考慮水泥土剛度的預制矩形樁在基坑工程的應用

陳 晨

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

1 矩形樁與水泥土相互作用原理

假設水泥土與矩形樁組合結(jié)構(gòu)截面在荷載的作用下發(fā)生形變?nèi)栽谕粋€面內(nèi)，不考慮水泥土與矩形樁之間的滑移，忽略材料的溫度、收縮等因素對材料產(chǎn)生的不利影響且兩種材料在外力的作用下變形具有相同的曲率，水泥土與矩形樁在荷載的作用下可分為以下四個階段：

第一階段：水泥土與矩形樁均為彈性；

第二階段：受拉區(qū)水泥土發(fā)生開裂，矩形樁仍為彈性；

第三階段：矩形樁單獨工作階段；

第四階段：組合結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

當水泥土與矩形樁均處于第一階段時，兩者均處于彈性階段，此時水泥土與矩形樁組合結(jié)構(gòu)剛度可表示為：

式中B為組合剛度；Es，Eh為水泥土、矩形樁彈性模量；IS、Ih為水泥土、矩形樁截面慣性矩。

但實際工程中，水泥土與矩形樁均不可能處于理想的彈性狀態(tài)，參考鄭剛等人進行型鋼與水泥土抗彎試驗研究[1]，水泥土與矩形樁組合剛度可表示為：

式中Bini為考慮水泥土剛度貢獻系數(shù)的組合剛度；α為水泥土剛度貢獻系數(shù)。

2 工程實例研究

2.1 工程概況

本項目位于上海市，基坑開挖深度范圍內(nèi)分部的土層主要有素填土及局部分布的浜底淤泥、灰黃色黏土、淤泥質(zhì)粘性土及砂質(zhì)粉土?；酉虏糠植加杏倌噘|(zhì)黏土、軟塑粘性土，土的基本物理力學參數(shù)見表1。場地地下水位埋深為0.5～0.7m。

表1 土的物理力學參數(shù)

2.2 基坑支護的圍護結(jié)構(gòu)設計

本文選取項目基坑開挖深度約6.95米，基坑安全等級三級。豎向圍護結(jié)構(gòu)采用850mm厚水泥土墻內(nèi)插650*300預制矩形樁，矩形樁間距600mm。水平內(nèi)支撐采用一道型鋼內(nèi)支撐，圍護結(jié)構(gòu)設計采用啟明星FRWS進行設計，對考慮水泥土強度及不考慮水泥土強度作用的情況分別進行計算。預制矩形樁采用C30混凝土，水泥土彈性模量取2000Mpa。計算時采用剛度等效的方法將矩形樁以及水泥土+矩形樁的組合結(jié)構(gòu)等效成地下連續(xù)墻來計算。

僅考慮矩形樁剛度時，將矩形樁換算成單位長度的地下連續(xù)墻，假設地下連續(xù)墻厚度為h，彈性模量為Ec，根據(jù)剛度等效原則可得：

考慮水泥土剛度時，將水泥土與矩形樁組合截面換算成單位長度地下連續(xù)墻，假設地下連續(xù)墻厚度為h，彈性模量為Ec，根據(jù)剛度等效原則可得：

設計計算工況如下：

工況1：開挖至支撐標高以下0.5m；

工況2：架設型鋼內(nèi)支撐；

工況3：開挖至坑底；

工況4：底板換撐；

工況5：拆除型鋼支撐。

經(jīng)計算，兩種情況圍護結(jié)構(gòu)變化規(guī)律基本一致，安裝內(nèi)支撐前，圍護結(jié)構(gòu)處于懸臂狀態(tài)，最大位移在樁頂位置處，隨著深度的增加逐漸減小。因此工況位移較小，水泥土的作用未完全發(fā)揮，考慮水泥土作用的矩形樁水平位移略小于僅考慮矩形樁剛度的情況。基坑開挖到底后，因為支撐的約束作用，無論是否考慮水泥土強度的影響，矩形樁樁頂位移均僅有少量增加。整個樁身位移呈兩端小中間大的凸形，最大位移在坑底位置附近。此時考慮水泥土剛度的矩形樁計算得到的深層水平位移最大值為25.6mm，未考慮水泥土作用時，深層水平位移最大值為27.7mm，兩者相比最大位移減少了約8%。

2.3 水泥土剛度貢獻系數(shù)的確定

在實際工程中，如計算時未考慮水泥土作用時，得到的結(jié)果偏保守，深層水平位移偏大，不考慮水泥土剛度折減時，由于水泥土性質(zhì)為非線性，當位移過大的情況下，會高估水泥土對矩形樁的剛度作用。根據(jù)王建[2]等人給出的水泥土剛度系數(shù)曲線分別計算系數(shù)時矩形樁的深層水平位移，與之對應的計算位移最大值分別為：27.2mm、26.6mm、26.2mm、25.9mm。由于基坑工程中圍護樁最大水平位移對基坑及周邊環(huán)境影響最大，因而通過考慮不同水泥土剛度作用的最大深層水平位移與現(xiàn)場監(jiān)測值進行對比，得出大致的水泥土剛度貢獻系數(shù)。隨著基坑的開挖，樁身最大水平位移實測值為26.3mm。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，當水泥土剛度貢獻系數(shù)=0.7時，計算出的豎向圍護最大深層水平最大值與監(jiān)測值最接近。

3 結(jié)論

1）通過啟明星FRWS計算發(fā)現(xiàn)，水泥土剛度提高了豎向圍護結(jié)構(gòu)的整體剛度，考慮水泥土剛度相較于只考慮矩形樁的情況，最大深層水平位移減小了8%。

2）通過對剛度貢獻系數(shù)取不同值計算，與樁身深層水平位移監(jiān)測值比較發(fā)現(xiàn)，當時，計算出的深層水平位移最大值與監(jiān)測值最為相近。

3）豎向圍護設計時，考慮基坑工程的復雜性，影響因素較多，不能做到計算值與實測值一致但仍可為今后類似相關工程設計提供參考。