城市下穿隧道抗浮樁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計研究

尤 瀟，王君鷺，劉 罡，茍 超

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

近年來，城市機(jī)動車保有量增長迅猛，城市道路交通關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的擁堵問題日益突出，許多城市在主干道交叉點(diǎn)修建下穿隧道，打造地下空間，以立體交叉的手段解決城市道路交通關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)擁堵問題。而城市下穿隧道在施工及運(yùn)營期間存在抗浮穩(wěn)定的問題，抗浮穩(wěn)定性不滿足要求時需要進(jìn)行抗浮設(shè)計。在常用的抗浮措施中，尤以抗浮樁應(yīng)用最為廣泛[1-3]。目前，圍繞抗浮樁設(shè)計計算的相關(guān)研究雖然不少，但其中關(guān)于如何合理確定抗浮設(shè)防水位[4-5]、抗拔樁單樁承載力[6-7]、抗浮荷載[8-15]等關(guān)鍵問題，不同設(shè)計人員的計算方法各異?？垢对O(shè)計涉及巖土工程、結(jié)構(gòu)工程等專業(yè)范疇，相關(guān)專業(yè)規(guī)范中的規(guī)定也不完全統(tǒng)一；抗浮設(shè)計缺乏系統(tǒng)的理論依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化的流程，本文就城市下穿隧道抗浮樁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化中存在的一些問題進(jìn)行探討，為城市下穿隧道抗浮樁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計提供參考。

1 抗浮設(shè)防水位

抗浮水位的合理確定在抗浮設(shè)計計算中尤為重要，抗浮水位選取偏安全，對結(jié)構(gòu)承受的地下水的浮力估計不足，在施工、運(yùn)營階段會引起結(jié)構(gòu)上浮、底板開裂等破壞，嚴(yán)重影響行車安全，甚至引發(fā)事故。反之，抗浮水位選取偏保守，會增加抗浮工程量，增加工程造價，造成不必要的浪費(fèi)。多本規(guī)范都有關(guān)于抗浮水位的相關(guān)規(guī)定，《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2018)規(guī)定：當(dāng)水文地質(zhì)條件對基礎(chǔ)抗浮有重大影響時，宜進(jìn)行專門的水文地質(zhì)勘察，提供用于計算地下水浮力的設(shè)計水位。廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DBJ 15-31—2016)規(guī)定：地下水的設(shè)防水位應(yīng)取建筑物設(shè)計年限內(nèi)(包括施工期)可能產(chǎn)生的最高水位。且在條文說明中表述，如果巖土工程勘察報告中沒有提供地下水的最高水位時，地下水設(shè)防水位可取建筑物的室外地坪標(biāo)高。文獻(xiàn)[4]指出地下水位的變化受大氣降雨、地下水的補(bǔ)給、水的徑流排泄等自然因素等的影響，同時也受到人為因素的干擾，因此地下水位變幅較大，需要對工程沿線的含水層分布及層間水力聯(lián)系進(jìn)行詳細(xì)勘察，綜合確定更合理的抗浮設(shè)防水位?？辈靾蟾婕词菇o出勘察期間的水位，與近年水位和歷史最高水位也存在很大誤差。綜上，地下工程的抗浮設(shè)防水位既不是勘察期間內(nèi)的水位、也不是工程所在地區(qū)的常年最高水位。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為抗浮設(shè)防水位應(yīng)為工程使用期間的最高洪水位，若此水位高出地表，則抗浮設(shè)防水位即為工程地表位置?？垢∷淮_定為地表的方法在工程設(shè)計中被普遍接受，在多數(shù)情況下計算結(jié)果偏安全，且簡單易行。

2 抗浮驗(yàn)算

隧道施工階段和使用階段的荷載不同，根據(jù)《道路隧道設(shè)計規(guī)范》(DG/TJ08-2033—2008)規(guī)定，隧道結(jié)構(gòu)在施工和使用階段應(yīng)分別進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。并給出了施工階段和使用階段隧道結(jié)構(gòu)自重及上覆土層有效壓重的荷載分項(xiàng)系數(shù)。驗(yàn)算公式如下

(1)

式中：Gk、Nw,k、k分別為隧道結(jié)構(gòu)自重及壓重之和、浮力作用值、抗浮穩(wěn)定系數(shù)。根據(jù)規(guī)范明挖現(xiàn)澆段，使用階段不考慮側(cè)墻土體摩阻力時k=1.05。

關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)自重及壓重的荷載分項(xiàng)系數(shù)取值，不同設(shè)計人員取值不完全一致。文獻(xiàn)[5]與文獻(xiàn)[8]取值0.9，文獻(xiàn)[9]指出在抗浮穩(wěn)定性計算中，荷載作用效應(yīng)應(yīng)該承載能力極限狀態(tài)下的基本組合考慮，分項(xiàng)系數(shù)為1.0。

