盖挖逆作法竖向支撑系统设计关键技术

2013-02-15吕宝伟

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2013年2期

关键词：工程桩抗拔标准值

吕宝伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院，天津 300251)

1 工程概况

1．1 设计概述

天津机场交通中心工程主体为地下单层及双层多跨框架结构，双层结构标准底板埋深为22．36 m;单层多跨框架结构底板埋深为12．65 m。结构平剖面图见图1、图2。

图1 结构平面图(单位:mm)

为确保施工安全、环境安全，不影响周边既有设施的正常运营，并将施工对环境影响程度降低到最小，影响时间降低到最短，主体结构采用盖挖逆作法施工，围护结构采用刚度大止水效果好的地下连续墙，中间桩柱采用钢管混凝土柱下设置钻孔灌注桩基础，桩柱一次施工完成，地下二层设置一道临时钢筋混凝土支撑。

1．2 工程及水文地质条件

本工程地基土在110 m 深度范围内均为第四纪松散沉积物，主要由饱和粘性土、粉土、砂土组成，一般具有成层分布的特点。潜水含水层主要为全新统中组海相层⑥层及其以上土层，静止水位埋深一般0．50 ～4．90 m。工程及水文地质具有以下特点:

(1)浅部填土局部厚度较大，最厚处约5．3 m。

(2)⑥2淤泥质粉质粘土层分布不连续，厚度不均匀，最厚处达5．2 m。

(3)土质不均匀，特别是⑥4层，局部砂性大。

(4)自上而下分布多层承压含水层，⑧2为第一层承压水;⑨2为第二层承压水;(11)2、(11)4、(12)2、(13)1夹和(13)2为第三层承压水;(14)2为第四层承压水。

地质勘察资料揭示，本工程场地主要为饱和的粘土、粉土和粉砂，适宜采用钻孔桩。各土层钻孔灌注桩桩基设计参数如下:

图2 结构剖面图(单位:mm)

桩侧土的极限侧摩阻力标准值qsik:粘土38 ～74 kPa，粉(细)砂55 ～70 kPa。

桩端土的极限端阻力标准值qpk:粘土550 ～780 kPa，粉(细)砂900 ～1 150 kPa。

2 竖向支撑系统设计需要解决的关键问题

本工程的竖向支撑系统包括地下连续墙和中间桩柱，均兼有临时结构和永久结构的双重功能。地下连续墙既是施工期间基坑的围护结构和竖向支撑结构，又是使用期间的抗浮结构;中间桩柱施工期间承受着由层逆作结构板传递的竖向载荷，而且在使用阶段作为工程永久抗浮结构和框架结构永久立柱。永临结合的竖向支撑系统不仅简化了施工程序，也降低工程造价，但由于在整个盖挖逆作法施工过程中，结构型式和受力状态都在不断变化，其受力远比顺作法施工的结构复杂，在软弱富水地层中的盖挖逆作法工程施工过程中，竖向支撑结构可能产生的沉降量尤其是差异沉降，会对上部结构受力造成不利影响。因此在设计施工过程中，确保竖向承载力满足结构受力需要、将隆起沉降量尤其是差异隆起沉降量控制在结构变形允许的范围之内，是竖向支撑系统设计需要解决的关键问题。

3 主要设计技术

3．1 竖向支撑系统承载力计算分析

选用大型数值模拟软件MADIS GEN 按实际施工步骤进行整体三维数值模拟分析，采用荷载-结构模型，考虑连续墙与主体结构共同受力，结构为弹性地基上的平面框架;计算模型模拟施工步序，按先施作顶板再分层盖挖逆作各层结构板进行分步计算，采取增量法计算内力累加的原则进行计算，并提取全过程中地下连续墙和中间桩柱最大的抗压和抗拔荷载，模型中工程桩采用竖向弹簧模拟弹簧刚度根据本地区同类工程类比取为1．2 ×109N/m本文以该工程第三标段为例进行分析，结构三维数值模型详见图3。

