前板樁高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)相關(guān)問題研究

陳建勇

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 前言

高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)是上海地區(qū)常見的水工護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，能適應(yīng)上海地區(qū)軟土地基條件。高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)的前排樁為板樁墻，后一排或兩排樁為方樁（或鉆孔灌注樁、PHC管樁），其具有施工方便、占地少等優(yōu)點(diǎn)，在黃浦江及其支流沿岸和大蘆線、蘇州河等內(nèi)河沿岸的護(hù)岸工程中被廣泛采用。但由于這種結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，因此無論是在理論還是實(shí)際設(shè)計(jì)中均存在一些尚未解決的問題，本文針對(duì)一些設(shè)計(jì)過程中遇到的問題進(jìn)行探討。

1 問題1：水、土壓力計(jì)算方法及水位組合

1.1 水、土壓力計(jì)算方法

高樁承臺(tái)常作為護(hù)岸結(jié)構(gòu)被采用，其承受的荷載主要包括水平向的土壓力和水壓力，墻后地面均載也是通過水、土體以側(cè)壓力的形式作用于墻背結(jié)構(gòu)上，因此水、土壓力的正確取值是計(jì)算準(zhǔn)確的前提，而正確的計(jì)算結(jié)果則是高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性及投資合理性相協(xié)調(diào)的重要前提。

墻后水、土壓力計(jì)算方法主要有水土分算和水土合算兩種方法。水土合算以土粒與孔隙水共同組成的土體作為對(duì)象，直接用土的飽和重度計(jì)算側(cè)壓力。這一原則對(duì)于不透水的粘土層較為適用，但在理論上存在缺陷[1]，且對(duì)于計(jì)算中土體強(qiáng)度指標(biāo)的取值爭論較多，而在大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析直接給出某一地區(qū)水土合算的側(cè)壓力計(jì)算公式已成為可能。根據(jù)《上海市基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》，上海地區(qū)水土壓力的總的側(cè)壓力系數(shù)在0.55～0.75的范圍內(nèi)選取[2]。水土分算則分別計(jì)算土壓力和水壓力，兩者之和即為總側(cè)壓力，適用于土體孔隙中存在自由的重力水的情況，或土的滲透性較好的情況，一般適用于砂土、粉土和粉質(zhì)粘土。由于在實(shí)際工程中，為了減少墻后側(cè)向土壓力，往往回填滲透性高的砂土或碎石土，且由于水土分算結(jié)果往往較合算大，而前板樁高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)水平荷載較敏感，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中建議采用較保守的水土分算。

1.2 水壓力的計(jì)算

關(guān)于水壓力的常用計(jì)算方法一般不考慮滲流的影響，即墻后計(jì)算水位以上為三角形分布，以下為矩形分布。

根據(jù)《上海市基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》中關(guān)于水土分算中水壓力的計(jì)算，應(yīng)按有無產(chǎn)生地下水滲流情況，采用不同的分布模式[2]。當(dāng)?shù)叵滤疅o滲流時(shí)，墻后靜水位以上靜水壓力按三角形分布計(jì)算，靜水位以下按矩形分布計(jì)算；當(dāng)考慮地下水滲流時(shí)，又根據(jù)是否考慮擋墻的隔水作用墻后水壓力分別按倒梯形和倒三角分布計(jì)算，各分布型式如圖1所示?？梢娛欠窨紤]地下水滲流對(duì)水壓力的計(jì)算結(jié)果影響較大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際的地下水情況采取不同的分布模式，鑒于倒梯形與倒三角形分布水壓力總和相近，且后者計(jì)算更方便，因此在考慮地下水滲流時(shí)本文建議近似根據(jù)倒三角形分布計(jì)算水壓力。（注：此處為完整表達(dá)，引用1997年版《上海市基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》，2010年新版《上海市基坑工程技術(shù)規(guī)范》已調(diào)整了土、水壓力計(jì)算方法，不再采用合算方法，考慮地下水滲流作用時(shí)地下水位以下水壓力分布只保留直接按照滲流路徑由直線比例確定水壓力分布[3]的方法，在扣除墻前部分水壓力后實(shí)則上即是1997年版中的倒三角形分布模式。）

1.3 土壓力的計(jì)算

前板樁高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)目前仍較多采用豎向彈性地基梁的方法計(jì)算。根據(jù)彈性地基梁的土壓力計(jì)算模式，墻前、后均采用靜止土壓力，考慮到結(jié)構(gòu)受水平荷載后有向前的位移，因此采用主動(dòng)土壓力代替靜止土壓力。常用的土壓力計(jì)算圖如圖2所示。

圖2 土壓力計(jì)算圖

在實(shí)際工程中，前板樁高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)墻前基本為后開挖的情況。因此需要考慮墻前土的超固結(jié)效應(yīng)，有學(xué)者提出了超固結(jié)比對(duì)靜止土壓力系數(shù)影響的關(guān)系式[4]：

