地鐵抗浮樁設計詳解

隨著我國地鐵建設的逐步興起,地鐵車站的功能不再單一而呈現出多樣化發展的趨勢。地鐵車站為滿足功能(如地下高大空間)的要求,這就可能引起車站頂板覆土偏薄。進而引出地下車站的抗浮問題。某地鐵車站為“十”字換乘車站。公交接駁部分由于受其功能的影響,頂板上部覆土儀0.7m~1.0m換乘部分為地下三層:經抗浮驗算,車站不能滿足抗浮要求,需在設計中考慮抗浮措施。

本文通過對地鐵地下車站抗浮措施的探討,以及采用大直徑人挖孔樁作為抗拔樁的設計過程,討論了抗拔樁設計中應考慮的各種因素:

一、工程概況

某地鐵車站南側緊鄰深圳某著名旅游景點,附近高樓大廈林立。北側主要為居民區及商貿區,東緣地面緊靠橫跨深南大道的某觀光軌道。該車站位于深南大道正下方,為1號線臨時終點站,與規劃中的2號線呈“十”字交叉換乘。

車站設1、2號線聯絡線及站后折返線(明挖),利用該明挖站后折返線上空設置公交接駁站。車站凈長334m,公交接駁部分地下一層凈寬48.0m,地鐵車站部分地下一層凈寬45.0m。車站二層部分的典型橫斷面為倒“凸”型,換乘節點處為地下三層。車站主體結構采用多跨全現澆鋼筋混凝土框架結構形式。

車站地下一層圍護結構形式,結合地質情況,并考慮深南大道的交通疏解及兩側的管線分布情況,南側采用人工挖孔樁圍護,北側采用土釘墻。地下二、三層采用人工挖孔樁圍護。

二、地質概況

站址區地貌北側為臺地,南側為海沖積平原,后經人工改造,原地貌特征發生很大變化?，F地勢東高西低,北高南低,地形起伏較大。車站東端地下有人行通道(位于車站范圍內)和車行通道。站址區地下各種管道、管線縱橫交錯。站址區內地質情況復雜,土層分布較多,依據其成因,從上至下依次為:1)人工堆積層;2)坡洪積層;3)海沖積層;4)第四系殘積層;5)燕山期花崗巖。

以上每一土層內又有若干各種性狀的土層分布,與本文所探討的抗拔樁設計關系密切的主要為第四系殘積層:(1)砂質粘性土:主要為紫色、紫紅色、褐紫色、褐黃色、褐紅色,堅硬～流塑。層厚0m～21.8m,呈透鏡體狀分布。(2)礫質粘性土:主要為褐黃色、褐紅色間雜灰白色,堅硬～流塑。該層為場區主要地層,廣泛分布,層位穩定,揭示厚度0m～21.0m,局部分布花崗巖風化殘留體。本車站樁周土層(第四系殘積層)的摩擦力設計值見表1:

注:

①此表適用于打入式預制樁和內擊式沉管灌注樁;

②對外擊式沉管樁,沖、挖、鉆孔灌注樁,宜取表中范圍值的下限值;

③IL為花崗巖殘積土細粒土的液性指數,根據物理力學統計表及土工試驗報告確定。

三、地鐵車站的抗浮措施比較

地鐵地下車站的抗浮措施,目前有兩種做法:一是在結構底部設置抗拔措施,諸如本文談到的抗拔樁,此外還有抗拔錨索、砂漿錨桿等;二是在結構板底設置反濾層、盲溝等措施。

這兩種措施的各項特性比較見表2:

通過以上綜合比較,不難得出結論:對本車站,采用抗拔樁方案較優。

四、抗浮樁設計過程簡介

1、抗浮驗算

限于篇幅,僅取本車站公交接駁部分的抗拔驗算及抗拔樁的設計過程加以簡要說明。

抗拔力計算。取8.1m寬柱距計算抗拔力。地下一層為全包防水設計,不計入圍護樁及側墻的摩阻力。暫不計入抗拔樁時,抗拔力由以下部分提供:

(1)頂板以上覆土(厚度按0.7m計):4896.8kN;

(2)主體結構自重:27075.3kN;

(3)車站其它部分自重,如地下一層公交接駁部分的板面裝修層(按最薄處250㎜厚砂漿計)、地下二層道床及站臺板等自重:1239.3kN;

(4)地下二層圍護樁(含樁間噴砼)自重6875.0kN及摩阻力7301.7kN;以上合計為:47388.1kN

(5)地下水浮力:44724.0kN

(6)抗浮安全系數為:47388.1/44724.0=1.06<1.15,需設抗拔樁。

2、抗浮樁設計

(1)單根抗拔樁自重。設計取樁徑1.4m,根據地質情況及同類情況類比,假定樁長取15.5m(含樁端擴大頭長度3.2m),樁端擴大頭直徑3.0m,護壁厚0.15m。見圖3。單根樁自重為688.5kN。

(2)單根抗拔樁側摩阻力。在地鐵車站正常使用(抗拔樁工作)期間,因為樁周土的運動趨勢始終與抗拔樁的運動趨勢相反,所以抗拔樁周摩阻力的分布無中性點,即摩阻力分布按樁全長計。這是抗拔樁與普通建筑樁基負摩阻力的不同之處?！鶕督ㄖ痘夹g規范》JGJ94—94第5.2.18.2條規定,抗拔樁的長徑比l/d=15.5/1.4=11.1>5時,抗拔樁的抗拔極限承載力設計值為:

