塑性混凝土咬合桩的设计与施工案例分析.pdf

塑性混凝土咬合桩的设计与施工案例分析 孙学斌 罗兵 中铁隧道集团三处有限公司 深圳 5 1 8 0 5 2 摘耍：以乌鲁木齐市轨道交通1 号线三屯碑站基坑支护工程为例，研究塑性混凝土咬合桩在基坑主动土压力条件下的 截面承载力、错动剪切力以及塑性桩轴向抗压。经塑性混凝土配合比试验，证明该配合比能满足规范要求的混凝土强 度 ，可简化施工工艺 、节约能耗、加快 施工进度 ，有利于工程造价的控制。 关键词：塑性混凝土 土拱 咬合桩 止水帷幕 中圈分类号：T U 4 7 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 9 0 7 0 3 De s ig n o f Pl a s t ic Co n c r e t e I n t e r l o c k i n g Pi l e s a n d Co n s t r u c t i o n Ca s e An a l y s i s Su n Xu e b i n L u o B i n g S an c h u Co ， L t d o f Ch i n a Ra i l wa y T u n n e l Gr o u p Sh e n z h e n 5 1 8 0 5 2 1 工程概 况 本案例是一个典型的深基坑工程 ，其工点位于新疆乌 鲁木齐市天山区胜利路、新华南路、三屯碑路及燕儿窝路 交汇处，地处闹市区，南郊客运站和水上 乐园汇聚于此 ， 人流量和车流量较 大。在项 目东南侧1 1 0 m处有一水库分 布 ，对于基坑开挖的环境条件极为不利。地下水补给极其 丰富。工程最 大的难度就是基坑开挖 的止水效果，工程成 败也是能否将基坑止水帷幕达到设计要求的1 0 0 可靠度。 本项 目分布在冲沟内，上游有一水库 ，地下水丰富， 且开挖面及以下一定深度范围内均为松散 的圆砾 、粉土及 粉砂。同时在基岩里分布有不规则裂 隙，地下水的分布形 式多样 ，为松散岩类孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水。 本案例在止水帷幕的选择上进行过多次的现场试验和 探讨 ，原设计方案采用旋喷工艺 ，由于在松散的地层中 ， 旋 喷桩完全不能成桩 ，不能隔断地下水 ，如采用地下连续 墙 ，由于地层组成复杂 ，有砾石和基岩 ，普通的抓斗不能 成槽 ，需要铣槽机成墙 ，施工成本很大。经过多种方案的 选择 ，本项 目采用了新的施工工法塑性混凝土咬合桩 支护结构来完成本基坑的挡土和止水墙。 2 案例 说明 2 1 工程地质条件 根据成 因和勘察 测试 ，场地内主要地层 由冲积洪积河 床堆积形成 的第四系全新统粉土、砂类土、圆砾和角度不 a_一 作者简介：孙学斌 ( 1 9 7 2 一)，男，工程硕士，高级工程师。 通讯地址：深圳市南山区建工村3 3 号 ( 5 1 8 0 5 2 )。 收稿日期：2 01 4 0 6 - 2 0 整合下伏的三叠系泥岩 、砂岩 、砾岩构成。第四系地层厚 度差异较大 ，沉积紊乱 ，岩性分布纵、横 向变化均较大； 三叠系基岩面起伏较大。场地地表普遍分布厚度不均的人 工填土。 2 2 设计方案 本项 目最初方案为钻孔桩排桩+ 2 道锚杆 ，止水帷幕采 用旋喷桩。施工采用顺作法 ，基坑开挖中心岛的方式。 由于在现场旋 喷桩试桩时 ，在该地层中采用旋喷桩无 法成桩 ，经过多次技术认证，止水帷幕改为塑性混凝土咬 合桩。塑性混凝土咬合桩 ( 止水帷幕 ) 和钢筋混凝土钻孔 桩灌注桩排桩作支护结构 ，该2种桩型独立成排。 由于采 取了望性混凝土桩 ，其 强度低 、韧性好 ，在施工机械选配 上带来很多便利 ，本项 目选配了三一重IS R 2 2 0 旋挖钻机 ， 即可 以顺利成孔灌注。施工功效高 ，单班每天成孔1 6根 ， 为施工赢得 了时间。 通过本站点主体围护结构方案的调整 ，同时在施工中 积累了塑性混凝土配合试验以及成桩施工经验。本文在此 基础上提出了 “ 塑性混凝土咬合桩”设计及施工方法 ，将 止水帷幕和支护结构两墙合一，以便节约投资减少能耗。 3 塑性混凝土咬合桩设计n 塑性混凝土咬合桩 ( p l a s t i c c o n c r e t e i n t e r l o c k i n g p i l e) 以下简称P C P T法 ，即是塑性混凝土桩 之间套打钢筋混凝 土钻孔桩形成连续墙 ，起到挡土止水的作用 ( 图1 ) 。