螺旋鋼樁基礎(chǔ)在集裝箱模塊建筑中的應(yīng)用技術(shù)研究

呂兆華

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092)

0 引言

螺旋鋼樁是一種微型預(yù)制鋼樁，其主體結(jié)構(gòu)為鋼管，在鋼管端部一定范圍內(nèi)焊接若干螺旋葉片。一般來(lái)講，該螺旋鋼樁直徑通常在300mm以?xún)?nèi)，長(zhǎng)度在4m范圍內(nèi)。螺旋鋼樁具有施工速度快、保護(hù)環(huán)境、可拆除再利用、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。螺旋鋼樁受力機(jī)理與常見(jiàn)的螺絲釘相似，用配套機(jī)械將其旋入土體中[1]。對(duì)于一般條件土體，對(duì)場(chǎng)地平整度要求較低，3min即可完成一根螺旋鋼樁基礎(chǔ)的定位、安裝，且沒(méi)有養(yǎng)護(hù)期，施工工期短。螺旋鋼樁多用于太陽(yáng)能光伏支架、路燈、小型棧道[2]、坑壁及邊坡支護(hù)、海上結(jié)構(gòu)物拉索和土工測(cè)試反力裝置等[3-4]。

集裝箱模塊建筑是建筑工業(yè)化發(fā)展的高級(jí)階段，是一種高度集成的裝配式建筑，建造速度具有傳統(tǒng)建筑無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[5-7]。通常采用工廠預(yù)制集裝箱，能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)，快速安裝。然而箱式模塊建筑的基礎(chǔ)一般采用在傳統(tǒng)的現(xiàn)澆基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋錨栓或錨板，再通過(guò)錨栓或錨板與集裝箱模塊建筑連接的形式[8]。這種基礎(chǔ)在澆筑之后需要有充足的時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，且為混凝土基礎(chǔ)，需要使用較多的淡水量。對(duì)于常規(guī)集裝箱模塊建筑來(lái)說(shuō)是適用的；但對(duì)于有一些特殊要求的集裝箱模塊建筑，例如工地臨時(shí)建筑，對(duì)于有快速安裝要求的集裝箱模塊建筑(如雷神山、火神山醫(yī)院)，這種傳統(tǒng)基礎(chǔ)的適用性就較差。原因在于對(duì)于臨時(shí)建筑來(lái)說(shuō)，采用傳統(tǒng)的基礎(chǔ)形式，不具有可拆除性，不利于環(huán)境保護(hù)，浪費(fèi)材料。對(duì)于有快速安裝要求的集裝箱模塊建筑，傳統(tǒng)基礎(chǔ)在極短時(shí)間內(nèi)完成快速施工難度較大。

為加快基礎(chǔ)施工速度，保護(hù)環(huán)境，降低造價(jià)，將螺旋鋼樁基礎(chǔ)在集裝箱模塊建筑中進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)于該建筑來(lái)說(shuō)是一種創(chuàng)新，有少部分工程開(kāi)始嘗試使用這種基礎(chǔ)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，螺旋鋼樁基礎(chǔ)使用的規(guī)范性差，體系不穩(wěn)定，個(gè)別連接節(jié)點(diǎn)采用焊接的方式，降低了安裝速度和質(zhì)量，且現(xiàn)場(chǎng)焊接易帶來(lái)腐蝕問(wèn)題，給拆除工作帶來(lái)難度，不利于反復(fù)使用。

本文以一采用螺旋鋼樁基礎(chǔ)的二層集裝箱模塊建筑為例，對(duì)基礎(chǔ)體系在地震和風(fēng)荷載兩種工況下的受力進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)螺旋鋼樁進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對(duì)螺旋鋼樁與集裝箱模塊建筑之間的連接方式進(jìn)行研究。

1 螺旋鋼樁基礎(chǔ)在工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 螺旋鋼樁基礎(chǔ)的適用地質(zhì)條件