(3)需設抗拔樁的根數為:

實際設2根。

施工措施:①樁成孔較深,在施工時做好通風、安全防護工作;②除剛開始施工時的前幾根樁,后續施工的樁均可采取樁孔內降水的方法進行施工。樁孔內降水的樁長加長2.5m,不做樁端擴大頭。

五、設計及施工中的注意事項

6、抗浮樁設計注意點

與豎向承載樁基相比,抗拔樁設計考慮的問題較多,主要注意如下幾個方面的問題(t)在浮力及抗浮力荷載計算中,應注意以下幾點:

(1)地下水位?？垢∷桓叩蛯ㄖ锟垢≡O計影響很大,一般應取用建筑物使用年限內歷史最高水位,由地質勘探單位提供。

(2)抗浮荷載?？垢『奢d應僅計列恒載,計算覆土自重時應扣除車站頂板開洞范圍,站臺板、道床、站內隔墻等自重荷載不應漏計。

(3)圍護結構側摩阻力。計算圍護結構的側摩阻力時,應注意地勘資料中提供的圍護結構側土摩阻是標準值還是特征值,圍護結構側土層是否為殘積層(其液性指數應按細粒土取值)。

(4)抗拔樁。應注意抗拔樁的長徑比L/d,對L/d≤5和L/d>5的抗拔樁,破壞機理不同,抗拔力計算也不相同。

(5)抗拔樁側摩阻力的分布與豎向承壓樁不同,豎向承壓樁側摩阻力分布有中性點,而抗拔樁側摩阻力的分布沒有中性點?？拱螛吨饕揽繕秱饶ψ杼峁┛拱瘟?樁側土體中的應力分布使土體處于受拉狀態。因此,其側摩阻大小不能簡單的依據承載樁的側摩阻來計算其承載力,必須進行修正,修正系數可參考樁基規范。

(6)因鉆孔樁需泥漿護壁,而泥漿對樁側摩阻力的不利影響較大;另一方面,抗拔樁樁徑一般較大,較少用到。

預制樁(且預制樁需打入或壓人,其不利影響有兩方面:①擠土效應對樁側土體結構破壞較大;②樁體入土方向與樁受拉時運動方向相反,樁側土體受反復荷載作用而使樁側摩阻降低),因此,抗拔樁多設計為人工挖孔灌注樁或爆擴樁、夯擴樁等。

(7)因抗拔樁主要依靠樁側摩阻提供抗拔力,故抗拔樁設計應盡量避免出現群樁效應,以充分利用樁側摩阻,因此其中心距及凈距應注意嚴格遵守規范的相關規定。在抗拔樁設計中,除考慮其受力有利外,尚應考慮施工條件、施工安全等因素,如樁底端擴大頭側壁傾角等的設計,應有利于施工方便及安全。

(8)抗拔樁一般宜布置于拄、底板梁附近,這樣使底板受力較好。當抗拔樁位于梁底但不在柱底時,應考慮抗拔樁對底板梁受力的影響;當抗拔樁位于底板底時,除進行底板的抗彎計算外,尚應驗算底板的抗沖切能力。

(9)抗浮樁若出現群樁效應,抗浮樁與土體間形成一抗浮整體,應對群樁效應問題進行驗算,以確保群樁整體抗浮力大于總浮力荷載。此外,對底板單位面積的浮力荷載與抗拔樁所提供的底板單位面積抗浮力進行必要的驗算,以確?；A的整體穩定性;、

(10)因一般淺層含水層地下水位波動較大,因此抗拔樁在工作期間所受的拔力,隨地下水位的波動而變化,在長期的波動力作用下,樁體易產生裂縫,從而引起抗拉筋的腐蝕,造成抗拉筋拉力不足,在建筑物使用年限內而失效。因此,對樁體配筋,除按《建筑樁基技術規范》(JGJ94—94)的規定進行樁身強度驗算外,尚應依據《混凝土結構設計規范》(GB50010—2002)所提供的計算公式進行最大裂縫驗算,確保樁體最大裂縫寬度小于抗拉構件規范限值。、

(11)對嵌巖抗拔樁,樁基規范中未提及,目前國內研究也不多,尚需進一步研究其受力機理、破壞形態及設計方法。

7、抗浮樁施工中注意點

(1)抗浮樁多為人工挖孔灌注樁,因此,一般的人工挖孔灌注樁的施工注意事項,對抗拔樁也適用。

(2)抗浮樁多用于深基坑工程,其樁底一般比圍護結構較深,因此,施工安全尤其重要。在人工挖孔施工過中:①應做好降水、通風等安全防護措施;②應對樁體在不同標高穿越的不同土層有詳細的了解,并應有穿越不利土層的施工應對措施。穿越砂層時應防止流砂、涌砂現象,穿越上部為透水層下部為隔水層的土層時,降水效果不理想,可改用機械鉆孔。

(3)若樁底端大頭進入基巖,需爆破施工時,應注意將樁體擴大頭部分完全置于基巖內,并應注意爆破強度、方向等,避免直段樁孔側土體塌孔,并應注意爆破施工安全。

(4)開挖至設計標高時,應及時通知現場監理及設計相關各方驗孔,驗孔后應及時澆注封底混凝土,避免雨淋以及地下水位回升至樁孔內。若樁孔內有積水,應在灌注混凝土前抽干。

(5)應按設計要求,做好抗浮樁與底板、底板梁之間先后澆注混凝土之間的結構連接、防水構造等工作,避免在結構受力、防水等方面出現薄弱環節。

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