钻孔咬合灌注桩在贵阳地铁工程的应用.doc

1、1钻孔咬合灌注桩在贵阳地铁工程的应用摘要：通过钻孔灌注桩在贵阳的实际应用，按照刚度等代成地下连续墙思路，探讨其设计计算方法及设计注意事项。 关键词 钻孔咬合灌注桩； 基坑围护结构； 刚度等代 ；超缓凝混凝土 Abstract: through the practical application in Guiyang bored pile, in accordance with the stiffness of the generation of underground continuous wall of ideas, calculation method and design the des

2、ign considerations. Keywords drilling occlusive piles; bracing structure of foundation pit; stiffness; Ultra-retardation Concrete 中图分类号： U443.15+4 文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2013） 前言：钻孔咬合灌注桩是桩与桩之间相互咬合排列的一种新型基坑支护结构。与传统钻孔灌注桩加止水帷幕的支护形式相比，由于其桩体相互咬合，省去了桩体背后的止水帷幕，还可明显提升止水效果，造价相对较低。咬合桩施工时采用全套管跟管钻进的干法掘进工艺，可有效防

3、止孔内流沙、涌泥，桩身质量容易保证，特别适用于一般旋挖钻机难以施工的较硬岩土层和卵砾石层，以及钻孔泥浆难以护壁的软弱淤泥质2地层和松散砂层，近年来在基坑围护工程中应用日益广泛。本文主要以其在贵阳地区地铁工程的实际应用，对钻孔咬合灌注桩的计算方法及一些注意事项进行探讨。 1 工程概况 贵阳市地铁 1 号线人民广场站为地下三层单柱双跨岛式车站，紧靠南明河。基坑深约 25.0m。 本工程范围内主要为第四系人工填土层（Q4ml）块石层、硬塑性红粘土层、可塑性红粘土层和三叠系松子坎组（Tsz）中风化泥质白云岩层、中风化白云岩层。 场地地下水位较稳定，地下稳定水位埋深约 3.0m 考虑。 表 1 场地地层

4、及主要物理力学指标表 本工程基坑开挖深度大，周边环境条件较复杂，根据贵州建筑地基基础设计规范 （DB22/24-2004） 、 贵州建筑岩土工程技术规范（DB22/46-2004） ，基坑侧壁等级为一级。车站与南明河水力联系密切，且碳酸盐岩岩溶裂隙水存在突涌的可能性，围护结构止水要求高。综合考虑水文地质、工程条件、周边变形控制要求及工程造价等因素，本工程围护结构采用采用 1000700m 的钻孔咬合灌注桩，按素混凝土桩、配筋桩间隔布置考虑。桩长 26.65m，嵌固 3.5m，竖向设置一道混凝土支撑，三道钢支撑。基坑围护横断面布置如图 1。 3图 1 基坑围护结构横断面布置图 2 钻孔咬合灌注桩

5、支护结构的受力特点和作用机理 钻孔咬合灌注桩分为素混凝土桩或放置矩形钢筋笼桩（以下称 A 型桩）和放置圆形钢筋笼的桩（以下称 B 型桩） 。为便于切割，在施工时应先施工 A 型桩，后施工 B 型桩。A 型桩一般采用 C20 超缓凝混凝土，在 A型桩初凝前完成 B 型桩的施工。B 型装为基坑围护的骨架桩，一般采用C30 或 C35 混凝土。B 型装施工时，利用套管钻机的切割能力切割相邻 A型装相交部分的混凝土，以实现两者的桩身咬合。钻孔咬合桩及施工顺序如图 2。 图 2 钻孔咬合灌注桩布置图 在本基坑中，A 型桩为素混凝土桩，两种桩之间存在的较大的刚度差异，对基坑开挖过程中两桩之间的荷载分担有较

6、大的影响。在基坑外侧的水土压力作用下，不能考虑两种桩共同承担外部荷载。由于混凝土的抗拉强度远小于钢筋，其抗弯能力极差，理论上不予以考虑，但其又有一定的抗变形能力，若将其忽略，将造成较大的浪费。因此必须在综合考虑基坑支护结构变形、内力不同作用模式的情况下建立咬合桩的设计计算方法。由于尚无相关规范、规程针对钻孔咬合灌注桩的计算做出规定，在实际工程中，不同的设计提出的计算方法可能存在一定的差异。对此，本文采取一种迭代计算方法，通过对初始不考虑配筋的两桩抗弯刚度进行第一次计算，得到 A 型桩和 B 型桩桩身弯矩，也得到第一次计算后两桩抗弯刚度，重复几次计算，得到各桩与自身抗弯刚度相适应的4弯矩。 3

7、钻孔咬合灌注桩设计计算方法 3.1 设计计算原则 考虑钻孔咬合灌注桩的结构特点，在其设计计算中应遵循以下几个原则： （1）抗变形：素混凝土桩虽未放置钢筋笼，但考虑到其截面、刚度等因素，素混凝土桩仍具一定的抗变形能力。由于素混凝土桩在变形过程中会产生一定的裂缝而削弱其刚度，需通过设置刚度折减系数 K 模拟该效应。折减系数 K 值根据经验取，本文按 0.15 计。当变形较大，素混凝土桩开裂严重时，其刚度忽略不计。 （2）抗弯：由于素混凝土桩抗弯能力低，故不考虑素桩的抗弯及抗剪能力，坑外水土压力及活荷载产生的弯矩全部有配筋桩承担；素桩抗弯承载力在设计中作为安全储备。 （3）由于素桩与配筋桩混凝土等级