3 抗浮樁設(shè)計

3.1 抗浮樁樁長與根數(shù)的確定

當(dāng)前抗浮設(shè)計中的常用方法是對下穿隧道分段進(jìn)行抗浮設(shè)計，綜合考慮樁間距、結(jié)構(gòu)尺寸等，確定抗浮樁根數(shù)n，計算荷載效應(yīng)基本組合計算單根抗浮樁的基樁拔力Nk。

(2)

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2018)規(guī)定，群樁呈非整體破壞時抗拔承載力按下式驗(yàn)算。

式中：Tuk為基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Gp為基樁自重，地下水位以下取浮重度；λi為抗拔系數(shù)；qsik為樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；ui為樁身周長；li為各土層厚度。

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG 3363—2019)規(guī)定，摩擦樁單樁軸向受拉承載力容許值[Rt]按下列公式計算。

(5)

式中：qik為樁側(cè)第i層土的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長；ai為振動沉樁對各土層樁側(cè)摩阻力的影響系數(shù)。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2018)中基樁抗拔承載力特征值[R]取基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的一半，即

[R]=0.5∑λiqsikuili

(6)

對比公式(5)、(6)，基樁抗拔承載力容許值的求解思路一致，系數(shù)取值不同。參考兩規(guī)范后，抗浮樁承載力特征值或容許值[R]計算公式為：

(7)

在此基礎(chǔ)上結(jié)合抗拔承載力驗(yàn)算公式

Nk≤[R]+Gp

(8)

通過試算求解抗浮樁根數(shù)與樁長。

3.2 抗浮樁配筋及裂縫驗(yàn)算

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2018)中5.8.7和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010(2015版))中6.2.22對鋼筋鋼筋混凝土軸心抗拔樁的正截面受拉承載力應(yīng)符合下式規(guī)定

N≤fyAs+fpyAp

(9)

式中：N為荷載效應(yīng)基本組合下樁頂軸向拉力設(shè)計值，即N=1.2Nk；fy、fpy分別為普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；Ap分別為普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積。據(jù)此進(jìn)行抗浮樁的配筋設(shè)計。

于此同時，還需依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010(2015版))中3.4.5的結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值與7.1.2對抗浮樁進(jìn)行最大裂縫寬度的驗(yàn)算。7.1.2規(guī)定：按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合或準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度可按下列公式計算。

式中：ωmax為最大裂縫寬度；αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)；ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；σs為按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉普通鋼筋應(yīng)力；Es為鋼筋的彈性模量；Cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離；deq為受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率。對于抗浮工程樁裂縫驗(yàn)算，Nk值取抗浮樁承載力特征值[R]。

對抗浮樁設(shè)計流程進(jìn)行梳理，給出標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計流程圖。

圖1 抗浮設(shè)計流程

4 結(jié) 語

(1)抗浮設(shè)防水位的確定在城市下穿隧道抗浮樁設(shè)計中至關(guān)重要，應(yīng)根據(jù)詳細(xì)水文地質(zhì)勘察結(jié)果確定，若勘察報告未給出抗浮設(shè)防水位參考值，偏于安全考慮，抗浮水位可取為地表?？垢犊拱纬休d力特征值可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》分別計算，選擇較為保守的承載力計算結(jié)果，且抗浮樁提供的抗拔力應(yīng)包含基樁自重。隧道結(jié)構(gòu)的抗浮驗(yàn)算應(yīng)分施工階段和使用階段分別進(jìn)行驗(yàn)算，采用不同的抗浮安全系數(shù)。

(2)抗浮樁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計流程中有1組關(guān)鍵變量即抗浮樁的根數(shù)與樁長，結(jié)合計算公式(2)、(7)、(8)可知對于改組變量存在多解，增加樁數(shù)可減小樁長，反之亦然。因此，如何確定最優(yōu)化的樁數(shù)與樁長組合，對提高抗浮樁設(shè)計的合理性和經(jīng)濟(jì)性有重要的意義。設(shè)計人員在實(shí)際工程中，可在施工圖設(shè)計階段對此問題作進(jìn)一步的探討，尋求即可保證工程安全可靠施工運(yùn)營又經(jīng)濟(jì)合理的抗浮設(shè)計，對初步設(shè)計進(jìn)行深度優(yōu)化。

(3)配筋與裂縫控制同樣是抗浮樁設(shè)計的核心問題，根據(jù)計算公式(2)、(8)、(9)確定抗浮樁的配筋的同時，尚需滿足裂縫驗(yàn)算，需要認(rèn)真對待，確保抗浮樁設(shè)計計算的安全準(zhǔn)確。