天津某地下交通中心工程桩基础优化设计探讨

2012-09-04胡奇凡

铁道标准设计 2012年1期

关键词：工程桩抗拔试桩

胡奇凡

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 工程概况

1.1 设计概述

天津某地下交通中心工程由单层和双层多跨框架结构组成，单层基坑开挖深度12.65 m，双层基坑开挖深度22.66 m，呈东西走向长条形布置，南北宽约36.2～82.2 m，详见图1。

图1 某交通中心工程结构平面(单位:mm)

1.2 工程及水文地质条件

本工程场地地质勘察所涉及110 m深度范围内均为第四纪松散沉积物，一般具有成层分布的特点，自上而下为第四系全新统人工填土层(人工堆积Qml)，第Ⅰ陆相层(第四系全新统上组河床～河漫滩相沉积Q43al)、第Ⅰ海相层(第四系全新统中组浅海相沉积Q42m)、第Ⅱ陆相层(第四系全新统下组沼泽相沉积Q41h及河床～河漫滩相沉积Q41al)、第Ⅲ陆相层(第四系上更新统五组河床～河漫滩相沉积Q3eal)、第Ⅱ海相层(第四系上更新统四组滨海～潮汐带相沉积Q3dmc)、第Ⅳ陆相层(第四系上更新统三组河床～河漫滩相沉积Q3cal)、第Ⅲ海相层(第四系上更新统二组浅海～滨海相沉积Q3bm)、第Ⅴ陆相层(第四系上更新统一组河床～河漫滩相沉积Q3aal)、第Ⅳ海相层(第四系中更新统上组滨海三角洲相沉积Q22mc)、第Ⅵ陆相层(第四系中更新统中组河床～河漫滩相沉积Q22al)。

场地内揭示的潜水含水层主要为全新统中组海相层(Q42m)⑥层及其以上土层，主要由⑥2、⑥4层粉质黏土、⑥3、⑥5层粉土及④层粉质黏土、表部人工填土组成，以全新统下组湖沼相(Q41h)沉积⑦层粉质黏土和河床～河漫滩相(Q41al)沉积⑧1层为相对隔水底板;静止水位埋深一般0.50～4.90 m(高程-0.93～+1.92 m)。潜水主要接受大气降水、河流和塘补给，以蒸发形式排泄，水位随季节、气候、潮汐有所变化。一般年变幅在0.50～1.00 m，本工程抗浮设计水位为+3.00 m。

1.3 基础设计概述

地勘资料揭示，本工程场地基坑下为饱和的粉土和粉砂，适宜采用钻孔桩，各土层钻孔灌注桩桩基设计参数详见表1。

表1 桩基设计参数一览(钻孔灌注桩)

本工程采用盖挖法施工，立柱采用钢管混凝土柱，下设钻孔灌注基础桩，单桩单柱，仅在局部设置施工阶段临时柱，柱下设钻孔灌注桩。该方案桩柱一次完成，结构体系转换次数少，便于过程控制。

2 桩基础设计

2.1 工程桩承载力设计值

结构受力分析采用大型数值模拟软件MADIS GEN 780进行整体三维数值模拟分析，模拟过程严格按实际开挖的施工步骤进行，并提取全过程中单桩最大的抗压和抗拔荷载作为设计依据。模型中工程桩采用竖向弹簧模拟，根据该工程周边工程桩基的实测资料，从工程类比的角度出发，弹簧刚度取为1.2×109N/m;设计中利用有限元数值模拟分析软件SAP84对多个结构横断面进行受力分析，以验证三维模型的准确性，最终结合三维和二维模拟分析的结果确定工程桩的承载力设计值。数值模拟模型详见图2、图3，工程桩承载力设计值见表2。

图2 MADIS GEN三维模型

图3 SAP84二维模型

2.2 直桩不注浆方案设计

对表2中各种工程桩进行设计，统一按桩径φ2 200 mm钻孔灌注桩直桩无注浆方案设计，选取的有代表性地质钻孔资料如表3所示。

表2 工程桩承载力设计值

表3 SXJB地质钻孔

续表3

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)，钻孔灌注桩大直径桩单桩极限抗压承载力标准值Quk和极限抗拔承载力Tuk分别如式(1)、式(2)所示

式中 Qgsk——总极限侧阻力标准值;

Qgpk——总极限端阻力标准值;

u——桩身周长;

li——桩周第i层土的厚度;

Ap——桩端面积;

λi——抗拔系数;

qsik——桩侧第i层土极限侧阻力标准值;

qpk——桩径为 800 mm时的极限端阻力标准值;

ψsi、ψp——分别为大直径桩侧阻力，端阻力尺寸效应系数;

