地铁抗浮桩设计详解
随着我国地铁建设的逐步兴起,地铁车站的功能不再单一而呈现出多样化发展的趋势。地铁车站为满足功能(如地下高大空间)的要求,这就可能引起车站顶板覆土偏薄。进而引出地下车站的抗浮问题。某地铁车站为“十”字换乘车站。公交接驳部分由于受其功能的影响,顶板上部覆土仪0.7m~1.0m换乘部分为地下三层:经抗浮验算,车站不能满足抗浮要求,需在设计中考虑抗浮措施。
本文通过对地铁地下车站抗浮措施的探讨,以及采用大直径人挖孔桩作为抗拔桩的设计过程,讨论了抗拔桩设计中应考虑的各种因素:
一、工程概况
某地铁车站南侧紧邻深圳某著名旅游景点,附近高楼大厦林立。北侧主要为居民区及商贸区,东缘地面紧靠横跨深南大道的某观光轨道。该车站位于深南大道正下方,为1号线临时终点站,与规划中的2号线呈“十”字交叉换乘。
车站设1、2号线联络线及站后折返线(明挖),利用该明挖站后折返线上空设置公交接驳站。车站净长334m,公交接驳部分地下一层净宽48.0m,地铁车站部分地下一层净宽45.0m。车站二层部分的典型横断面为倒“凸”型,换乘节点处为地下三层。车站主体结构采用多跨全现浇钢筋混凝土框架结构形式。
车站地下一层围护结构形式,结合地质情况,并考虑深南大道的交通疏解及两侧的管线分布情况,南侧采用人工挖孔桩围护,北侧采用土钉墙。地下二、三层采用人工挖孔桩围护。
二、地质概况
站址区地貌北侧为台地,南侧为海冲积平原,后经人工改造,原地貌特征发生很大变化。现地势东高西低,北高南低,地形起伏较大。车站东端地下有人行通道(位于车站范围内)和车行通道。站址区地下各种管道、管线纵横交错。站址区内地质情况复杂,土层分布较多,依据其成因,从上至下依次为:1)人工堆积层;2)坡洪积层;3)海冲积层;4)第四系残积层;5)燕山期花岗岩。
以上每一土层内又有若干各种性状的土层分布,与本文所探讨的抗拔桩设计关系密切的主要为第四系残积层:(1)砂质粘性土:主要为紫色、紫红色、褐紫色、褐黄色、褐红色,坚硬～流塑。层厚0m～21.8m,呈透镜体状分布。(2)砾质粘性土:主要为褐黄色、褐红色间杂灰白色,坚硬～流塑。该层为场区主要地层,广泛分布,层位稳定,揭示厚度0m～21.0m,局部分布花岗岩风化残留体。本车站桩周土层(第四系残积层)的摩擦力设计值见表1:
注:
①此表适用于打入式预制桩和内击式沉管灌注桩;
②对外击式沉管桩,冲、挖、钻孔灌注桩,宜取表中范围值的下限值;
③IL为花岗岩残积土细粒土的液性指数,根据物理力学统计表及土工试验报告确定。
三、地铁车站的抗浮措施比较
地铁地下车站的抗浮措施,目前有两种做法:一是在结构底部设置抗拔措施,诸如本文谈到的抗拔桩,此外还有抗拔锚索、砂浆锚杆等;二是在结构板底设置反滤层、盲沟等措施。
这两种措施的各项特性比较见表2:
通过以上综合比较,不难得出结论:对本车站,采用抗拔桩方案较优。
四、抗浮桩设计过程简介
1、抗浮验算
限于篇幅,仅取本车站公交接驳部分的抗拔验算及抗拔桩的设计过程加以简要说明。
抗拔力计算。取8.1m宽柱距计算抗拔力。地下一层为全包防水设计,不计入围护桩及侧墙的摩阻力。暂不计入抗拔桩时,抗拔力由以下部分提供:
(1)顶板以上覆土(厚度按0.7m计):4896.8kN;
(2)主体结构自重:27075.3kN;
(3)车站其它部分自重,如地下一层公交接驳部分的板面装修层(按最薄处250㎜厚砂浆计)、地下二层道床及站台板等自重:1239.3kN;
(4)地下二层围护桩(含桩间喷砼)自重6875.0kN及摩阻力7301.7kN;以上合计为:47388.1kN
(5)地下水浮力:44724.0kN
(6)抗浮安全系数为:47388.1/44724.0=1.06<1.15,需设抗拔桩。
2、抗浮桩设计
(1)单根抗拔桩自重。设计取桩径1.4m,根据地质情况及同类情况类比,假定桩长取15.5m(含桩端扩大头长度3.2m),桩端扩大头直径3.0m,护壁厚0.15m。见图3。单根桩自重为688.5kN。
(2)单根抗拔桩侧摩阻力。在地铁车站正常使用(抗拔桩工作)期间,因为桩周土的运动趋势始终与抗拔桩的运动趋势相反,所以抗拔桩周摩阻力的分布无中性点,即摩阻力分布按桩全长计。这是抗拔桩与普通建筑桩基负摩阻力的不同之处。‘根据《建筑桩基技术规范》JGJ94—94第5.2.18.2条规定,抗拔桩的长径比l/d=15.5/1.4=11.1>5时,抗拔桩的抗拔极限承载力设计值为:
(3)需设抗拔桩的根数为:
实际设2根。
