圓形人工挖孔樁護(hù)壁厚度分析

郭 旭

(福建同力建筑設(shè)計(jì)院有限公司 福建三明 366000)

0 引言

在土木建筑工程所采用的樁基類型中，人工挖孔樁歷史悠久，自20世紀(jì)七八十年代樁基礎(chǔ)普及開始，人工挖孔樁成樁工藝就作為樁基施工的一種重要方法。由于安全性問題，許多地區(qū)近年來已經(jīng)限制或禁止使用人工挖孔成樁，但由于人工挖孔樁在施工時可直接檢查成孔質(zhì)量，便于觀察地質(zhì)土質(zhì)變化情況，樁孔深度可由地基土層實(shí)際情況加以控制，靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)，施工進(jìn)度快，方便擴(kuò)孔以提高單樁承載力，經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越，且樁底清渣干凈，易保證混凝土澆筑質(zhì)量，施工時產(chǎn)生的污染較小，因此在很多工程中人工挖孔樁仍是一種切實(shí)有效的成樁工藝并在工程中大量應(yīng)用。與此同時，近年來人工挖孔樁護(hù)壁坍塌導(dǎo)致施工人員傷亡事故也時有發(fā)生，歸根結(jié)底是由于施工設(shè)計(jì)人員對人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)和施工技術(shù)措施把控的疏忽，若能夠從設(shè)計(jì)及施工技術(shù)措施上有效保證護(hù)壁安全性能，則人工挖孔樁仍可在我國廣大山區(qū)土木建筑工程中廣泛應(yīng)用。

1 人工挖孔樁護(hù)壁厚度傳統(tǒng)計(jì)算方法及存在的問題

關(guān)于挖孔樁護(hù)壁計(jì)算，主要問題集中在兩個方面，一是土壓力q的計(jì)算模型，二是護(hù)壁的受力機(jī)理。

1.1 人工挖孔樁護(hù)壁外側(cè)土壓力的分析計(jì)算主要方法

(1)朗肯土壓力理論計(jì)算(主動土壓力)

對于土質(zhì)松散，孔隙比較大，基本無內(nèi)聚力的土體：

γ——土容重；

H——計(jì)算點(diǎn)深度；

φ——土壤內(nèi)摩擦角。

對于有粘性土，由于內(nèi)聚力在土層產(chǎn)生負(fù)側(cè)壓力，護(hù)壁上部Z0深度不產(chǎn)生側(cè)壓力。

粘性土h深度h>Z0處圖層主動土側(cè)壓力：

q=γHtan2(45°-φ/2)-2ctan(45°-φ/2)

γ——土容重；

H——計(jì)算點(diǎn)深度；

φ——土壤內(nèi)摩擦角；

c——粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)俄國普洛托齊雅闊諾夫的普式平衡拱理論計(jì)算公式[1]

根據(jù)散粒體圍巖壓力的普式理論，土層對護(hù)壁的側(cè)壓力隨著深度增加至一定深度后基本接近于常數(shù)，即普式的自然平衡拱理論，當(dāng)H>(2～3)b1時，側(cè)壓力基本為一固定常數(shù)：

q=γ1.5b1

b1=a1/fk

a1=R+Htan(45°-φ/2)

H——計(jì)算段高度;

fk——巖土堅(jiān)固系數(shù)，砂土取0.6，粉質(zhì)粘土0.8，粘土1.0，巖石2.0；豎向施工時完全拱效應(yīng)削弱，故將b1乘1.5系數(shù)。

靜水壓力TwHw,土采用浮容重，樁頂均布荷載折算為填土厚度考慮，填土折算厚度H1=q/R。

(3)前蘇聯(lián)別列贊采夫的筒形地坑壁主動土壓力空間問題解析——別式公式[2]：

Rb=R0+Htan(45°-φ/2)

λ=2tanφ·tan(45°-φ/2)

R0——豎井掘進(jìn)半徑。

別式公式從空間考慮了空心圓柱體受力問題，考慮了土體向中心位移時其本身相互擠壓使主動土壓力減少的有利作用，還考慮了豎井?dāng)嗝娲笮χ鲃油翂毫Φ挠绊慬3]。綜上分析，本文建議在護(hù)壁外側(cè)土壓力計(jì)算時采用別式公式計(jì)算較為符合實(shí)際情況。

