城市敏感区硬岩地层地铁车站抗拔桩兼立柱桩方案

2021-05-17 15:12
智能城市 2021年7期
关键词:抗拔卸荷浮力

(中交一公局厦门工程有限公司,福建厦门 361021)

1 工程概况

地铁车站建设于闹市区,周边现状建(构)筑物的总量较多,存在浅基础、间距小等问题,如车站外边线与既有建筑的距离未达到2 m。立柱桩施工为重点内容,兼顾工程主体质量及周边居民生产生活的正常开展是基础目标。在传统抗拔桩施工中,一般采用旋挖钻成孔工艺,相对双轮铣工艺,具有噪声大、一次成孔(槽)截面小、对周边环境影响大等特征。本工程施工场地空间狭小,围护结构采用双轮铣成槽施工,可减少设备投入,加大立柱桩的截面,减少桩体结构数量,噪声污染小,不会对周边环境造成过大干扰。

2 基坑开挖对立柱桩的影响

基坑开挖期间,随着土体逐步卸荷,易导致坑内土体出现不同程度的隆起变形现象,坑内立柱桩被迫上抬,严重时将直接断裂,同时支撑体系的变形幅度加剧,内支撑稳定性明显不足,围护结构的变形量增加,易诱发大规模的安全事故。应对立柱桩的受力特性形成准确认识,根据现场地质条件及基坑施工规模等方面的信息,合理设置施工立柱桩,充分发挥立柱桩的受力作用。

3 硬岩地层施工条件下的地铁车站立柱桩方案设计

3.1 立柱桩参数

考虑地面全水头的水浮力,在此条件下验算立柱桩的参数。根据地质勘察资料可知,覆土最小厚度3 m,而关于抗浮设计断面的具体指标以及取值。

车站抗浮计算断面值如表1所示。

表1 本车站抗浮计算断面值

由表1可知,结构自重、覆土重合计为3 488.07 kN/m,结构自重及覆土重抗浮安全系数均在1.05以内,需对其采取切实可行的抗浮措施,具体为增设抗拔桩和压顶梁的方法,两类结构每延米应当具备的抗浮力需达到3 463 kN。在抗拔桩的分布中,中间部分的桩体受力条件特殊,承受1/2车站宽度的浮力,确定每边压顶梁需承受的力,源于1/4车站宽度的浮力。由于立柱桩的受力条件良好,因此将其作为抗拔桩使用,截面尺寸为1 m×2.8 m,配筋为76根Φ28的钢筋,桩长为12 m。

抗拔桩侧摩阻力计算如表2所示。

表2 抗拔桩侧摩阻力计算

由表2可知,单根抗拔桩的抗拔力为10 416 kN,抗拔桩拔力标准值为6 584 kN,该值满足要求。

3.2 车站整体浮力分析

3.2.1 施工监测

基坑内的土体伴有持续的卸荷现象,导致坑周土体的应力状态随时间的推移而发生变化,支撑和立柱桩的受力状态有所改变,应加强施工监测,以便判断立柱桩的隆沉量,作为施工的参考依据。混凝土施工中,在立柱处埋设60 cm的钢筋,外露部分1 cm,采用水准测量的方法,根据测量结果对立柱桩、所处的支撑体系的稳定性进行判断。

3.2.2 时空分析

开挖深度的逐步增加将导致立柱桩的隆沉量发生变化,基坑开挖初期,立柱和立柱桩可相互配合,发挥抗隆的作用,在上部荷载的作用下,立柱桩存在小幅度的沉降现象。随着基坑开挖进程的持续推进,当其达到8 m时,立柱表现出隆起现象;开挖深度在8~14m 时,立柱的隆起速率大幅度增加[1]。

在该受力关系下,相邻立柱桩存在明显的差异沉降,支撑梁受力难以共处相同的平面,由于立柱与支撑节点间存在附加应力,可能会出现结构开裂的情况。应适当加大配筋量,通过此方式提高节点的强度和刚度。待开挖至基坑底部时,立柱经过前期的持续隆起,已达到最大值,后续逐步趋于稳定。在立柱桩隆起全过程中,最后一层土的开挖为最薄弱的环节,是重点控制对象。

3.3 车站立柱桩整体沉降规律

立柱桩的隆沉存在明显的时空效应,相邻立柱桩均存在隆沉现象,但其幅度存在差异,加大立柱桩的差异性沉降。通过钢系梁的应用,可以连接各立柱桩,使其构成整体结构,加之基坑围护结构的协同作用,营造安全的施工环境。若立柱桩间的差异沉降过大,会加剧钢系梁的受损程度,导致立柱桩围护系统难以完全发挥承载作用。结合地铁车站深基坑施工经验,差异沉降不宜超过20 mm,同时需满足不超过1/400柱距的要求。若差异沉降过大,会导致围护结构的附加应力大幅度增加,由此出现较明显的剪力和弯矩,在部分特殊的施工环境中,会干扰基坑开挖的稳定性。对此,需要准确探索立柱桩的沉降规律,制定合适的施工方案。

3.4 立柱桩位移分析

基坑开挖全流程中,土体位移的变化在各阶段均有其特定的表现,开挖初期虽然存在土体卸荷现象,但卸荷量相对较小,土体位移量微弱,开挖深度逐步加大,坑底的土体会发生较大幅度的变化。对于立柱桩的竖向隆沉效应,其主导因素在于基坑内土体回弹影响深度和桩长。因此,若可有效控制立柱桩的插入深度(满足桩长超过坑底土体回弹影响深度的要求),可发挥立柱桩下端摩阻力的应用优势,提供抗上浮力,减小立柱桩的隆沉量[2]。在设计中,应重点考虑立柱桩的插入比及土体加固深度。

(1)立柱桩插入比。硬岩地层施工条件下,以1∶1.5为宜,此时立柱桩的隆起量可以减少24.93%;若插入比超过1∶1.5,此时隆沉量虽存在变化但幅度较小,因此不宜超过该值,避免建筑材料投入量过大而实际应用效果甚微。

(2)土体加固深度。以3 m较为合适,此条件下立柱桩的隆起量可减少19.90%。若坑底土体加固达到3 m且立柱桩隆沉量可以满足要求,无须额外采取增加土体加固深度的方法。

4 结语

综上所述,基坑开挖期间,受土体卸荷的影响,立柱桩将产生隆沉效应,导致支撑的跨中挠度改变,支撑的附加弯矩较大。通过对立柱桩隆沉问题的分析,采取相应的方案,可营造安全的基坑开挖施工环境,减少围护钢筋配筋量,可保障建筑安全,提升施工质量、效益。

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