图3 三维数值模型图

根据三维数值模型计算结果，提取竖向支撑系统承载力设计值，详见表2、表3。

表2 工程桩竖向承载力设计值 kN

表3 地下连续墙竖向承载力设计值 kN

模型计算结果表明:在结构封底前，竖向荷载都将通过地下连续墙及工程桩传给地基，此时工程桩及地下连续墙主要受力状态为抗压。结构封底后，随着地下水位的恢复，向上的水浮力增加并超过向下的各层结构板传递的竖向荷载，此时工程桩及地下连续墙主要受力状态由抗压转为抗拔。设计过程中需对工程桩及地下连续墙在抗压及抗拔状态的承载力分别进行计算，并采取相应的控制措施，以确保受力需要和结构安全。

3．2 钻孔灌注桩承载力计算

钻孔灌注桩大直径桩单桩极限抗压承载力标准值Quk和极限抗拔承载力Tuk分别为

式中，Qgsk为总极限侧阻力标准值;Qgpk为总极限端阻力标准值;u 为桩身周长;li为桩周第i 层土的厚度;Ap为桩端面积;λi为抗拔系数;qsik为桩侧第i 层土极限侧阻力标准值;qpk为初始极限端阻力标准值;ψsi，ψp分别为大直径桩侧阻力，端阻力尺寸效应系数;βsiβp分别为后注浆侧阻力，端阻力增强系数［7］。

3．3 地下连续墙的竖向极限承载力计算

作为基坑的围护结构地下连续墙的作用主要为截断地下水为基坑开挖创造条件，承受水平侧向的土压力、水压力及地面荷载引起的附加荷载，此时地下连续墙应满足强度和变形要求，本文不再赘述。

地下连续墙侧壁及墙底也可提供竖向承载力，包括侧摩阻力及端阻力，若合理地利用其竖向承载力，可使基础设计更加经济［4］。地下连续墙的竖向极限承载力P 可由下式表达

式中，F，R 分别为墙侧壁摩阻力及墙底端阻力。侧壁摩阻力F 按经验参数确定

式中，qsi为墙侧土极限摩阻力标准值。

端阻力可按有关的深基础理论公式计算，还可近似地按桩端承载力估算，即

式中，qp为墙底土极限端阻力标准值;B，L 分别为地下墙的宽度及长度［4］。

由于工程桩竖向承载力较大，并且本工程所在的软弱地层提供的极限侧阻力较小，若采用直桩方案，经计算，工程桩最大钻孔深度达到100 m 以上，工程桩整体均偏长给施工带来极大困难，工程造价也较高，必须采取改善措施。

4 改善承载力及控制隆起沉降措施

4．1 钻孔灌注桩构造措施

工程桩的极限承载力主要受桩身强度、桩周土层的物理力学性质以及桩土接触面的几何特性三方面影响。随着工程桩钢筋混凝土质量和强度的不断提高，桩身强度已不是控制桩基强度的主要因素。提高桩基的极限承载力主要为提高桩周土力学性质和改善桩土接触面几何特性，提高桩周土力学性质常用的方法为桩侧和桩端后注浆技术，改善桩土接触面几何特性主要为改变桩体形状，如挤扩支盘和旋挖扩孔等方法。本工程所有工程桩均采用桩侧和桩端注浆的方法，在3 号、4 号和5 号工程桩桩身设置两个扩大头，工程桩直径2 200 mm，扩头直径3 200 mm。

4．2 钻孔灌注桩承载力实验结果分析

根据《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106—2003)的有关规定，对工程桩进行了单桩竖向抗压静荷载试验。2 号桩桩单桩竖向抗压静荷载试验采用压重平台反力装置，即由压重平台提供反力通过试桩钢梁及6台500 t 并联液压千斤顶对试桩进行竖向抗压荷载试验，试验采用静载荷测试仪，采用压力传感器直接测定压力。4 号桩抗拔试验采用自平衡法进行。

