錨桿靜壓樁施工時獨立基礎(chǔ)的極限荷載研究

魏 歡，張小平 （南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院土木工程系，江蘇 南京210016）

胡明亮，韓順友 （江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京210008）

既有建筑物地下工程加層施工時，若進(jìn)行土體開挖，會破壞其下巖土體開挖前的物理特性和力學(xué)平衡，并且影響其上部結(jié)構(gòu)和鄰近建筑物。為了保證施工安全以及既有建筑的使用功能不受影響，防止上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降，必須對既有建筑進(jìn)行樁基托換。在進(jìn)行樁基托換時，通常在獨立基礎(chǔ)上進(jìn)行錨桿靜壓樁施工，所以對其施工時極限荷載的研究顯得尤為重要。為此，筆者對錨桿靜壓樁施工時獨立基礎(chǔ)的極限載荷進(jìn)行了研究。

1 工程概況

中國工商銀行揚(yáng)州分行進(jìn)行地下室擴(kuò)建工程，即在3層框架結(jié)構(gòu) （局部4層）輔樓下增加一層地下室。輔樓為獨立基礎(chǔ)，設(shè)計強(qiáng)度C30，根據(jù)目前現(xiàn)場挖掘情況，部分獨立基礎(chǔ)大小及埋深與原設(shè)計圖紙有差別。因為輔樓下施工的空間范圍小，所以采用錨桿靜壓樁施工。

1.1 工程地質(zhì)

場地勘探深度范圍內(nèi)所揭示的巖土層依其土質(zhì)及力學(xué)特征至上而下劃分為4層：第1層為該建筑施工回填土，填土?xí)r間約13年左右，厚1.4～2.9m；第2層為粉土，稍密-中密狀態(tài)，層厚1.5～3.4m，力學(xué)強(qiáng)度中等，地基承載力特征值fak＝150kPa，比貫入阻力Ps＝6.42MPa；第3層為粉砂，中密-密實狀態(tài)，層厚6.4～10.0m，力學(xué)強(qiáng)度較高，fak＝180kPa，Ps＝10MPa；第4層為粘土，最大揭示厚度14.20m，其力學(xué)強(qiáng)度高，fak＝350kPa，Ps＝4.94MPa。

1.2 施工概況

根據(jù)錨桿靜壓樁施工原理[1]，結(jié)合該工程特點及現(xiàn)場實際狀況，采用的主要施工工序如下：-2.2m以上土體開挖——樁位放線——樁位及錨桿位置開孔——種植錨桿——24h后引孔 （引孔至設(shè)計樁長的2／3）——壓樁——接樁、封樁——開挖土體至-4.65m。開孔之后的獨立基礎(chǔ)如圖1所示。

圖1 開孔后的獨立基礎(chǔ)

該基礎(chǔ)下有墊層，保護(hù)層厚度為40mm，獨立基礎(chǔ)用直徑為10mm的Q235鋼筋每隔140mm進(jìn)行雙向配筋，其配筋率為0.16%，每個孔周圍都植入8根錨桿，錨桿為45＃鋼，將壓樁產(chǎn)生的反力同時施加在8根錨桿上。錨桿靜壓樁施工時使用千斤頂，利用既有建筑物上部結(jié)構(gòu)的自重作反力，將預(yù)制樁壓入土層中。所以在施工時必須控制壓樁力，使其不得大于獨立基礎(chǔ)上部所受荷載。

2 簡化計算

2.1 簡化計算模型

施工過程中千斤頂通過反力架對錨桿施加的拉力主要集中作用在Ⅰ區(qū)域（圖1中虛線的上半部分，即為其基礎(chǔ)底面積的一半?yún)^(qū)域）。由于錨桿靜壓樁是利用獨立基礎(chǔ)上部荷載作為反力將預(yù)制樁靜力壓入地基土中，且通過錨桿對引孔獨立基礎(chǔ)施加的是偏心拉力，在拉力趨近于重力的過程中，獨立基礎(chǔ)的一邊上的基底靜壓力將趨于零，計算時將開孔獨立基礎(chǔ)底靜壓力簡化為三角形分布。同時，根據(jù)現(xiàn)場獨立基礎(chǔ)受力狀態(tài)和破壞形態(tài)，在拉力接近重力時，引孔獨立基礎(chǔ)取達(dá)到自身所能承受的極限荷載，所以對其即將破壞時的極限平衡狀態(tài)進(jìn)行分析。將空間受力狀態(tài)簡化為平面受力狀態(tài)并進(jìn)行理論分析與計算，如圖2所示。

2.2 獨立基礎(chǔ)受力分析

施工時，開孔獨立基礎(chǔ)受到豎向軸心荷載、基底凈壓力和錨桿拉力作用，以此簡化模型，將獨立基礎(chǔ)視為剛體，運(yùn)用理論力學(xué)知識進(jìn)行受力分析，并根據(jù)基礎(chǔ)工程進(jìn)行引孔獨立基礎(chǔ)沖切破壞和彎曲破壞驗算[2]，求出極限荷載。