钢筋 混凝土桩承担截面的抗弯 ，其承载力验算可以参照现行的 规范执行 ，本文主要补充塑性桩的承载力验算，其包括 ： 塑性桩在钢筋混凝土桩之间的错动剪力设计值 ( )，轴向 抗压设计值 ( )，抗弯承载力 ( M ) 均由钢筋混凝土桩承 I 2 0 1 4 8 B u i l d i n g Co n s t r u c t i o n I 9 0 7 担。 q o 图1 刚性桩与塑性桩 间错动剪切破坏验算 3 1 塑性混凝土桩抗剪承载力计算 塑性混凝土桩应验算塑性混凝土桩与刚性桩桩身局部 抗剪承载力。塑性桩与钢筋混凝土桩 ( 刚性桩 ) 之间的错 动剪切承载力和按下式验算： rr， ( 1) ( 2) z 1 ( 2) 0 1 寺q f ( 3 ) f ：兰 ( 4 ) l - o 式中 ： r， 刚性和 塑性桩 之 间的错 动剪应 力设计 值 ( N mm )； Q l 刚性和塑性桩之间单位深度范围内的错动剪 力标准值 ( N mm )： q 作 用 于 计 算 截 面 处 的 侧 压 力 标 ； 隹值 ( N mm )： L 一刚性桩之间的净距 ( mm )； 错动剪切高度 ( mm)； r 塑性混凝土抗剪强度设计值 ( N mm )； r 塑性混凝土抗剪强度标准值 ( N mm ) 。 3 2 塑性混凝土轴向抗压承载力计算 塑性混凝土桩 ，在单位深度受侧压力的作用 ，对塑性 混凝土产生的压应力验算。 盯 = 去 ( 5 ) 式中：F 一作用效应的抗压强度设计值 ( N mm )； 塑性混凝土抗压强度设计值 ( N mm )； 卜拱高 ( mm )； 6 计算宽度 ( mm ) 。 F = I 2 5 ( 6) 式中：F 一塑性混凝土轴向抗压设计值 ( k N)； F k 按作用标准值计算的轴向设计值 ( k N)； F k = ( 7) 式中： _ 一拱轴水平长度 ( mm )； 建筑施 工 第3 6 卷 第8 期 ， 拱轴高度 ( mm )： q 作 用 于 计 算 截 面 处 的 侧 压 力 标 准 值 ( N mm ) 。 4 工程案例 4 1计算条件 本文 以三屯碑路站地 下交通枢纽为工点 ，采 用塑性 混凝土咬合桩的塑性桩进行验算分析。本项 目基坑开挖深 度为1 2 1 0 m，围护壁采用P C P _T _ 法 ，内设2道锚杆。采用 0 8 O 0 mm1 2 0 0 mm塑性混凝土咬合桩，搭接2 0 0 mm，桩 的嵌固深度为6 m。钢筋混凝土桩的桩身混凝土强度等级为 水下C 3 0 ，塑性混凝土桩身强度为5 MP a 。 厚 锄 2 8 5 0 钻孔桩l 勘 85 0 图2 计算 单元剖面 图3 围护壁排桩布置 根据围护壁设计方案 ( 图2 、图3)，土拱参数为 ： 卜拱 高= 2 5 0mm： ， ， 拱轴高度= 1 0 1 mm： L 拱轴水平长度-= 9 mm。 4 2 围护墙主动土压力计算 根据本项 目的岩土条件 以及 建筑基坑 支护技术规 程 J G J 1 2 O 一2 O 1 2 计算单元土应力包络线见图4 。 ： ： 暑 圣 ! 一 一 B 亳 ， 永土压力 k N m - x1 0 0 3 2 l 0 图4 单元土应力计算模型及最大挖深 时水土压 力曲线 塑性桩 箔 m 5 4 3 塑性混凝 土i t 1 根据单 元的计算 ，本项 目塑性混凝土配合 b t 2 8 d 抗压 强度按5 N mm 配制，考虑到水下灌注 的影响，最终成桩 抽芯取样 的混凝土强度 不低于3 N mm 。混凝土渗透系数 为 2 x 1 0 - T c m s 。最终确定的塑性混凝土配合 比： 水泥 ： 膨润土 ： 水 ： 砂 ： 石为1 5 0： 6 0： 2 5 2： 8 9 0： 8 9 0，水胶 比 为1 2 0 。实测2 8d 的混凝土强度为s 3 MP a 。 4 4 塑性桩截面承载力验算 4 4 1 塑性桩错动抗剪承 载力 r = 告= 一 o 7 2 9 N ra m 2 ： o 1 6 8 N mm 满足验算条件。 4 4 2 塑性混凝土轴向抗压承载力计算 F 0 4 5 N mm 塑性桩的轴向抗压承载力 5 N mm ，满足轴 向抗压强 度要求。 由此可见 ，当塑性混凝土桩 的桩 身强度设计值达到 5 N mm 时 ，设计选用 的塑性桩截面及桩身混凝土强度完 全满足截面承载力要求。 