螺旋鋼樁作為一種小型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制管樁，可在殘積土、全風(fēng)化巖石、圓礫與角礫、松散～密實(shí)的砂土、稍密～密實(shí)的粉土、可塑～堅(jiān)硬的黏土中適用，在卵石、碎石地基中可視情況采用[9]。對(duì)于一般硬土地基，螺栓鋼樁可通過(guò)打樁設(shè)備直接旋入土體。特殊條件下，如遇土質(zhì)過(guò)硬地基、碎石等地基，可采用先鉆孔再施工的方式打樁；對(duì)于巖石地基，可采用先打孔、清孔，然后按照灌注樁施工方式進(jìn)行施工。

螺旋鋼樁不宜用于具有強(qiáng)腐蝕的土壤環(huán)境中，對(duì)于腐蝕等級(jí)為中級(jí)的土壤，可采用外表面涂鋅防腐層、增加腐蝕余量及采用特殊耐腐蝕材料等措施。當(dāng)螺旋鋼樁內(nèi)壁與外界封閉隔絕時(shí)，可不做內(nèi)壁防腐。設(shè)計(jì)選擇螺旋鋼樁的壁厚以及使用年限時(shí)，需考慮在不同的環(huán)境下，螺旋鋼樁的防腐涂層以及管壁的腐蝕速率，通常來(lái)講，可參考已有工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)于常用的鍍鋅防腐涂層，螺旋鋼樁應(yīng)用在腐蝕等級(jí)為中級(jí)及以下的土壤環(huán)境中時(shí)，可按照投入使用前2年每年涂層的腐蝕速率為15μm/年、投入使用2年以后腐蝕速率為4μm/年取值。當(dāng)腐蝕涂層破壞以后，可考慮螺旋鋼樁自身的腐蝕速率。對(duì)于地面以上的螺旋鋼樁，當(dāng)無(wú)腐蝕性氣體或腐蝕性發(fā)揮介質(zhì)時(shí)，其單面腐蝕速率為0.05～0.1mm/年。處于地面以下的螺旋鋼樁，水位以上腐蝕速率為0.05mm/年；水位以下腐蝕率為0.03mm/年，處于水位波動(dòng)區(qū)域的腐蝕速率為0.1～0.3mm/年[9]。

1.2 螺旋鋼樁基礎(chǔ)的承載能力

微型螺旋短樁因其端部帶有葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，樁基承載力無(wú)法完全按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[10]來(lái)執(zhí)行。通常螺旋鋼樁極限抗拔和抗壓承載力受葉片間距比變化的影響，根據(jù)葉片間距比的不同，螺旋鋼樁的理論承載力計(jì)算方法主要有“單盤(pán)承載力疊加法”與“連續(xù)剪切筒”法，“單盤(pán)承載力疊加法”一般用于葉片間距與葉片直徑比值大于3的情況，該方法考慮樁基極限承載力由葉片以上螺旋鋼樁與土體側(cè)摩阻力與各葉片極限承載能力之和。當(dāng)葉片間距與葉片直徑的比值小于3時(shí)，采用“連續(xù)剪切筒”法，該方法的樁基側(cè)摩阻力考慮兩部分：一部分為葉片以上螺旋鋼樁側(cè)摩阻力，另一部分為葉片范圍內(nèi)的圓柱土體與周邊土體之間的側(cè)摩阻力。當(dāng)螺旋鋼樁抗壓時(shí)，葉片以上1倍葉片直徑范圍以上不計(jì)側(cè)摩阻力，需考慮葉片發(fā)揮的極限樁端阻力。當(dāng)螺旋鋼樁抗拔時(shí)，計(jì)算第一道葉片以上2倍葉片直徑高度范圍內(nèi)側(cè)摩阻力時(shí)，樁周長(zhǎng)采用由葉片直徑計(jì)算得到的周長(zhǎng)，超出該范圍高度時(shí)，樁周長(zhǎng)采用由螺旋鋼樁直徑計(jì)算得到的周長(zhǎng)。我國(guó)計(jì)算螺旋鋼樁承載力時(shí)，通常采用的是“連續(xù)剪切筒”法與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)的結(jié)合的方法。計(jì)算螺旋鋼樁承載力時(shí)，除考慮樁土之間的承載力外，尚需考慮樁身自身的承載能力，計(jì)算樁在使用過(guò)程中的受力以及樁身施工過(guò)程中承擔(dān)的最大扭矩。

