摘要:随着城市化建设的不断发展,基坑工程不仅数量增多,而且向更大、更深方向发展。咬合桩是一种非常好的支护结构,对咬合桩作为永久结构使用的咬合桩复合结构设计理论和方法进行了研究。同时,研究了不同搭配形式的咬合桩作为主体结构使用的可行性,认为荤荤搭配的咬合桩可以作为主体结构一部分使用,但荤素搭配的咬合桩作为主体结构一部分使用要控制素桩的裂缝发展。

关键词:咬合桩;咬合桩施工;桩土相互作用

1　引言

咬合桩围护结构是一种新型的连续排桩支护,咬合桩围护结构是一种桩身密排且相邻桩桩身相割形成的具有防渗作用的连续挡土支护结构,既可全部采用钢筋混凝土桩,也可以采用素混凝土桩与钢筋混凝土桩相间布置。其优点在于当成槽不稳定或要求地层扰动小的场合代替连续墙的一种方案,而且其造价相对连续墙而言要低。

2　钻孔咬合桩的施工工艺

钻孔咬合桩是采用全套管钻机钻孔施工,在桩与桩之间形成相互咬合排列的一种基坑围护结构。桩的排列方式为A桩和B桩间隔布置。施工时,先施工B桩,后施工A桩,在B桩混凝土初凝之前完成A桩的施工。B桩一般采用超缓凝混凝土,A桩采用全套管钻机,切割掉相邻B桩相交部分的混凝土,从而实现咬合(如图1所示)。咬合桩的钻孔平面布置形式灵活,目两种类型的A。B桩可以根据基坑开挖深度、场地的水文地质情况、是否作为永久结构的一部分等条件进行选择。比如两种桩可以是钢筋混凝土桩和素混凝土桩的搭配。也可以是圆形钢筋笼桩和矩形钢筋笼桩搭配。还有圆形钢筋笼桩和型钢加劲桩搭配,或者圆形钢筋笼桩和水泥土搅拌桩搭配,国外还有钢筋混凝土桩和混合材桩搭配使用的情况。

2.1单桩施工工艺

A型(配筋)单桩施工工艺流程如下:平整场地→测放桩位→施工混凝土导墙→套管钻机就位对中→吊装安放第→节套管→测控垂直度→压入第一节套管→校对垂直度→抓斗取土,跟管钻进→测量孔深→清除虚土,检查孔底→A桩吊放钢筋笼→放入混凝土灌注导管→灌注混凝土逐次拔套→测定混凝土面一桩机移位。具体为:

(1)钻机就位:精确测定桩中心位置,作为钻机定位的控制点。

(2)取土成孔:在桩机就位后,吊装第1节管在桩机钳口中,找正桩管垂直度后,磨桩下压桩管,压人深度约为1.5～2.5m。用抓斗从套管内取土,一边抓土、一边继续下压套管。始终保持套管底口超前于开挖面的深度不小于25m。第1节套管全部压入土中后(地面以上要留1.2～1.5m,以便于接管),检测垂直度,如不合格则进行纠偏调整,合格则安装第2节套管,继续下压取土,直至达到设计孔底高程。

(3)混凝土灌注:水下混凝土灌注采用导管法,导管为φ250mm的法兰式钢管,埋人混凝土的深度宜保持在2～6m之间,最小埋入深度不得小于1m。严禁将导管提出混凝土面或埋人过深,一次拔出高度不得超过4m。混凝土灌注中应防止钢筋笼上浮,当混凝土进入钢筋笼底端1～2m后,可适当提升导管。导管提升要平稳,避免出料冲击过大或钩带钢筋笼。

(4)拔管成桩:边灌注混凝土边拔管,始终保持套管底低于混凝土面不小于2m。

2.2排桩施工工艺

施工原则是先施工B桩[16],后施工A桩,其舡流程为B1→B2→A1→B3→A2→B4→A3……,如图2所示。

往往一台钻机施工无法满足工程进度,需要多台钻机分段施工,这就存在与先施工段的接头问题。处理方法为在施工段与段的端头设置1个砂桩(成孔后用砂灌满),待后施工段到此接头时挖出砂子,灌上混凝土即可。

2.3钻孔咬合桩的技术特点

环保效果好:由于利用全液压强动和加压装置。使套管逐节均匀地旋转、错动压入土层中。同时用锤式抓斗在套管内取土,振动小、噪音低不使用泥浆,无泥浆污染环境的忧虑,施工现场整洁文明、很适合于在城区内施工。