豎直方向力的平衡：

式中，F(xiàn)為獨立基礎(chǔ)所受到的上部荷載，kN；G為獨立基礎(chǔ)的自重，kN；P為每根錨桿所受到的拉力，kN；Pemax為最大基底壓力，kPa。

彎矩的平衡：

圖2 簡化計算模型

式中，M梁為獨立基礎(chǔ)上錨桿受拉時輔樓上部框架結(jié)構(gòu)梁提供的反彎矩，kN·m，其值隨著P的增大而增大。

錨桿靜壓樁自身滿足的條件：

2.3 抗沖切計算

圖3所示為基礎(chǔ)底面積2600mm×2600mm的獨立基礎(chǔ)受中心荷載沖切計算圖形，基底沖切錐范圍以外，凈壓力在破壞面上引起的沖切荷載為[2]：

式中，Ae為基礎(chǔ)底面上沖切錐范圍以外的面積（主要為圖3中陰影部分面積的一半），m2；Pe為基底凈壓力，kPa；Fl為基底凈壓力在破壞面上引起的沖切荷載，kN。

圖3 中心荷載沖切計算圖形

沖切破壞面（即基礎(chǔ)板的斜截面）的受剪承載力[V]為：

式中，βh為截面高度影響系數(shù)；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；bp為沖切錐體破壞面上下邊周長的平均值，m；h0為截面的有效高度，m。

據(jù)圖3可知，施工時錨桿施加的拉力主要作用在沖切錐范圍以外，即8P主要作用在圖3中右半部分的陰影面積上，取其整體受剪承載力的一半，所以：

根據(jù)式（1）和式（6），求得：

根據(jù)式（5），求得[V]＝1311.7kN。

2.4 抗彎矩計算

圖4所示為獨立基礎(chǔ)受偏心荷載作用下基礎(chǔ)彎矩計算圖形。根據(jù)式（4），將Fl轉(zhuǎn)化為基底凈壓力Pe，其主要作用在圖4中陰影部分面積上，則：

求得：

沿柱邊緣的截面 Ⅰ-Ⅰ 處彎矩最大，即[2]：

據(jù)式（9）和式（10）求得：

據(jù)文獻(xiàn)[2]，對受彎構(gòu)件極限承載力應(yīng)滿足：

式中，Mu為鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)極限抵抗彎矩；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；As為受拉區(qū)縱向鋼筋的截面面積，m2。

由于抗彎計算時需滿足基礎(chǔ)所受最大彎矩不大于其本身所能承受的彎矩，即MI≤Mu，所以P≤160kN。

通過抗彎和抗沖切計算，發(fā)現(xiàn)獨立基礎(chǔ)的抗沖切能力小于抗彎能力，其首先主要產(chǎn)生沖切破壞。取抗沖切的極限荷載值，則P＝78.4kN，千斤頂施加的壓樁力通過反力架作用在8根錨桿上，即8P＝627.2kN。

圖4 彎矩計算圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型概述

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，進(jìn)行該工程數(shù)值模擬時不考慮鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變，采用鋼筋混凝土整體式模型，混凝土和錨桿分別采用SOLID65和LINK8單元。土體只受壓不受拉，采用LINK10的單壓特性。根據(jù)工程數(shù)據(jù)，其彈性模量和泊松比見表1。引孔獨立基礎(chǔ)形狀不規(guī)則，采用自由網(wǎng)格劃分，模型如圖5所示。

表1 彈性模量和泊松比

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)脆性材料的強(qiáng)度理論[4]，采用最大拉應(yīng)力理論對混凝土進(jìn)行分析。圖6所示為獨立基礎(chǔ)破壞時的第1主應(yīng)力等值線分布圖。從圖6可以看出，混凝土主要沿著柱邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，且在柱角處產(chǎn)生最大應(yīng)力。受力過程中，基礎(chǔ)主要在獨立基礎(chǔ)角點Z方向上的位移最大，取其與整個過程中施加的荷載作荷載-位移曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，到達(dá)極限狀態(tài)時，位移為25.1556mm，每根錨桿的最大荷載P＝87.0836kN，反力架施加給錨桿的力為8P＝696.7kN。

圖5 土體和鋼筋混凝土模型

圖6 獨立基礎(chǔ)破壞時第1主應(yīng)力等值線分布圖

圖7 荷載-位移曲線圖

4 結(jié)果分析

通過簡化計算、ANSYS數(shù)值模擬和現(xiàn)場施工得出的極限荷載如表2所示。從表2可以看出，采用ANSYS數(shù)值模擬求出的極限荷載，與現(xiàn)場施工時得到的極限荷載相比，誤差為0.6%；通過簡化計算得到的極限荷載與實際施工得到的極限荷載相比存在10%的誤差，這是由于獨立基礎(chǔ)受力的復(fù)雜性造成的，對既有建筑的安全沒有較大影響?？傊?，采用簡化計算和NSYS數(shù)值模擬方法可以對開孔后的獨立基礎(chǔ)在受到在沖切錐范圍以外偏心拉力作用下的施工極限荷載進(jìn)行初步估計，從而給類似的工程計算提供參考。

表2 極限荷載

[1]葉書麟，葉觀寶.地基處理與托換技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]周景星，李廣信，虞石民，等.基礎(chǔ)工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007.