βsi、βp——分别为后注浆侧阻力，端阻力增强系数，为进行注浆，均取值为1。

各桩的抗压、抗拔设计桩长详见表4。

表4 φ2 200 mm钻孔灌注桩直桩方案计算桩长

计算表明:S2号桩最短57.5 m，加上基坑深度，钻孔深度将达到70 m以上，S3号、S4号和S5号工程桩设计桩长超出地质勘查探明地层范围，因此，工程桩整体均偏长，必须进行优化设计。

2.3 优化设计

工程桩的极限承载力主要受桩身强度、桩周土的物理力学性质，以及桩土接触面的几何特性等3方面影响。随着混凝土质量的不断提高，桩身强度已不是控制桩基强度的关键因素，提高桩基的极限承载力主要从提高桩周土力学性质和改善桩土接触面几何特性入手，前者普遍应用的方法为桩侧和桩尖后注浆技术，后者主要从改变桩体形状入手，如常见的挤扩支盘桩，旋挖扩孔桩等。

采用桩侧和桩尖注浆方案提高1号桩和2号桩的桩周土体承载力以减小桩长;在3号桩、4号桩和5号桩的桩尖和桩身设置两扩大头，扩头直径3200 mm，同时对桩侧和桩尖进行全断面注浆，以增强桩侧土的力学性质，改善桩土接触面特性。

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)相关规定，抗压桩变截面以上2d(d为桩径)范围内土体不计摩阻力，抗拔桩变截面以上6d范围内桩侧土破坏面周长按πD(D为扩大头直径)计算，粉质黏土桩侧后注浆增强系数和桩端后注浆增强系数分别取1.4和2.2，砂类土桩侧后注浆增强系数和桩端后注浆增强系数分别取1.8和2.4。计算得优化后的桩长详见表5。

表5 优化后计算桩长

3 试桩及结果分析

3.1 试桩方案

为确保桩基设计满足承载力要求，对工程桩进行了试桩实验，试桩分别针对2号桩和4号桩进行，其中2号桩两根，桩长均为38 m，编号S1、S2，4号桩3根，桩长35、37 m和40 m，编号分别为S3、S4和S5。试桩后压浆控制参数见表6。

表6 试桩后压浆控制参数

根据2号桩桩长抗压控制，4号桩桩长抗拔控制的特点，按照《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106—2003)的有关规定，2号桩单桩竖向抗压静荷载试验采用压重平台反力装置，即由压重平台提供反力通过试桩钢梁及6台500 t并联液压千斤顶对试桩进行竖向抗压荷载试验，试验采用静载荷测试仪，采用压力传感器直接测定压力，试桩沉降采用4块位移传感器记录，基准梁采用钢质，长14 m，试验装置如图4所示。

4号桩抗拔试验采用自平衡法进行，试验荷载箱由荷兰Tomer Systems B.V.(通莫系统有限公司)研制开发，并由杭州欧感科技有限公司引进和改制的，试验装置如图5所示。

图6 桩身传感器布置

图4 单桩竖向抗压静荷载试验装置示意

图5 自平衡法试桩示意

为精确测定试桩桩周各土层侧摩阻力和桩尖阻力，在桩钢筋笼绑扎后固定振弦式传感器于钢筋笼上，留出足够长度的线头与振弦式传感器读数仪连接，静载试验时进行桩身内力测试，桩身传感器布置详见图6。

3.2 试桩结果分析

根据桩身轴力测试结果，计算得桩在承载力极限状态时，桩侧摩阻力及端阻力统计结果详见表7～表11。

根据S1、S2号桩试桩结果，考虑到大直径扩孔桩侧阻力和端阻力尺寸效应，按照《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)对桩侧各土层的实测极限承载力进行修正并与地质勘查获得极限承载力进行对比，详见表12，扩头所占承载力比例详见表13。

表7 S1号桩试桩结果

表8 S2号桩试桩结果

表9 S3号桩试桩结果

表10 S4号桩试桩结果

表11 S5号桩试桩结果

表12 桩侧、桩端注浆土层极限承载力统计

表13 扩头区极限承载力统计

表12结果表明，桩侧注浆使各土层极限承载力均得到了较大提高，对于黏性土，侧阻力增强系数介于1.38～1.74，砂性土侧阻力增强系数介于1.42～1.95，并且随着土层埋深的增加，侧阻力增强系数呈逐渐增大趋势;桩端土的极限端阻力增强系数为2.002。因此，桩侧和桩端注浆对提高桩的极限承载力有明显的积极作用。

表13结果表明，在桩身和桩端设置的扩大头提供的抗拔力占抗拔桩总抗拔力的35.85% ～42.00%，而扩头的侧面积仅为桩身侧面积的7.3% ～8.3%，因此扩大头的侧压效应对抗拔力的贡献较大，设置扩大头对提高桩的抗拔能力具有明显效果，并且随着桩长增加，扩头提供抗拔力的比例呈减小趋势。