深基坑懸臂式擋土灌注樁設(shè)計(jì)

李秉琴

（中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司， 天津 300162）

1 概況

新建石家莊至濟(jì)南鐵路客運(yùn)專線衡景特大橋上跨大廣高速公路，衡景特大橋114#、115#墩臨近大廣高速公路路基邊坡。為保證基坑施工安全，防止因基坑開挖造成大廣高速公路路面失穩(wěn)，決定采用鉆孔灌注樁進(jìn)行基坑防護(hù)，不設(shè)內(nèi)部支撐。

2 車輛荷載換算

將車輛荷載按均布荷載考慮，換算成均布土層，車輛荷載作用在防護(hù)樁后面引起的土體側(cè)壓力按等代均布土層厚度計(jì)算。

換算均布土層厚度可直接由防護(hù)樁懸臂高度確定的附加荷載強(qiáng)度計(jì)算：

h0= q/γ

式中：h0－換算土層厚度(m)；

q－車輛荷載附加荷載強(qiáng)度：墻高小于2m，取20kN/m2；墻高大于10m，取10kN/m2；根據(jù)直線內(nèi)插法計(jì)算，本工程防護(hù)樁懸臂高度等于基坑深度h=7m，綜合考慮后取q=15 kN/m2。

γ－墻背填土的重度（kN/m3），取18 KN/m3。

則： h0= q/γ=15/18=0.83(m)

3 灌注樁長(zhǎng)度計(jì)算

計(jì)算參數(shù)：h=7.0m，樁后土體內(nèi)摩擦角φ=30°，假定土質(zhì)均勻,忽略土內(nèi)聚力C 的影響，忽略地下水的作用。

換算后土的重度：γ′=γ（h0+h）/ h=18×（7+0.83）/7=20.134（KN/m3）

主動(dòng)土壓力系數(shù)：Ka=tg2（45-30/2）=0.33

被動(dòng)土壓力系數(shù)：KP=tg2（45+30/2）=3

ea =hγ′Ka+qKa=7×20.134×0.33+15×0.33=51.5（kN/m2）

μ=ea/(KP-Ka)γ′=51.5/(3-0.33)×20.134=0.96(m)

l=h+μ=7+0.96=7.96（m）

主動(dòng)土壓力合計(jì)：

∑Ea=Ea1+Ea2+Ea3=γ′h2Ka/2+qhKa+μea/2=20.134×7×7×0.33/2+15×7×0.33+51.5×0.96/2=222KN/m

主動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)距離原地面位置 ：

a=（Ea1×2h/3+Ea2×h/2+Ea3×(h+μ/3)）/∑Ea=（162.78×14/3+34.65×7/2+24.72×7.32）/222=4.78（m）

被動(dòng)土壓力：Ep=γ′χ2(Kp- Ka)/2

根據(jù)布氏（H.Blum）研究理論，由ΣMc=0 得：∑Ea×（l+χ-a）- Epχ/3=0

整理后得：x3-6∑Eaχ/(KP-Ka)γ′-6∑Ea（l-a）/(KP-Ka)γ′=0

令：χ=ωl，kr=(KP-Ka)γ′，得：ω3=6∑Ea（1+ω）/ krl2-6∑Ea×a/ krl3

先求：kr=(KP-Ka)γ′=（3-0.33）×20.134=53.75

令：m=6∑Ea/krl2=6×222/（53.75×7.962）=0.39

令：n=6∑Ea×a/krl3=6×222×4.78/（53.75×7.963）=0.23

得：ω3=m（1+ω）-n

由m、n 值查布氏理論曲線可得：ω=0.77

則：χ=ωl=0.77×7.96=6.13（m）

樁入土深度： t=μ＋1.2χ=0.96+6.13×1.2=8.3（m）

鉆孔灌注樁總長(zhǎng)： L=h+t=7+8.3=15.3m

4 灌注樁截面及配筋計(jì)算

4.1 最大彎矩

首先求最大彎矩發(fā)生的位置： 設(shè)最大彎矩發(fā)生在0 點(diǎn)以下χm 位置上, 則由該處剪力等于零可得：∑Ea-γ′χm2(Kp- Ka)/2=0

