深基坑悬臂式挡土灌注桩设计

李秉琴

（中铁十六局集团第二工程有限公司， 天津 300162）

1 概况

新建石家庄至济南铁路客运专线衡景特大桥上跨大广高速公路，衡景特大桥114#、115#墩临近大广高速公路路基边坡。为保证基坑施工安全，防止因基坑开挖造成大广高速公路路面失稳，决定采用钻孔灌注桩进行基坑防护，不设内部支撑。

2 车辆荷载换算

将车辆荷载按均布荷载考虑，换算成均布土层，车辆荷载作用在防护桩后面引起的土体侧压力按等代均布土层厚度计算。

换算均布土层厚度可直接由防护桩悬臂高度确定的附加荷载强度计算：

h0= q/γ

式中：h0－换算土层厚度(m)；

q－车辆荷载附加荷载强度：墙高小于2m，取20kN/m2；墙高大于10m，取10kN/m2；根据直线内插法计算，本工程防护桩悬臂高度等于基坑深度h=7m，综合考虑后取q=15 kN/m2。

γ－墙背填土的重度（kN/m3），取18 KN/m3。

则： h0= q/γ=15/18=0.83(m)

3 灌注桩长度计算

计算参数：h=7.0m，桩后土体内摩擦角φ=30°，假定土质均匀,忽略土内聚力C 的影响，忽略地下水的作用。

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

主动土压力系数：Ka=tg2（45-30/2）=0.33

被动土压力系数：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）

主动土压力合计：

∑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

主动土压力合力作用点距离原地面位置 ：

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）

被动土压力：Ep=γ′χ2(Kp- Ka)/2

根据布氏（H.Blum）研究理论，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 值查布氏理论曲线可得：ω=0.77

则：χ=ωl=0.77×7.96=6.13（m）

桩入土深度： t=μ＋1.2χ=0.96+6.13×1.2=8.3（m）

钻孔灌注桩总长： L=h+t=7+8.3=15.3m

4 灌注桩截面及配筋计算

4.1 最大弯矩

首先求最大弯矩发生的位置： 设最大弯矩发生在0 点以下χm 位置上, 则由该处剪力等于零可得：∑Ea-γ′χm2(Kp- Ka)/2=0

则：

最大弯矩为：

4.2 截面及配筋计算

根据工程实际，本工程灌注桩受拉侧是固定的，即靠近高速公路一侧，采用不均匀配筋方式。灌注桩直径D=1.25m，采用C25 混凝土，则fc =11.9N/mm2,采用HRB335 钢筋，则fy=300 N/mm2。

等效矩形截面边长：b=0.876D=1.25×0.876=1.095m=1095mm

取保护层厚度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

根据as查《简明施工计算手册》P232 表4-20 可得：γs=0.957

求受拉钢筋截面面积：As=M/(γsfyHo)= 1131.3×106/（0.957×300×1025）=3844mm2

选配纵向受拉钢筋，选择现场已经采购的Φ22mm 钢筋，单筋面积：A=379.9mm2求钢筋根数：n=As/A=3844/379.9=10.12，取n=10 根。

另在受压区配置5Φ22mm 的构造钢筋，箍筋采用Φ8@200 圆钢。

5 稳定性验算

5.1 坑底隆起验算

假设土层为中硬黏土，取黏聚力c=30kpa，为了更安全，不考虑土体与桩间的摩擦力以及桩后土体破坏面的阻力，则：K=2πc/（q+γh）=2×3.14×30/（15+18×7）=1.34＞1.2

故坑底不会发生隆起。

5.2 坑底管涌验算

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

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

故坑底不会发生管涌现象。

5.3 施工注意事项

1.采用等效矩形截面配筋的挡土混凝土灌注桩，成孔后吊放钢筋笼，受力钢筋必须安放在桩的受拉一侧，防止钢筋笼错位或扭转，避免钢筋位置不对造成灌注桩受力时破坏。

2.灌注桩桩间净距0.25m，为确保整体性，在桩顶设冠梁，内部不设水平支撑。基坑底部采用20cm 素混凝土封底，坑内四周设排水明沟和集水坑，以便及时抽出积水。灌注桩外侧沿基坑四周插入一圈拉森钢板桩，防止周围地下水沿灌注桩之间的缝隙进入基坑。

3.由于工程紧邻高速公路，施工过程中可采用高度较小的反循环钻机成孔，防止机械倾覆到高速公路上，钢筋笼采用分段吊装，减小吊车伸展高度。

4.开挖过程中，随时监测高速公路路面、挡土灌注桩及周围地面的沉降值和变形值，发现异常及时采取施加内支撑、坑内回填土等应急措施。

6 结论

2014 年10 月底，该工程全部施工完成。在施工过程中，定时对基坑周边地面、桩顶冠梁及高速公路路面进行沉降及变形观测，所有数值均在规范允许范围内，验证了该设计方案的科学性及可行性。在随后施工的另外两处连续梁工程中，由于桥墩基坑紧邻市区主干道路，开挖深度较大，安全风险较高，项目继续采用该方法进行了设计和施工，取得了良好效果。