4 5 咬合桩施工 由于采用了塑性混凝土桩 ，施工采用 了旋挖成桩 的工 艺 ，在施工主要增设排桩的施工导墙 ，在基坑开挖对施工 的桩位进行了开挖验桩 ，其止水效果很好 ，无明显的渗漏 现象。桩与桩均完全咬合。 5 结语 通过乌鲁木齐市轨道交通 1 号线三屯碑路交通枢纽站 基坑围护方案的设计与施工，对于塑性混凝土土咬合桩工 法得 出以下结论 ： ( a) 塑性混凝土咬合桩，在松散岩土层中特别是 卵砾 石地层中，常规止水桩难于实现时，采用 塑性咬合桩 ，能 起到止水、挡土作用； ( b)塑性混凝土咬合桩 ，由于其强度低便于咬合施 工 ，其施工的可靠度大大高于刚性咬合桩 ，同时可 以节约 机械能耗，增加施工速度： ( c) 尽管咬合桩的桩身强度和现行的建筑基坑规范有 一 定的冲突 ( 要求混凝土强度不小于C 2 0)，但可以通过 对其验算，同样能满足设计规范要求 ； ( d) 根据计算，当主动土压力在1 9 6 k N m时，塑性混 凝土设计值5 N mm 均能满足截面承载力要求 ； ( e) 塑性混凝 土在水利坝基止水应用虽广 ，但在深 基坑工程可以作钢筋混凝土咬合使用 ，具有抗 弯和轴向受 压 的地下连续墙 ，该工法实用性强 ，岩土使用条件广 ，可 以作为一种新工法来推广应用于深基坑工程中。 9 0 0 0 1 】王四巍， 李小超， 李杨， 等 膨润土及水泥用量对塑性混凝土变形 及破坏特征的影响 J 硅酸盐学报， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 3 3 3 7 2 】高丹盈， 宋帅奇， 杨林 真三轴应力下塑性混凝土性能及破坏准则 J 水利学报，2 0 1 4 ( 3 ) ：3 6 0 - 3 6 7 3 】 高丹盈， 宋帅奇 塑性混凝土常规三轴性能与强度计算模型 J 】 水 力发 电学3 1L , 2 0 1 4 ( 2 ) ： 2 0 1 - 2 0 7 4 徐娅莉， 谢友云 关于 “ 钻抓法”技术在塑性混凝土防渗墙施工 中应用的论述建材与装饰， 2 0 1 3 ( 3 3 ) ： 1 6 8 - 1 7 0 ( 上接第9 0 4 页 ) 要考虑两 方面的原因 ：当刀排间距增大后，配合着刀头 高 度 的增加 ，能够产生更大的切削冲击功。刀排间距加大后 相应的切割箱上下运动幅度也加大 ，从而能提供更大的下 压动能 ，为更快的切削提供保证。 4 结语 施工实践证明，在转角处进行了水泥土加固之后 ，原 杂填土区域的地基承载力大大提高 ，可承受履带吊和起吊 切割箱的整体受力。 T R D I法在应对类似于本项 目墙体须进入单轴抗压 强 度达9 5 MP a 的中风化泥岩 ，方可隔断基坑地下水与长江水 力联系的情况下，采取对刀具 的适当改进和改变刀排间的 排列方式 ，可有效解决其在类似地层 中施工进尺缓慢且磨 损极为严重的情况。 对于杂填土厚度较厚的情况，除须对待施IT R D I法 区域 的杂填土挖除换填之外 ，由于履带吊、T R D I法机均 在坑 内行走 ，对转角处 ( 基坑 内为阳角 )的土体 变形影响 很大，须采用水泥土搅拌桩加固的方式予以加固处理 ，建 议加固深度超 过杂填 土层底的深度，且进入原状土不小于 1 m o 一0 0 0 0 【 1 王卫东， 邸国恩， 王向军 T R D工法构建的等厚度型钢水泥土搅拌 墙支护工程实践 J 】 建筑结构，2 0 1 2 ( 5 ) ： 1 6 8 1 7 1 ， 9 5 【 2 】李星， 谢兆良， 李进军 T R D- T - 法及其在深基坑工程中的应用 J 】 _ 地下空间与工程学报， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 9 4 5 - 9 5 0 ， 9 9 5 3 】黄成 T R D- -T - 法在基坑支护3 - 程 中的应用效 果分析 J 建 筑技 术， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 1 1 4 5 1 1 4 7 4 王卫 东， 邸国恩， 王向军 T R DX - 等厚度水泥土搅拌墙技术与工 程实践 J 岩土工程学报，2 0 1 2 ( S 1 ) ： 6 2 8 6 3 3 I 2 01 4 8 Bui l d i n g Co ns t r u c 廿o n l 9 0 9