則：

最大彎矩為：

4.2 截面及配筋計(jì)算

根據(jù)工程實(shí)際，本工程灌注樁受拉側(cè)是固定的，即靠近高速公路一側(cè)，采用不均勻配筋方式。灌注樁直徑D=1.25m，采用C25 混凝土，則fc =11.9N/mm2,采用HRB335 鋼筋，則fy=300 N/mm2。

等效矩形截面邊長(zhǎng)：b=0.876D=1.25×0.876=1.095m=1095mm

取保護(hù)層厚度7cm，截面有效高度：Ho=1095-70=1025mm

as=M/(fc×b×Ho2)=1131.3×106/(11.9×1095×10252)=0.083

根據(jù)as查《簡(jiǎn)明施工計(jì)算手冊(cè)》P232 表4-20 可得：γs=0.957

求受拉鋼筋截面面積：As=M/(γsfyHo)= 1131.3×106/（0.957×300×1025）=3844mm2

選配縱向受拉鋼筋，選擇現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)采購(gòu)的Φ22mm 鋼筋，單筋面積：A=379.9mm2求鋼筋根數(shù)：n=As/A=3844/379.9=10.12，取n=10 根。

另在受壓區(qū)配置5Φ22mm 的構(gòu)造鋼筋，箍筋采用Φ8@200 圓鋼。

5 穩(wěn)定性驗(yàn)算

5.1 坑底隆起驗(yàn)算

假設(shè)土層為中硬黏土，取黏聚力c=30kpa，為了更安全，不考慮土體與樁間的摩擦力以及樁后土體破壞面的阻力，則：K=2πc/（q+γh）=2×3.14×30/（15+18×7）=1.34＞1.2

故坑底不會(huì)發(fā)生隆起。

5.2 坑底管涌驗(yàn)算

取抗管涌安全系數(shù)K=1.5，水重度γw=10KN/m3，土的浮重度γ′=γ-γ w=8KN/m3,地下水位至坑底距離h′=7-2=5（m），則：

（K×h′×γw-γ′×h′）/2γ′=（1.5×5×10-8×5）/2×8=2.19(m)＜t=8.3（m）

故坑底不會(huì)發(fā)生管涌現(xiàn)象。

5.3 施工注意事項(xiàng)

1.采用等效矩形截面配筋的擋土混凝土灌注樁，成孔后吊放鋼筋籠，受力鋼筋必須安放在樁的受拉一側(cè)，防止鋼筋籠錯(cuò)位或扭轉(zhuǎn)，避免鋼筋位置不對(duì)造成灌注樁受力時(shí)破壞。

2.灌注樁樁間凈距0.25m，為確保整體性，在樁頂設(shè)冠梁，內(nèi)部不設(shè)水平支撐?；拥撞坎捎?0cm 素混凝土封底，坑內(nèi)四周設(shè)排水明溝和集水坑，以便及時(shí)抽出積水。灌注樁外側(cè)沿基坑四周插入一圈拉森鋼板樁，防止周圍地下水沿灌注樁之間的縫隙進(jìn)入基坑。

3.由于工程緊鄰高速公路，施工過程中可采用高度較小的反循環(huán)鉆機(jī)成孔，防止機(jī)械傾覆到高速公路上，鋼筋籠采用分段吊裝，減小吊車伸展高度。

4.開挖過程中，隨時(shí)監(jiān)測(cè)高速公路路面、擋土灌注樁及周圍地面的沉降值和變形值，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取施加內(nèi)支撐、坑內(nèi)回填土等應(yīng)急措施。

6 結(jié)論

2014 年10 月底，該工程全部施工完成。在施工過程中，定時(shí)對(duì)基坑周邊地面、樁頂冠梁及高速公路路面進(jìn)行沉降及變形觀測(cè)，所有數(shù)值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性及可行性。在隨后施工的另外兩處連續(xù)梁工程中，由于橋墩基坑緊鄰市區(qū)主干道路，開挖深度較大，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，項(xiàng)目繼續(xù)采用該方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和施工，取得了良好效果。