精確計(jì)算螺旋鋼樁的承載力有一定的難度，因?yàn)槌刭|(zhì)條件外，樁型參數(shù)、施工扭矩等因素都會(huì)影響螺旋鋼樁承載力的計(jì)算[1]，因此理論計(jì)算一般僅作為估算，樁身承載力需通過(guò)單樁靜載荷試驗(yàn)確定。檢測(cè)方法及數(shù)量可按照國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)、《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)等執(zhí)行。

2 集裝箱模塊建筑螺旋鋼樁基礎(chǔ)應(yīng)用及受力分析

螺旋鋼樁基礎(chǔ)在集裝箱模塊建筑中是否適用，需根據(jù)該建筑的受力特點(diǎn)，對(duì)螺旋鋼樁進(jìn)行合理布置后，根據(jù)螺旋鋼樁反力進(jìn)行綜合判斷。本文以一幢采用螺旋鋼樁的二層集裝箱模塊建筑為例，分析在地震工況及風(fēng)荷載工況下，螺旋鋼樁的反力大小，根據(jù)一般土體下螺旋鋼樁的承載力對(duì)螺旋鋼樁進(jìn)行選型。

2.1 實(shí)例概況

建筑平面尺寸(長(zhǎng)×寬)為6 058mm×4 895 mm，層高3 451mm。該集裝箱模塊建筑單個(gè)模塊尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為6 058mm×2 438mm×3 150mm，每層2個(gè)模塊，上下兩層共4個(gè)模塊。采用12個(gè)螺旋鋼樁，鋼樁與集裝箱模塊建筑之間的架空段采用短柱連接，短柱高度為800mm，短柱頂部與集裝箱模塊建筑通過(guò)底部橫梁進(jìn)行連接。結(jié)構(gòu)為全鋼結(jié)構(gòu)，材料為Q355B。柱截面采用箱形截面，梁采用H型鋼，柱截面規(guī)格為□150×150，梁截面規(guī)格為H200×100×5.5×8。墻體采用輕質(zhì)隔墻，厚度為100mm。樓面的恒載為2kN/m2，活載為2kN/m2；屋面活載為0.5kN/m2，墻面重量按照0.5kN/m2預(yù)估。集裝箱模塊建筑結(jié)構(gòu)及螺旋鋼樁平面圖見(jiàn)圖1，集裝箱模塊建筑及基礎(chǔ)立面圖見(jiàn)圖2。

圖2 集裝箱模塊建筑及基礎(chǔ)立面圖

2.2 地震工況下的分析

2.2.1 地震參數(shù)及荷載組合

項(xiàng)目所在地抗震設(shè)防烈度8度(0.2g)，結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.02，根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振周期T=0.56s，分別取特征周期Tg為0.2，0.3，0.4，0.45，0.55，0.65s進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算采用基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合，荷載基本組合為1.2SGE+1.3SEhk，標(biāo)準(zhǔn)組合為SGE+SEhk，其中，SGE為重力荷載代表值，SEhk為水平地震作用。

2.2.2 整體計(jì)算結(jié)果及螺旋鋼樁選型

整體計(jì)算采用通用有限元軟件SAP2000，假定集裝箱模塊建筑框架梁柱之間的連接、底部橫梁與短柱之間的連接為剛接，集裝箱水平及豎向連接為鉸接，短柱柱腳鉸接，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