为精确测定试桩桩周各土层侧摩阻力和桩尖阻力，在桩钢筋笼绑扎后固定振弦式传感器于钢筋笼上，留出足够长度的线头与振弦式传感器读数仪连接，静载试验时进行桩身内力测试。

实验结果表明，桩侧注浆使各土层极限承载力均得到了加大的提高，对于粘性土，侧阻力增强系数为1．38 ～1．74，砂性土侧阻力增强系数为1．42 ～1．95，并且随着土层埋深的增加，侧阻力增强系数呈逐渐增大趋势;桩端土的极限端阻力增强系数为2．002。因此，桩侧和桩端注浆对提高桩的极限承载力有明显的积极作用。

在桩身和桩端设置的扩大头提供的抗拔力与总抗拔力比值约为40%，而扩头的侧面积与桩身侧面积的比值约为8%，因此扩大头对提高桩的抗拔能力具有明显效果。

4．3 地下连续墙构造措施

为了控制地下连续墙的竖向沉降量，以提高地下墙的竖向承载力，在每幅地下墙中设置二根Φ48 墙趾注浆管，对墙底土体进行注浆加固，减少墙体垂直沉降。结合注浆试验，墙趾注浆采用双控原则，既每根注浆管最大注浆量不大于2 m3且终止注浆压力不小于1 MPa(3 min)。

经计算，围护结构功能控制地下连续墙嵌入深度，故未对地下连续墙竖向承载力进行现场试验，根据类比钻孔灌注桩桩端注浆试验结果，可以定性判断墙趾注浆对地下连续墙竖向承载力有一定提高。

5 变形沉降分析

本工程施工过程中，对典型断面的地下连续墙及中间桩柱进行了沉降观测点布设，并全程对沉降观测点进行监测，地下连续墙墙体水平位移曲线图、地下连续墙顶隆起沉降曲线图及中间桩柱顶隆起沉降曲线图详见图4、图5。监测结果表明:

图4 地下连续墙墙体水平位移曲线图

图5 地下连续墙顶隆起沉降曲线图

(1)随着基坑土方开挖卸载，地下连续墙水平位移趋势为向基坑内侧，最大水平位移为15 mm。

(2)施工期间地下连续墙及中间桩柱隆起沉降量较大，最大达33 mm，隆起为主要趋势。

(3)土体开挖后地下连续墙及中间桩柱隆起沉降量增加明显，随着各层结构板施工完成，地下连续墙及中间桩柱隆起沉降趋于稳定。

(4)本着平衡对称开挖原则，地下连续墙与中间桩柱隆起沉降量差异值较小，相邻地下连续墙与中间桩柱差异沉降与距离比值均小于1/1 000。

6 结束语

竖向支撑系统是盖挖逆作法的关键构件。目前，该工程主体结构已完成施工，笔者认为，在竖向支撑系统的设置中需要解决以下几个关键技术问题:

(1)无论现场原位静力试验和室内模型试验都证明，桩侧和桩端注浆及桩底扩头后对桩竖向承载能力的提高是显著的，应优先采用扩底桩结合桩侧和桩端注浆的方法，不得已时可增加桩长。软弱富水地层中的粉土、粉砂等土层承载力较高，但桩的扩头施工时易出现塌孔等问题，应采用有针对性的施工机械和先进的施工工艺。

(2)竖向支撑系统的承载力关键问题是沉降控制标准问题，取决于地下连续墙及中间桩在竖向荷载作用下的允许沉降量，尤其是差异沉降量。这个问题不仅涉及地下连续墙及中间桩在竖向荷载作用下的沉降规律，而且与地下连续墙及中间桩在竖向荷载作用下的位移、桩墙之间的位移协调以及框架结构抵抗不均匀下沉的能力有关。现有各种承载能力的计算公式，并没有与受载后桩本身的下沉量联系起来，因此问题的最终解决，应是在对桩现场原位静力试验的基础上，对以上各种因素进行综合优化，并在结构模拟计算过程中考虑差异沉降影响，采取相应的结构措施。

(3)应优先考虑永久柱与临时柱结合的方案。一般来说，按这种思路设计较为经济，而且结构的受力和变形状况也较为明确。