8、有较大差异，材料的不同会引起桩体刚度产生差异，在计算中应予以考虑。 3.2 刚度等代计算 由于配筋桩间存在间距，基于上述原则，基坑围护结构计算时应先将钻孔咬合灌注桩进行刚度等代，将其等效为同刚度的地下连续墙。其实质是：在考虑配筋桩与素混凝土桩材料、截面等差异的基础上，按照抗弯刚度 EI 等效原理，将钻孔咬合灌注桩等代为材料、截面相同的板式地下连续墙，然后按照地下连续墙的设计方法进行围护结构的变形与内力计算。 5图 3 钻孔咬合灌注桩计算单元图 图中，R、d 分别为桩的半径和直径，a 为桩身咬合宽度，一个单元长度为 2（d-a） 。等代后地下连续墙的厚度为 b，根据刚度等代原理： 等代地连墙厚度

9、：（式 1） 式中： 分别为素混凝土桩（A 型桩）的弹性模量和截面惯性矩； 分别为配筋桩（B 型桩）的弹性模量和截面惯性矩； 素混凝土桩刚度折减系数，本文按 0.15 取； 等代地下连续墙的弹性模量； 注：等代地下连续墙混凝土宜与配筋桩同等级。 截面惯性矩计算： （式 2） 图 4 素混凝土桩截面惯性矩计算图 根据图 4， （式 3） （式 4） （式 5） 据此，可求出等代后地下连续墙的厚度。计算中同时考虑素混凝土、配筋桩刚度及其材料的差异，比较全面反映了钻孔咬合桩的结构特征。 3.3 围护结构内力计算及分配 6通过等代成地下连续墙后，可运用通用基坑计算软件，按杆系有限元进行围护结构的内力位

10、移计算。计算通常取 1 延米单宽等代地下连续墙进行计算，可得计算弯矩 M（KNm/m） 。对于钻孔咬合灌注桩，应是 A型桩、B 型桩共同承担外部荷载引起的弯矩，由于其刚度的差异，A 型桩与 B 型桩各自分担的弯矩应按其刚度比进行调配。 不考虑桩配筋时，其刚度比 按刚度比分配弯矩，则： A 型桩分担弯矩： （式 6） ； B 型桩分担弯矩： （式 7） ； 得到桩身弯矩后，即可据此进行配筋设计。严格来说配筋后会引起桩身刚度变化，故应重新进行配筋后的桩身刚度计算，调整等代墙及各自桩身弯矩，进行多次迭代计算。但由于钢筋截面在整个结构截面所占比例很小，桩身刚度的变化较小，配筋后桩刚度增大约 10%，等

11、代地墙厚度加厚约 2%。重新计算弯矩变化幅度在 5%以内，因此对配筋计算结构的影响可忽略不计。同时考虑到地下工程的特点，在一般设计的配筋计算中大多会适当增加钢筋面积，其幅度一般大于因刚度变化增加的计算钢筋面积。故通常情况下进行一次计算即可满足工程要求。 4 超缓凝混凝土设计 钻孔咬合灌注桩施工中，为保证后施工的 B 型桩能顺利切割先施工的 A 型桩以达到咬合效果，必须把先施工的 A 型桩的初凝时间大大延长。因此需在 A 型桩中掺入超缓凝剂，按掺量的多少，控制 A 型桩初凝时间在 5080h 内。各地地质情况千差万别，钻孔桩的施工速度也不尽相同，7如何确定合理的初凝时间，要实际工程条件下单桩成桩

12、时间来确定，一般方法如下： 式中，素混凝土桩的缓凝时间（初凝时间） ； 储备时间，一般取 1015h； 单桩成桩所需时间，根据现场试桩确定。 5 应用计算 贵阳市地铁 1 号线人民广场站为基坑深约 25.0m，采用 1000700钻孔咬合灌注桩，素桩采用 C20 超缓凝混凝土，弹性模量 E 为25500MPa，配筋桩及等代地下连续墙采用 C35 混凝土，弹性模量为31500MPa。根据式 5 计算各参数如下：R=400mm，=0.7954Rad，a=300mm，y1=357.07mm。 计算得等代地下连续墙厚度 b=774mm。 采用基坑分析软件，按照等代后地下连续墙形式计算出内力位移包络图如

13、图 6。可以看出，最大位移 13.8mm，最大弯矩 899.4KNm/m。 图 5 等代地下连续墙内力位移包络图 根据素桩与配筋桩刚度比弯矩分配，素桩承担 Ma=117KN，配筋桩承担 1143KN。素桩分担比例仅为配筋桩的 10%，贡献非常少，可以忽略不计。故考虑配筋桩承担全部弯矩，其配筋计算弯矩为 1259KN。 6 结论及建议 （1）本文采用的计算方法充分考虑了钻孔咬合灌注桩的受力特点，考虑素桩与配筋桩应截面、材料的差别，造成抗变形、抗弯的刚度差异8等多种因素，进行刚度等代成地下连续墙，较为准确反映其作用机理。不失为一个可行的计算方法，为同类基坑提供借鉴。 （2）明确超缓凝混凝土初凝时间的方法，为现场施工提供依据。为确保咬合桩的咬合效果提供保障。 参考文献 1刘国斌，王卫东等基坑工程手册M第二版北京：中国建筑工业出版社，2009 2王亚强超缓凝混凝土在深钻孔咬合桩中的配合比设计及应用M浙江建筑J，2006（11） ，23：4042