)与钢材相比更接近水泥；杆体轻,是同样长度传统钢筋重量的25%,运输方便,大大减轻了工人的劳动强度；可以根据客户的需要生产一定的弯勾形式,便于结构配筋使用。

GFRP筋应用于连续墙、支护桩配筋,尤其在盾构机进出口洞方面,国际国内已有多个成功案例。诸如：1998年泰国曼谷快运署地下通道工程(MRTA)；2000年新加坡捷运东北线(地铁)工程；2002年荷兰阿姆斯特地铁工程；2004年澳大利亚佩思市地铁工程；2004年武汉过江隧道工程；2006年成都地铁1号线工程等。

4.2 GFRP筋的设计与计算

根据FRWS软件计算的原支护桩结果,检算GFRP筋范围内桩身强度(如图2所示)。

图2 强度检算

本支护桩采用C20混凝土,直径1 000 mm的钻孔灌注桩,由图2,GFRP筋范围内桩的最大弯矩为434.9 kN·m,最大剪力为214.5 kN,截面轴力300 kN。

(1)正截面偏心受压承载力计算

轴向力N=300 kN,弯矩M=450 kN·m；截面直径d=1 000 mm；混凝土强度为C20,fc=9.55 N/mm4；GFRP抗拉强度设计值fy=350 N/mm4；GFRP弹性模量Es=60 000 N/mm4；相对界限受压区高度ζb=0.289；混凝土保护层厚度c=50 mm；全部纵筋最小配筋率ρmin=0.60%。

附加偏心距ea=max{20,h/30}=max{20,33}=33 mm

轴向压力对截面重心的偏心距eo=M/N=450 000 000/300 000=1 500 mm

初始偏心距ei=eo+ea=1 500+33=1 533 mm

偏心距增大系数η：

ζ1=0.5×fc×A/N=0.5×9.55×

785 398/300 000=12.51>1.0,

取ζ1=1.0

ζ2=1.15-0.01×Lo/h=1.15-

0.01×13 500/1 000=1.02>1.0,

取ζ2=1.0

η=1+(Lo/h)2×ζ1×ζ2/(1 400×ei/ho)=

1+(13 500/1 000)2×1×1/(1 400×

1 533/937.5)=1.08

全部纵向钢筋的截面面积As由下列公式求得

N≤α×α1×fc×A×[1-sin(2×πα)/

(2×πα)]+(α-αt)×fy×As

(1)

N×η×ei≤2α1×fc×A×r×[sin(πα)]3/3π+

fy×As×rs×[sin(πα)+sin(παt)]/2π

(2)

将公式(2)中的As代入公式(1)

解方程得：α=0.258

αt=1.25-2×α=1.5-2×0.258=0.733；

As=[N-α×α1×fc×A×

(1-sin2πα/2πα)]/(α-αt)/fy

代入已知数值

As=2 688 mm2,min=4 712 mm2,取As=4 712 mm2。

16根直径25的GFRP筋满足要求。

(2)斜截面受剪承载力计算

混凝土强度C20,ft=1.10 N/mm2,

纵筋的混凝土保护层厚度c=50 mm；

0.7×ft×A=0.7×1.10×500×

500×π=605 kN>V=214.5 kN

因此,配置构造箍筋便可以满足要求(如图3所示)。

图3 钻孔桩钢筋布置(单位：mm)

综上所述,采用C20混凝土替换C30混凝土,部分桩身主筋用GFRP筋代替钢筋,强度仍满足要求。

4.3 GFRP筋的构造要求

受力GFRP筋与钢筋、GFRP筋与GFRP筋之间的连接应采用钢制U形卡连接。根据深圳、广州地区的使用经验,筋材之间的搭接每端采用两个钢制U形卡；其余部位的GFRP筋与钢筋、GFRP筋与GFRP筋之间的连接可以采用铁丝绑丝或者尼龙绳进行绑扎,搭接长度采用40 d。钢筋笼内加强箍筋采用φ25,间距2 m布置。

4.4 GFRP筋的吊装

玻璃纤维筋的弹性模量仅为钢筋弹性模量的21%左右,筋笼制成后刚度较普通钢筋笼会有较大的差异,如果不在筋笼制作过程中采用一些增强筋笼刚度的措施,会造成筋笼吊装过程中变形过大,存在一定的安全隐患。因此,GFRP筋笼制作过程中应注意采取增加GFRP筋笼刚度的措施,如GFRP筋笼两侧采用工字钢包边、筋笼内部采用一些玻璃纤维筋桁架或后期可以去除的钢筋桁架等,以防止在吊装以及运输过程中出现较大的变形。另外,玻璃纤维筋属于“脆性材料”,而且具有正交各向异性的特点,剪切强度不如钢筋。因此,要求起吊点必须放置在钢筋上。