1.2 傳統(tǒng)護(hù)壁厚度計(jì)算的研究常見算法

(1) 材料力學(xué)方法計(jì)算壁厚[4]：

k——安全系數(shù)，取1.65；

q——計(jì)算點(diǎn)處土壓力；

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

R——掘進(jìn)半徑；

t——護(hù)壁厚度。

(2)井圈換算長度法計(jì)算壁厚[5]：

Lk——井圈圓環(huán)換算長度，取1.82R。

(3) 經(jīng)驗(yàn)算法壁厚[5]：

D——樁身直徑。

(4)在t≥b/10時，采用彈性力學(xué)厚壁圓筒模型進(jìn)行分析[6]：

a——內(nèi)半徑；

b——外半徑；

r——計(jì)算點(diǎn)處半徑。

人工挖孔樁護(hù)壁厚度傳統(tǒng)計(jì)算方法在計(jì)算土壓力和護(hù)壁厚度時，均假設(shè)了土體壓力為均勻分布，力學(xué)模型為圓環(huán)截面受均勻土壓力作用。計(jì)算護(hù)壁厚度時僅按混凝土軸心受壓進(jìn)行考慮，未考慮到護(hù)壁橫截面外側(cè)土質(zhì)不均勻及開挖過程中孔外土體塌陷、孔外道路車輛行使、地面堆載等因素對井側(cè)壁產(chǎn)生的不均勻土體壓力。此外，在實(shí)際工程中，混凝土護(hù)壁養(yǎng)護(hù)時間往往在24h左右就開始繼續(xù)向下開挖作業(yè)，混凝土的早齡期強(qiáng)度遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值，傳統(tǒng)算法中混凝土抗壓強(qiáng)度取值明顯偏高，對施工安全造成隱患。

2 改進(jìn)的人工挖孔樁護(hù)壁厚度計(jì)算方法

鑒于上述傳統(tǒng)方法存在的問題，人工挖孔灌注樁護(hù)壁厚度計(jì)算可按下述方法進(jìn)行改進(jìn)。在護(hù)壁內(nèi)力計(jì)算時，應(yīng)充分考慮護(hù)壁橫截面外側(cè)水平向土壓力不均勻分布對內(nèi)力計(jì)算的影響。參照《給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》中沉井橫截面水平向土壓力分布假設(shè)，通過調(diào)整孔壁截面兩個方向土壤的內(nèi)摩擦角φ1,2=φ±(2.5°～5°)[7],適當(dāng)?shù)乜紤]不均勻土壓力。并采用更為符合實(shí)際的“別式公式”計(jì)算土壓力，將護(hù)壁計(jì)算模型視作受對稱不均勻壓力作用的封閉圓環(huán)進(jìn)行分析。另外，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》6.6.10條規(guī)定，挖孔樁護(hù)壁拆模時間應(yīng)在24h后[8]，此時24h齡期時混凝土強(qiáng)度只能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度約10%～15%[9]，拆模強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到2.5MPa[10]，故在護(hù)壁厚度設(shè)計(jì)計(jì)算時，混凝土的抗壓強(qiáng)度取值應(yīng)大幅下調(diào)。根據(jù)以上分析，建議人工挖孔樁護(hù)壁計(jì)算按照如下文方法計(jì)算。

2.1 考慮土壓力分布不均勻，采用“別式公式”計(jì)算土壓力

在互成90°井圈上兩點(diǎn)處沿徑向的土壓力分別為qA,qB(qB>qA)，qA、qB計(jì)算時土壤內(nèi)摩擦角分別采用φ1=φ+(2.5°～5°),φ2=φ-(2.5°～5°), 此時：

Rb1=R+Htan(45°-φ1/2)

λ1=2tanφ1·tan(45°-φ1/2)

Rb2=R+Htan(45°-φ2/2)

λ2=2tanφ2·tan(45°-φ2/2)

護(hù)壁橫截面外側(cè)土壓力分布如圖1所示。

圖1 護(hù)壁橫截面外側(cè)土壓力分布圖

2.2 內(nèi)力計(jì)算

將護(hù)壁視作受對稱不均勻壓力作用的封閉圓環(huán)，取1/4圓為計(jì)算簡圖，井圈上任意點(diǎn)土壓力按公式變化：

qα=qA(1+ω′sinα)

可得:

NA=qAR(1+0.7854ω′)

NB=qAR(1+0.5ω′)

MA=-0.1488qAR2ω′

MB=-0.1366qAR2ω′

護(hù)壁橫截面彎矩如圖2所示。

圖2 護(hù)壁橫截面彎矩圖

2.3 壁厚計(jì)算

由于護(hù)壁拆模時混凝土齡期很短，假設(shè)護(hù)壁正截面承載能力計(jì)算時混凝土應(yīng)力圖形按線性分布，且不考慮混凝土受拉，護(hù)壁中的構(gòu)造鋼筋作為安全儲備，不參與計(jì)算，由材料力學(xué)公式推導(dǎo)如下：