在不同的特征周期下，短柱在三個(gè)方向的反力標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。其中：Fx為X向水平反力；Fy為Y向水平反力；Fz為豎向反力；正值表示壓力，負(fù)值表示拉力。

8度(0.2g)地震工況下柱底反力標(biāo)準(zhǔn)值 表1

對(duì)于二層鋼結(jié)構(gòu)集裝箱模塊建筑來(lái)說(shuō)，自振周期T=0.56s，接近特征周期Tg=0.55s。由表1可以看出，當(dāng)TgT時(shí)，地震反力標(biāo)準(zhǔn)值不再繼續(xù)增大。本算例短柱最大反力標(biāo)準(zhǔn)值為86.83kN。根據(jù)短柱反力標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)螺旋鋼樁進(jìn)行選型，表2為典型螺旋鋼樁在一般硬質(zhì)土體中承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

不同規(guī)格及長(zhǎng)度螺旋鋼樁承載力 表2

2.3 風(fēng)荷載工況下的分析

2.3.1 風(fēng)荷載參數(shù)及荷載組合

基本風(fēng)壓w0分別取工程中常用的0.5，0.6，0.7，0.8，0.9kN/m2進(jìn)行計(jì)算分析，B類(lèi)地貌。計(jì)算采用荷載基本組合和荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，荷載基本組合為:1.3DL+1.5LL+1.5×0.6WL，1.3DL+1.5×0.7LL+1.5WL；荷載標(biāo)準(zhǔn)組合為:1.0DL+1.0LL+0.6WL，1.0DL+0.7LL+1.0WL，其中，DL為恒載，LL為活載，WL為風(fēng)載。

2.3.2 整體計(jì)算結(jié)果及螺旋鋼樁選型

不同基本風(fēng)壓下較不利荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下柱底反力標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表3。

風(fēng)荷載工況下柱底反力標(biāo)準(zhǔn)值 表3

驗(yàn)算螺旋鋼樁在本算例中最大受力情況下的水平及豎向承載力：取表2中φ220×8、長(zhǎng)度L為3 000mm的螺旋鋼樁，其水平承載力為3.33kN<60/2=30kN;豎向承載力為83.94kN<175/2=87.5kN。此螺旋鋼樁能夠滿足受力要求。

由地震工況與風(fēng)荷載工況分析結(jié)果可以看出，對(duì)于二層建筑，在較大的地震作用下以及較大的風(fēng)荷載作用下，一般硬土地基條件下，螺旋鋼樁的承載力是可以滿足要求的。當(dāng)超出實(shí)例的最大地震或最大風(fēng)荷載，以及建筑超出6.3m時(shí)，可通過(guò)增加樁的數(shù)量解決，建議實(shí)際工程中應(yīng)用該基礎(chǔ)時(shí)，建筑總的高度不宜超過(guò)9.45m。

3 基礎(chǔ)體系構(gòu)造措施

采用螺旋鋼樁基礎(chǔ)時(shí)，一般在集裝箱與地面之間會(huì)做一段架空層，其目的：一是解決防水問(wèn)題，二是方便管線走線。為避免現(xiàn)場(chǎng)焊接，短柱底部一般通過(guò)法蘭與螺旋鋼樁連接，短柱頂部通過(guò)螺栓節(jié)點(diǎn)與底部橫梁連接，集裝箱連接于底部橫梁上。計(jì)算時(shí)假定短柱頂部與橫梁之間的連接為剛接，但實(shí)際操作很難實(shí)現(xiàn)，可采用增加交叉支撐(交叉支撐的桿件為軟性拉桿)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)架空層的整體性。交叉支撐可采用圓鋼，通過(guò)花籃螺栓施加預(yù)拉力，對(duì)其進(jìn)行預(yù)緊。為避免螺旋鋼樁水平受力不均勻，可在短柱底部增加水平橫桿，用以增加基礎(chǔ)體系的整體性。

