基坑围护桩与池壁共同作用的水池设计

邓安妍

（南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210000）

随着城市的发展，管网越来越完善，生活污水水量逐渐增加，尤其是夏季，过多出水量导致溢流的情况经常出现，因此越来越多的污水处理厂需要进行改造，以满足最大水量要求。有些项目进行技术改造后，按照所有水泵满负荷运行仍不能满足要求，因此需要新建单体设计。通常厂内空间有限，新建单体的同时，原有单体不能停产，给设计和施工都带来挑战。为满足厂内有限空间的要求，围护桩与池壁经常需要紧贴设计，因此须对围护桩与池壁间的受力状态以及作用分担情况进行深入研究。

本文利用大型岩土软件MIDAS GTS NX对某工程粗格栅及进水泵房建立泵站结构、围护桩和周围土层整体进行三维模型和研究，得到的结论可为同类工程设计提供参考。

咬合桩的工作机理为钢筋混凝土桩与素混凝土桩切割咬合，桩与桩间排列形成相互咬合的桩墙，桩与桩间可在一定程度上传递剪力[1]。排桩应采用隔桩施工，施工时先施工副桩再施工主桩，并要求副桩的超缓凝混凝土在初凝前必须完成主桩施工。当主桩施工时采用全套管钻机切割掉相邻副桩相交部分的素混凝土，从而实现咬合。

1 工程概况

该工程为四川省某市污水处理厂，工程规模为10万m³/d，日总变化系数1.30，日处理峰值系数1.20。该技改工程中的粗格栅及进水泵房单体原有1座，已经按4.5万m³/d规模建成，随着生活污水水量的不断增加，远期生活污水量将增至5万m³/d，考虑生活水量总变化系数，须新建一座新的泵房，并与现状进水井、现状粗格栅以及进水泵房出水管联通互为备用。在改扩建的过程中，须注意施工组织顺序，编制合理优化的施工组织方案。对邻近的构建筑物要进行保护[2]。

2 设计内容

根据工艺专业条件，结合地质和周边环境情况，设计泵房尺寸12m×6.2m×10.4m，壁板厚度为800mm，底板厚度为1000mm，为钢筋混凝土水池结构。空间有限，因此未进行飞边设计。新建溢流井尺寸4.75m×3.3m×9.9m，整个基坑呈不规则凸出形状，基坑距离现状溢流井、现状粗格栅及进水泵房、现状管道和检查井较近，设计废除临近检查井和管道，后期结合新建泵房对拆除部分进行重建，恢复功能。新建泵房基坑开挖会对周围已有构筑物产生影响，现状场地狭窄，因此设计采用支护开挖施工方式，基坑采用φ800钻（冲）孔灌注桩作为支护结构，同时灌注桩咬合兼做止水帷幕，底部采用注浆加固。本工程设计地坪标高为474.30m，坑底标高为463.90m，总埋深10.40m。基坑冠梁中心标高处设置钢筋混凝土斜撑和对撑，下部设置HM型钢临时支撑，型钢临时支撑水平方向不少于6道，竖向不少于2道，型钢采用壁厚≥14mm，围檩不小于500mm×500mm“H”形钢。主要施工顺序须根据总体施工安排，首先进行基坑围护结构施工，其次开挖基坑土方，最后进行主体结构施工。围护结构主要有以下施工步骤（在整平、围挡施工场地等前期准备工作后）。1）关闭现状泵站、溢流井阀门。2）施工四周围护桩。3）基坑开挖至冠梁底标高，施工冠梁及混凝土支撑梁。4）进行型钢临时支撑，基坑开挖至基底设计标高，泵房、井底部喷浆封底加固，及时施工垫层、结构底板及部分侧墙。连接溢流井、现状泵房的钢筋混凝土管内套钢管施工。5）第一次浇筑的底板及部分侧墙砼达到设计值后，继续施工侧墙至冠梁下方。井与泵房间的基坑应在侧墙达到设计强度后，临时支撑拆除前回填土密实。6）侧墙达到设计强度后，回填土方。

3 建立数值模型

3.1 有限元几何模型

本文采用专业岩土工程分析软件MIDAS GTS NX对拟建基坑开挖过程进行了三维精细化建模。将开挖深度的3～5倍作为基坑开挖数值模拟的影响范围，有限元模型尺寸为50m×42m×30m，如图1所示。为得到3个方向上质量较高的网格，减少畸变网格的产生，当划分网格时采用计算精度较高的“四面体”网格，分别对基坑处进行局部加密，坑外土体网格尺寸为3.0m，坑内土体尺寸为1.0m。整个模型四周约束法向位移，底部采用固定约束，考虑地下水位的影响（设置地下水位在地表以下0.5m），在四周施加固定水头边界，整个模型共23565个节点，138259个单元。

为充分考虑围护桩体系（主副桩交叉）在基坑开挖过程中承担侧向土压力，同时在水池建成后，池壁与桩体叠合后，仍然能与池体共同作用分担侧向土压力，因此，在实际设计中，在满足池体抗浮工况下可减少壁板厚度，本次取外侧壁板500mm，底板650mm，中隔墙300mm，比传统不考虑桩—池壁共同作用设计减少约30%。