成孔和成桩质量高:自地表至孔底、整个孔壁都用套管护壁,孔壁不会塌落:易于控制桩断面尺寸与形状;含水比例小。既方便外运,也容易处理孔底虚土,清底效果好;充盈系数小,节约混凝土。在饱和地下水的土层中成孔作业,套管自动将地下水封闭,可继续干孔作业,易于清除孔底虚土。

直观性好:随时可查验锤式抓斗内的土质情况,便于判断桩端持力层的位置,选择合理的桩长,优化设计。

在套管保护下,人员可安全下到孔底,结合冲锤或人工控制爆破的方法清除障碍物。

成孔和浇捣桩身混凝土时,对周边土体几乎无影响。www.tmgc8.com

与柱列式排桩支护结构相比其桩体数量较多,土体开挖量大,不能有效的利用土的拱效应,成本较高目施工工期较长。

3　咬合桩受力机理分析

由于咬合桩是桩与桩相互咬合,形成墙体,共同承担止水和挡土作用,刚度较大,变形小,一般将其作为主体结构或主体结构的一部分设计和使用。咬合桩作为挡土结构,其破坏形式主要有两种:①、基坑的失稳破坏或者荤素桩出现弯曲断裂破坏,通过计算可确定桩的相关参数(桩长、桩径、配筋)。②、桩与桩咬合面部分混凝土拉裂或者剪切破坏,通过咬合面强度验算可以确定咬合量。

3.1素桩受力分析

荤素搭配的咬合桩受力时,需要考虑两个问题:素桩对整个结构受力的贡献和素桩的裂缝控制问题。当荤素桩搭配咬合桩用作I临时结构时,设计是不考虑素桩的作用,而从试验的情况看,素桩的存在相当于加大了钢筋混凝土桩受压区混凝土的面积,这样对整个结构承载力的提高有很大的作用,所以有必要讨论素桩的作用。在工程实践中,咬合桩的计算通常有如下几种情况:
当荤素搭配的咬合桩作为永久结构使用时,不允许素桩出现裂缝;II状态为素桩开裂阶段,荤桩未开裂。相当的计算截面为-T形,高度为h0,翼缘高为h1。该阶段是过渡阶段,h1不必确定;当荤素搭配的咬合桩作为临时结构使用时,可以允许素桩出现裂缝;当荤素搭配的咬合桩作为临时结构使用时,可以把索桩的承载力作为对结构安全储备,只考虑荤桩的作用。根据混凝土结构基本原理,可以推导出上述状态的临界弯矩Mcr,这里需要说明的是,此状态下素桩不能出现裂缝,其受拉区边缘最大应力达到混凝土抗拉应力ftk,拉应变达到gtk,此时钢筋的应变很小,为方便计算,计算时不考虑钢筋的作用。计算截面的临界弯矩Met。取一微元面

3.2状态Ⅲ的临界弯矩推导

Ⅲ状态的计算截面变为T形截面梁,根据刚度等效h0=ah,其中受压区高度系数,通过圆形截面受弯构件的承载力公式。因为该公式重复考虑咬合部分混凝土作用会导致设计偏不安全,须按T形截面梁设计。相应的计算方法主要有:

(1)包络、叠加法;通过明挖法施工的基坑工程,按照施工顺序分工况加荷,逐次求得最不利内力组合。开挖阶段:围护墙各工况内力按支撑道数独立计算,求得各个工况的内力,而后包络;回筑阶段:在逐层回筑内部结构的底板、侧墙、中板以及顶板时结构体系在逐步改变,因此回筑阶段的结构内力宜随不同的结构体系分布加荷和分布计算后叠加求得,侧墙的内力应按单层墙和双层墙分别叠加。

(2)增量法;适用于逆作法施工的以及其他特殊工法施工的车站,在施工过程中结构体系和荷载随着开挖、支撑、浇筑顶板、中板、底板以及立柱在不断发生变化,先计算由于荷载增量引起的内力,再与前面的各工况荷载增量引起的内力叠加。

(3)有限元内力分析方法;随着计算机技术的普及,有限元法(包括连续介质有限元法和弹性杆系有限元法)发展迅速,成为有着很好应用前景的基坑设计计算方法。目前连续介质有限元法由于土的本构关系还在发展中,缺乏真实反映土的应力应变关系的本构关系模型,以及计算参数难以确定,目前还得不到广泛的应用。在对荤荤咬合桩进行设计时,常采用一个咬合桩标准段长度(2d-2a)的地下连续墙计算的各工况所承受的最大弯矩M max,两类桩的内力按剐度分担,得到单根A桩和B桩承受的最大弯矩:根据两个弯矩值对两类桩进行配筋后,重新计算两桩的抗弯刚度报据新的抗弯刚度重新计算承受的弯矩,再重复以上计算直到前后两次配筋结果大致相同。

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