交叉支撐可根據(jù)工程實(shí)際情況分散布置，對(duì)于本工程，可采用如圖4所示的布置方式。

圖4 集裝箱模塊建筑及帶柔性支撐螺旋鋼樁基礎(chǔ)立面示意圖

圖5 標(biāo)準(zhǔn)短柱

交叉支撐端部焊接節(jié)點(diǎn)板，通過(guò)螺栓連接于短柱的節(jié)點(diǎn)板之上。短柱可采用標(biāo)準(zhǔn)短柱(圖5)，標(biāo)準(zhǔn)短柱采用鋼管截面，頂部焊接頂板，底部焊接底板，側(cè)面焊接節(jié)點(diǎn)板，在底板之上焊接一水平連接板。實(shí)際安裝時(shí)，根據(jù)需要，可在任意一跨布置柔性支撐及橫桿。采用標(biāo)準(zhǔn)化短柱，此短柱批量生產(chǎn)后可提高加工效率。

圖6 底部橫梁平面和立面布置圖

底部橫梁作為集裝箱與螺旋鋼樁基礎(chǔ)之間的過(guò)渡連接，為方便上下連接及自身拼接，可采用H型鋼截面，在水平面拼接成水平框架。焊接部分在工廠完成，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，采用螺栓拼接節(jié)點(diǎn)。為避免拼接節(jié)點(diǎn)與集裝箱底部互相干擾，底部橫梁連接集裝箱時(shí)，節(jié)點(diǎn)連接部位采用墊板將集裝箱底部墊高，增加底部橫梁拼接節(jié)點(diǎn)螺母的高度空間。底部橫梁平面及立面布置圖分別見(jiàn)圖6。

為保證螺旋鋼樁水平承載力，對(duì)于非臨時(shí)建筑，在集裝箱安裝完成后，可在螺旋鋼樁頂部一定范圍內(nèi)地面做混凝土保護(hù)層，達(dá)到對(duì)樁頂土體保護(hù)的目的。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)螺旋鋼樁應(yīng)用現(xiàn)狀的總結(jié)、螺旋鋼樁在集裝箱模塊建筑中的應(yīng)用計(jì)算及其構(gòu)造設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

(1)螺旋鋼樁作為一種微型鋼結(jié)構(gòu)短樁，在小型構(gòu)筑物中應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，且其承載力計(jì)算方法、防腐蝕措施、檢測(cè)方法均有可遵循的理論及規(guī)范支撐。集裝箱模塊建筑作為一種相對(duì)輕型、全裝配建筑，尤其在層數(shù)較少、臨時(shí)建筑、有工期要求的特殊建筑中應(yīng)用螺旋鋼樁基礎(chǔ)尤為適用。

(2)從受力角度講，螺旋鋼樁基礎(chǔ)用在集裝箱模塊建筑中是可行的，對(duì)于高烈度或風(fēng)速較大的地區(qū)，在常規(guī)使用荷載作用下，建議二層以下建筑采用此種類(lèi)型基礎(chǔ)；對(duì)于地震及風(fēng)荷載較小地區(qū)，在常規(guī)使用荷載作用下，可適當(dāng)加大集裝箱層數(shù)，建議不宜超過(guò)三層；當(dāng)樁基受力超過(guò)螺旋鋼樁最大承載力時(shí)，可通過(guò)增加螺旋鋼樁根數(shù)的方式解決。

(3)從構(gòu)造角度講，螺旋鋼樁基礎(chǔ)全部構(gòu)件都可以實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制，采用全螺栓連接方式，裝配率達(dá)到100%；通過(guò)增加柔性支撐增強(qiáng)基礎(chǔ)底部架空層穩(wěn)定性，采用標(biāo)準(zhǔn)短柱連接，可實(shí)現(xiàn)柔性支撐的靈活布置以及提高構(gòu)件的加工效率。