3.2 计算参数

根据工程的地质勘察报告，将土层按深度范围内的力学性质简化为6个土层，采用模拟土体卸载特性较好的修正摩尔-库伦模型本构，共包括11个计算参数：标准排水三轴试验中的线切割刚度Eref50、主固结仪加载中的切线刚度Erefoed、重新加载刚度Erefur、压缩模量Es、刚度应力水平相关幂指数m、重度γ、泊松比v、黏聚力c、内摩擦角φ、正常固结下的侧压力系数K0、参考压力Pref，各土层力学参数见表1。结构的计算参数：钻孔灌注桩、混凝土支撑以及池体结构采用C30钢筋混凝土，弹性模量E按混凝土结构设计规范设置为30GPa，混凝土重度按钢筋混凝土水池结构设计规程设置为25kN/m³，泊松比0.25。钢支撑、钢围檩采用HM型钢，弹性模量E为200GPa，重度为78.5kN/m³，泊松比0.20。

表1 各土层力学参数

3.3 计算工况的设置

根据设计图纸，按实际施工的工况，首先进行四周围护桩的施工，其次放坡开挖至围护桩顶标高，施工冠梁及砼支撑，开挖至基底，施做临时钢支撑并进行袖阀管坑底注浆，最后施工水池主体结构，待侧墙达到设计强度后回填。模拟中将其简化为3层开挖，开挖前先将坑内地下水位降至坑下0.5m处。通过对网格单元以及边界（包括渗流边界）进行激活和钝化、施加荷载来完成整个流固耦合的基坑开挖过程。其中考虑20kPa面荷载施作用。施工过程的数值模拟工况见表2。

表2 施工过程的数值模拟工况

4 计算结果分析

4.1 围护桩与池体变形分析

通过数值模拟，池壁位移如图2所示，由于先放坡开挖再进行支护，因此开挖围护桩的最大侧移δhmax始终在桩顶位置，随着开挖逐渐变大，开挖完成后δhmax=7.58mm。在水池主体结构施工完成、回填后，桩顶变形为δhmax=6.41mm，而此时池体最大侧移在相同位置约为6.24mm。两者结构共同受力，变形协调。桩身位置和池体下部变形较小约2～3mm，池体与围护桩基本保持一致。

图2 池壁位移图

4.2 围护桩与池体内力分析

通过数值模拟，X、Y方向的池壁弯矩如图3、图4所示。在模拟过程中给出了开挖过程及水池结构施工、回填后的围护结构和水池壁板的弯矩云图。随着开挖的进行，此时水池尚未施工，围护结构弯矩在X、Y方向上的弯矩变化一致，X向Mmax=67kN·m，Y向Mmax=67kN·m，并且弯矩作用最大值点随开挖下移，符合基坑支护的一般变形规律。随着水平支撑的拆除，作用在桩身的土压力由悬臂的桩体及水池壁板（包括隔墙）共同承担。此时跨度最大的壁板承担更大弯矩，Y向桩体承担弯矩Mmax=78kN·m，池壁承担弯矩Mmax=59.38kN·m。

图3 X方向弯矩

图4 Y方向弯矩

4.3 常规设计

在传统设计中，为简化计算，以单块矩形板受力形式来计算池壁配筋，该水池最长跨度板为Y方向上侧壁板为8.8m×9.4m，最不利工况为池内无水，池外有土，池壁外侧受三角形荷载q=132.60kN/m2（池内满水工况略），支撑条件为一边简支，三边固定[5]。

荷载设计值=γG×恒载+γQ×γl×活载，通过理正结构计算软件可以得到该板底部受到弯矩370.6kN·m，两侧受到弯矩313.7kN·m。

5 经济效益

与传统计算方法相比，考虑灌注桩与池体共同作用后，池壁弯矩减少，从而配筋减少，以单位长度计算，不考虑桩-池壁共同作用工况，壁厚设计为800mm，水平向最大弯矩为313.70kN·m，配筋采用22@100。考虑桩-池壁共同作用，壁厚采用500mm，最大跨度板桩承担弯矩80kN·m，池壁承担50kN·m，配筋采用18@100。

6 结论

本文通过某工程粗格栅及进水泵房结构三维模型的数值模拟分析，得出以下结论。1）当采用钻孔灌注桩作为水池结构深基坑支护方式时，桩体不仅能在开挖过程中起到限制土体侧向位移的作用，还能在水池建成后与池壁共同作用，分担池壁侧向土压力。在支护结构设计工作年限与构筑物结构设计工作年限一致的情况下，可考虑按支护结构与池壁共同受力进行设计。2）桩体与池壁共同作用后，两者变形协调。3）实际类似工程中，在满足一定条件下，不能忽略围护桩体在后续水池结构中的受力作用，桩—池壁共同作用可减少池壁厚度和配筋，从而节约造价。

随着污水处理量的增加，目前污水处理厂改造项目越来越多。在条件受限的情况下，应进行多方案比选，提出切实可行且经济合理的设计方案，并不断探索和尝试新方法和新工艺，不断积累设计和施工经验，以期为后续的改造项目提供参考。