式中：Ko（OC）——超固結(jié)狀態(tài)的靜止土壓力系數(shù)；

Ko（NC）——正常固結(jié)狀態(tài)靜止土壓力系數(shù)；

A、B、α、m——試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的常數(shù)值，見表1所列。

表1 試驗(yàn)得到的超固結(jié)效應(yīng)下靜止土壓力影響系數(shù)值一覽表

上述公式表明，靜止土壓力系數(shù)由于超固結(jié)比（OCR）的增加而發(fā)生的變化，即當(dāng)超固結(jié)比OCR=1～2.5時(shí)呈線性關(guān)系，OCR<2.5時(shí)呈非線性關(guān)系。

也有學(xué)者提出了殘余應(yīng)力的概念，給出了殘余應(yīng)力影響深度的計(jì)算公式，并通過對(duì)上海地區(qū)工程實(shí)錄的數(shù)據(jù)整理分析發(fā)現(xiàn)如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

式中：H——基坑開挖深度，m；

hr——?dú)堄鄳?yīng)力影響深度，m。

由于前板樁高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)前沿開挖范圍一般為長條形，相比基坑工程，開挖的范圍對(duì)墻前土體應(yīng)力也具有一定影響。本文提出可將開挖土體部分當(dāng)作施加在設(shè)計(jì)泥面的一個(gè)負(fù)的均布荷載，根據(jù)土力學(xué)中條形基底豎直均布荷載作用時(shí)土體中產(chǎn)生附加應(yīng)力的結(jié)論，當(dāng)應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)深度與均布荷載寬度比為1.5時(shí)，水平向的地基應(yīng)力附加系數(shù)可忽略不計(jì)。為了便于計(jì)算，本文推薦采用殘余應(yīng)力的概念，并選取上式的計(jì)算結(jié)果與1.5倍的開挖寬度這兩者間的小值，作為應(yīng)力的影響深度。對(duì)結(jié)構(gòu)土壓力進(jìn)行修正后如圖3所示。

1.4 墻前、墻后水位組合問題

在高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用墻前低水位或無水而墻后為高地下水位時(shí)的組合情況，因?yàn)檫@是墻前、后水位差最大，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定最不利。但由于前板樁高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的能力較差，最后往往因?yàn)橛?jì)算得到的剩余水壓力較大而造成不必要的浪費(fèi)。

圖3 墻前被動(dòng)土壓力經(jīng)殘余應(yīng)力修正后的土壓力計(jì)算圖

《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出，考慮到墻后土中滲流及其滯后性，對(duì)于潮汐河道上的擋土墻，其墻前、墻后水位差取相應(yīng)最不利條件下最大潮差值的1/3～1/2為宜；對(duì)于水庫或退水迅速的行洪河道上的擋土墻，取相應(yīng)最不利條件下最大水位差值的1/2為宜；對(duì)于無潮汐影響河道的擋土墻，考慮降雨及滲流滯后的影響，在正常運(yùn)行工況下?lián)跬翂η?、墻后的水位差可?.5～1.0 m[5]。因此在設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理地選擇水位組合工況，避免為了提高結(jié)構(gòu)安全性而一味地增加荷載，鑒于該種結(jié)構(gòu)剩余水壓力合力作用點(diǎn)距泥面越遠(yuǎn)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定越不利，因此墻后可取較高的地下水位，墻前水位根據(jù)規(guī)范推薦采用的水頭差選取。

2 問題2：關(guān)于樁與承臺(tái)連接問題

2.1 樁頂連接計(jì)算方式

高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)其底板（即承臺(tái)）厚度一般較薄，而且樁較密，為方便承臺(tái)底面鋼筋配扎，樁與承臺(tái)的連接通常采用樁頂嵌入承臺(tái)50～100 mm，樁頂主筋錨入長度不小于35 d的方式。由于樁與承臺(tái)自身剛度相近，設(shè)計(jì)中一般均假定樁頂為固結(jié)，計(jì)算結(jié)果往往是樁頂彎矩最大，而前排樁樁軸力遠(yuǎn)大于后排樁，繼而根據(jù)這兩個(gè)值來確定樁型及前排樁長。

但實(shí)際情況由于樁頂伸入承臺(tái)較淺，當(dāng)樁頂彎矩較大時(shí)，樁周混凝土?xí)霈F(xiàn)一定開裂，使得樁與承臺(tái)相對(duì)位移變大，形成塑形餃而釋放彎矩，樁身彎矩最大值將出現(xiàn)在樁中部，而且后排樁所受的樁軸力及結(jié)構(gòu)水平位移也將大于按固結(jié)計(jì)算的結(jié)果。因此，只根據(jù)樁頂固結(jié)的方式設(shè)計(jì)缺乏足夠的安全度。根據(jù)朱海堂等的實(shí)驗(yàn)結(jié)論[6]，樁頂伸入承臺(tái)較短且樁強(qiáng)度較大時(shí)，將發(fā)生節(jié)點(diǎn)連接破壞型式，節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)樁頂所受的彎矩和剪力可以用下式計(jì)算：