施工措施:①桩成孔较深,在施工时做好通风、安全防护工作;②除刚开始施工时的前几根桩,后续施工的桩均可采取桩孔内降水的方法进行施工。桩孔内降水的桩长加长2.5m,不做桩端扩大头。
五、设计及施工中的注意事项
6、抗浮桩设计注意点
与竖向承载桩基相比,抗拔桩设计考虑的问题较多,主要注意如下几个方面的问题(t)在浮力及抗浮力荷载计算中,应注意以下几点:
(1)地下水位。抗浮水位高低对建筑物抗浮设计影响很大,一般应取用建筑物使用年限内历史最高水位,由地质勘探单位提供。
(2)抗浮荷载。抗浮荷载应仅计列恒载,计算覆土自重时应扣除车站顶板开洞范围,站台板、道床、站内隔墙等自重荷载不应漏计。
(3)围护结构侧摩阻力。计算围护结构的侧摩阻力时,应注意地勘资料中提供的围护结构侧土摩阻是标准值还是特征值,围护结构侧土层是否为残积层(其液性指数应按细粒土取值)。
(4)抗拔桩。应注意抗拔桩的长径比L/d,对L/d≤5和L/d>5的抗拔桩,破坏机理不同,抗拔力计算也不相同。
(5)抗拔桩侧摩阻力的分布与竖向承压桩不同,竖向承压桩侧摩阻力分布有中性点,而抗拔桩侧摩阻力的分布没有中性点。抗拔桩主要依靠桩侧摩阻提供抗拔力,桩侧土体中的应力分布使土体处于受拉状态。因此,其侧摩阻大小不能简单的依据承载桩的侧摩阻来计算其承载力,必须进行修正,修正系数可参考桩基规范。
(6)因钻孔桩需泥浆护壁,而泥浆对桩侧摩阻力的不利影响较大;另一方面,抗拔桩桩径一般较大,较少用到。
预制桩(且预制桩需打入或压人,其不利影响有两方面:①挤土效应对桩侧土体结构破坏较大;②桩体入土方向与桩受拉时运动方向相反,桩侧土体受反复荷载作用而使桩侧摩阻降低),因此,抗拔桩多设计为人工挖孔灌注桩或爆扩桩、夯扩桩等。
(7)因抗拔桩主要依靠桩侧摩阻提供抗拔力,故抗拔桩设计应尽量避免出现群桩效应,以充分利用桩侧摩阻,因此其中心距及净距应注意严格遵守规范的相关规定。在抗拔桩设计中,除考虑其受力有利外,尚应考虑施工条件、施工安全等因素,如桩底端扩大头侧壁倾角等的设计,应有利于施工方便及安全。
(8)抗拔桩一般宜布置于拄、底板梁附近,这样使底板受力较好。当抗拔桩位于梁底但不在柱底时,应考虑抗拔桩对底板梁受力的影响;当抗拔桩位于底板底时,除进行底板的抗弯计算外,尚应验算底板的抗冲切能力。
(9)抗浮桩若出现群桩效应,抗浮桩与土体间形成一抗浮整体,应对群桩效应问题进行验算,以确保群桩整体抗浮力大于总浮力荷载。此外,对底板单位面积的浮力荷载与抗拔桩所提供的底板单位面积抗浮力进行必要的验算,以确保基础的整体稳定性;、
(10)因一般浅层含水层地下水位波动较大,因此抗拔桩在工作期间所受的拔力,随地下水位的波动而变化,在长期的波动力作用下,桩体易产生裂缝,从而引起抗拉筋的腐蚀,造成抗拉筋拉力不足,在建筑物使用年限内而失效。因此,对桩体配筋,除按《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)的规定进行桩身强度验算外,尚应依据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)所提供的计算公式进行最大裂缝验算,确保桩体最大裂缝宽度小于抗拉构件规范限值。、
(11)对嵌岩抗拔桩,桩基规范中未提及,目前国内研究也不多,尚需进一步研究其受力机理、破坏形态及设计方法。
7、抗浮桩施工中注意点
(1)抗浮桩多为人工挖孔灌注桩,因此,一般的人工挖孔灌注桩的施工注意事项,对抗拔桩也适用。
(2)抗浮桩多用于深基坑工程,其桩底一般比围护结构较深,因此,施工安全尤其重要。在人工挖孔施工过中:①应做好降水、通风等安全防护措施;②应对桩体在不同标高穿越的不同土层有详细的了解,并应有穿越不利土层的施工应对措施。穿越砂层时应防止流砂、涌砂现象,穿越上部为透水层下部为隔水层的土层时,降水效果不理想,可改用机械钻孔。
(3)若桩底端大头进入基岩,需爆破施工时,应注意将桩体扩大头部分完全置于基岩内,并应注意爆破强度、方向等,避免直段桩孔侧土体塌孔,并应注意爆破施工安全。
(4)开挖至设计标高时,应及时通知现场监理及设计相关各方验孔,验孔后应及时浇注封底混凝土,避免雨淋以及地下水位回升至桩孔内。若桩孔内有积水,应在灌注混凝土前抽干。
(5)应按设计要求,做好抗浮桩与底板、底板梁之间先后浇注混凝土之间的结构连接、防水构造等工作,避免在结构受力、防水等方面出现薄弱环节。
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