假設(shè)t<6e，受拉區(qū)混凝土開裂，混凝土截面處于大偏壓狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 護(hù)壁截面大偏心受壓混凝土應(yīng)力圖

判別，若此時t<6e則上式t即為所求結(jié)果。

反之，若t≥6e，截面處于小偏心受壓狀態(tài)，如圖4所示。則護(hù)壁厚度計(jì)算公式如下：

圖4 護(hù)壁截面小偏心受壓混凝土應(yīng)力圖

M，N——護(hù)壁截面彎矩、軸力設(shè)計(jì)值，分項(xiàng)系數(shù)1.2。分別計(jì)算A,B點(diǎn)壁厚取最不利值。

h——每節(jié)護(hù)壁高度。

f1d——24h齡期混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，無具體實(shí)測強(qiáng)度時，根據(jù)模板拆除時混凝土強(qiáng)度須大于2.5MPa，考慮護(hù)壁混凝土強(qiáng)度一般較低(≤C40)，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015版)》4.1.3、4.1.4條[11]，此時強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值約為2.5×0.88×0.76/1.4=1.19MPa。該數(shù)值符合在24h齡期，10～20℃溫度下，混凝土強(qiáng)度約達(dá)到設(shè)計(jì)值的10%～15%的實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果應(yīng)注意，若此時能夠?qū)崪y施工時采用的混凝土24h齡期立方體抗壓強(qiáng)度，可采用實(shí)測抗壓強(qiáng)度換算為設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行取值。

3 計(jì)算實(shí)例分析

設(shè)某工程擬采用樁徑1600mm人工挖孔樁，樁長15m，無擴(kuò)底，土體容重均以20kN/m3計(jì)、土壤內(nèi)摩擦角30°，護(hù)壁混凝土標(biāo)號C25，無地下水，取護(hù)壁最底部1m計(jì)算人工挖孔樁護(hù)壁厚度：

R=0.8H=15mγ=20kN/m3φ=30°

fc=11.9N/mm2f1d=1.19N/mm2

取φ1,2=φ±5°?φ1=35°，φ2=25°

λ1=2tanφ1·tan(45°-φ1/2)

=2tan35°·tan(45°-35°/2)

=0.729

Rb1=R+Htan(45°-φ1/2)

=0.8+15tan(45°-35°/2)

=8.609m

=27.78kN/m

λ2=2tanφ2·tan(45°-φ2/2)

=2tan25°·tan(45°-25°/2)

=0.594

Rb2=R+Htan(45°-φ2/2)

=0.8+15tan(45°-25°/2)

=10.356m

=45.9kN/m

ω′=ω-1=1.652-1=0.652

NA=qAR(1+0.7854ω′)

=27.78×0.8×(1+0.7854×0.652)

=33.6kN

MA=-0.1488qAR2ω′

=-0.1488×27.78×0.82×0.652

=1.725kN·m

NB=qAR(1+0.5ω′)

=27.78×0.8×(1+0.5×0.652)

=29.47kN

MB=0.1366qAR2ω′

=0.1366×27.78×0.82×0.652

=1.583kN·m

設(shè)t<6eA=6×51.34=308mm

=147.86mm

此時，t<6eA滿足要求。

設(shè)t<6eB=322.3mm；

=147.06mm

此時，t<6eB滿足要求。

取護(hù)壁厚度為150mm，大于《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》最小壁厚100mm要求，構(gòu)造配筋作為安全儲備。

對比傳統(tǒng)護(hù)壁厚度計(jì)算方法：以朗肯土壓力和材料力學(xué)薄壁圓環(huán)應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算如下：

=100kN/m

N=qR=100×0.8=80kN

發(fā)現(xiàn)在較大樁徑、樁身較長情況下，計(jì)算結(jié)果仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于護(hù)壁構(gòu)造要求厚度，傳統(tǒng)方法得到的計(jì)算厚度不具有代表性。

4 結(jié)論

在人工挖孔樁護(hù)壁厚度計(jì)算時，護(hù)壁外側(cè)土壓力計(jì)算采用別式公式，并考慮可能發(fā)生的護(hù)壁周邊土體壓力不均勻影響，綜合考慮混凝土早齡期強(qiáng)度，推導(dǎo)出切實(shí)可行的人工挖孔樁護(hù)壁厚度計(jì)算方法，能夠較好地解決工程施工中的護(hù)壁安全性能問題。