本文建議設(shè)計(jì)時(shí)可先按樁頂固結(jié)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)算水平位移、配置樁頂及底板鋼筋，第二步再按照樁頂鉸接計(jì)算，核算樁身彎矩及后排樁樁軸力。

2.2 算例

本文選用實(shí)際項(xiàng)目作為算例，分別通過以下方法進(jìn)行計(jì)算：

（1）常用計(jì)算方法（即未考慮滲流對(duì)水壓力的影響、未考慮墻前開挖土體的殘余應(yīng)力、采用樁與承臺(tái)固結(jié)）；

（2）本文推薦計(jì)算方法（考慮上述水、土壓力條件，采用樁頂與承臺(tái)固結(jié)計(jì)算、鉸接復(fù)核）。

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，算例結(jié)構(gòu)簡圖見圖4所示，其基本參數(shù)見表2～表4所列。

圖4 高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

表2 某工程高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表（一）

表3 某工程高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表（二）

表4 算例采用的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)表

常用計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）計(jì)算結(jié)果見圖5～圖8所示，表5所列。

圖5 常用計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖6 常用計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）樁前地基反力圖

圖7 常用計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖8 常用計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）結(jié)構(gòu)軸力圖

表5 常用計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）結(jié)果匯總表（標(biāo)準(zhǔn)值）

本文推薦計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）的計(jì)算結(jié)果見圖9～圖12所示，表6所列。

圖9 推薦計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖10 推薦計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）樁前地基反力圖

圖11 推薦計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖12 推薦計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）結(jié)構(gòu)軸力圖

表6 推薦計(jì)算方法（樁頂固結(jié)）結(jié)果匯總表（標(biāo)準(zhǔn)值）

采取樁頂鉸接計(jì)算方法核算樁身彎矩結(jié)果見圖13～圖15所示。表7為高樁頂臺(tái)結(jié)構(gòu)穹矩計(jì)算匯總表（標(biāo)準(zhǔn)值）。

圖13 推薦計(jì)算方法（樁頂鉸接）樁前地基反力圖

圖14 推薦計(jì)算方法（樁頂鉸接）結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖15 推薦計(jì)算方法（樁頂鉸接）結(jié)構(gòu)軸力圖

表7 高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算匯總表（標(biāo)準(zhǔn)值）

采用常用的計(jì)算方法與本文推薦的計(jì)算方法在計(jì)算結(jié)果上的比較如表8所列。

表8 常用方法與本文推薦方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比一覽表

從表8可知，采用常用方法計(jì)算所得的樁頂位移及后排樁頂彎矩均較本文計(jì)算結(jié)果大，且為本文計(jì)算值的1.5倍以上；而后兩排樁的樁身最大彎矩計(jì)算值較本文計(jì)算方法小約50%以上；特別是第三排樁樁軸力僅為本文計(jì)算值的1/3?？梢妼?duì)于樁頂彎矩常用計(jì)算方法安全富裕度過大，而樁身彎矩又偏于危險(xiǎn)，特別是第三排樁軸力。

如果采用常用計(jì)算方法的結(jié)果，在樁頂彎矩滿足條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)加大第二（兩排樁情況時(shí)）、三排樁間距。雖然在一般情況下是比較合理，但若墻后超載或墻前超挖嚴(yán)重，樁頂出現(xiàn)塑性鉸的情況下，后排樁的樁軸力將明顯增大，若樁基承載力不足，則會(huì)造成承臺(tái)向后傾斜，使得承臺(tái)底板彎矩迅速增大，底板有斷裂危險(xiǎn)，導(dǎo)致嚴(yán)重的出險(xiǎn)后果。

3 結(jié)論

在前板樁高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，常用的計(jì)算方法往往未考慮土體滲流對(duì)墻后水壓力的變化、開挖對(duì)墻前土壓力的影響、墻前后水位組合的合理性，以及樁頂與承臺(tái)連接的剛度等。本文通過總結(jié)相關(guān)規(guī)范及研究，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，擬合并推薦對(duì)于高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)更為準(zhǔn)確的計(jì)算方法。

通過算例，對(duì)本文推薦的計(jì)算方法與常用的計(jì)算方法進(jìn)行了比較分析，重點(diǎn)對(duì)于樁頂連接方式上得出如下結(jié)論：

（1）關(guān)于樁頂彎矩，本文計(jì)算方法較常用方法計(jì)算結(jié)果更合理，可避免造成不必要的浪費(fèi)。

（2）關(guān)于樁身最大彎矩，常用方法計(jì)算偏于危險(xiǎn)，有樁身斷裂的危險(xiǎn)。

（3）關(guān)于樁軸力，常用方法計(jì)算結(jié)果易給設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤誤導(dǎo)，使得后排樁存在樁基承載力嚴(yán)重不足的危險(xiǎn)。

綜上所述，通過本文的計(jì)算方法，在工程總投資基本不變的前提下，將使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理也更安全。

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