地下一層車站抗拔樁優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

張加春 謝軍

摘 要：地鐵線路起點(diǎn)或者終點(diǎn)一般為地下一層車站，因其覆土少，通常需要設(shè)置大量抗拔樁以滿足車站抗浮要求。本文結(jié)合蘇州某地下一層車站實(shí)際設(shè)計(jì)案例，通過(guò)不同的樁徑、樁長(zhǎng)對(duì)比分析其抗拔指標(biāo)，以此確定最合理的抗拔樁樁徑與樁長(zhǎng)，同時(shí)，提出采用樁側(cè)后注漿技術(shù)，提高抗拔樁的單樁承載力，進(jìn)一步降低抗拔樁造價(jià)，為后續(xù)地鐵項(xiàng)目抗拔樁的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：抗拔樁;單樁承載力;后注漿;抗拔指標(biāo)

中圖分類號(hào)：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）18-0078-04

Abstract： The starting point or the end point of a subway line is generally an underground station. Because of its less soil cover， a lot of uplift piles are usually required to meet the anti-floating requirements of the station. This paper combined the actual design case of an underground station in Suzhou and passes through different piles diameter and pile length were compared to analyze the uplift index to determine the most reasonable uplift pile diameter and pile length. At the same time， it was proposed to adopt post-pile grouting technology to increase the single pile bearing capacity of the uplift pile and further reduce the cost of uplift piles and provides a reference for the design of uplift piles in subsequent subway projects.

Keywords： uplift pile;single pile bearing capacity;post-grouting;uplift index

地鐵車站按照線路布線情況，可分為高架站、地下一層站、地下兩層站、地下三層站等。其中，地下一層車站站臺(tái)層位于地下一層，站廳層位于地面一層，往往設(shè)置于線路起點(diǎn)或終點(diǎn)處。

因地下一層車站線路埋深淺，車站頂板覆土較少，甚至無(wú)覆土，為了滿足車站整體抗浮要求，往往需要設(shè)置大量抗拔樁?？拱螛兜脑O(shè)置無(wú)疑會(huì)增大車站投資，而且考慮到樁機(jī)的施工空間要求，樁機(jī)只能在地面施工，造成大量空樁的浪費(fèi)。有研究表明[1]，車站土建工程投資占整個(gè)地鐵項(xiàng)目的投資比重最高，約20%。而車站土建投資中，抗拔樁的施工成本占比較大，所以，合理選取抗拔樁的樁徑、樁長(zhǎng)等設(shè)計(jì)參數(shù)尤為重要。本文以蘇州某地下一層車站為例，從經(jīng)濟(jì)性等角度對(duì)車站抗拔樁方案進(jìn)行研究分析。

1 車站設(shè)計(jì)概況

該站為蘇州某地鐵線路起點(diǎn)站，站臺(tái)層位于地下一層，站廳層位于地面一層，出入口與地面廳合設(shè)。車站標(biāo)準(zhǔn)段埋深約10.45 m，寬度為19.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面見(jiàn)圖1。車站基坑采用SMW工法（Soil Mixing Wall，新型水泥土攪拌樁墻）樁圍護(hù)體系，明挖法施工。土層自上至下分別為：①-2雜填土層、①-3素填土層、③-1黏土層、③-2粉質(zhì)黏土層、③-3粉土層、④-2砂質(zhì)粉土夾粉砂層、⑤-1粉質(zhì)黏土層、⑥-1黏土層、⑥-2粉質(zhì)黏土層、⑦-2砂質(zhì)粉土層、⑦-3粉質(zhì)黏土層，地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)區(qū)域資料，蘇州歷史最高潛水位為2.63 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），最低潛水位為-0.21 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），年變化幅度一般為1～2 m。本站抗浮設(shè)防水位可取設(shè)計(jì)室外地坪標(biāo)高（或自然地面標(biāo)高）下0.50 m或蘇州歷史最高潛水位2.63 m之間的高值。

2 抗拔樁設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

2.1 抗拔樁樁徑、樁長(zhǎng)選型

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157—2013）[2]11.6.1中第6條，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按最不利情況進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。抗浮安全系數(shù)不計(jì)入地層側(cè)摩阻力時(shí)不應(yīng)小于1.05。在考慮結(jié)構(gòu)自重的情況下，以車站縱向每米進(jìn)行抗浮計(jì)算，本工程結(jié)構(gòu)自重為1 327 kN/m，水浮力為2 159 kN/m。抗浮安全系數(shù)為1 327/2 159=0.61<1.05，需要設(shè)置抗拔樁。

以樁徑700 mm、樁長(zhǎng)30 m為例，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）[3]5.4.5條公式計(jì)算單樁抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值[NK]。

式中：[NK]為單樁抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值;[Tuk]為基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值;[ui]為樁身周長(zhǎng);[qsik]為樁側(cè)表面第[i]層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;[λi]為抗拔系數(shù);[li]為樁周第[i]層土的厚度;[Gp]為基樁自重，地下水位以下取浮重度。

計(jì)算得到單樁抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 448 kN，需要配鋼筋21E25，按照概算單價(jià)計(jì)算得出單樁造價(jià)約6.39萬(wàn)元，引入“抗拔指標(biāo)”概念，即每萬(wàn)元所能提供的單樁抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，可得樁徑700 mm、樁長(zhǎng)30 m的抗拔指標(biāo)為227 kN/萬(wàn)元，其他不同樁徑、不同樁長(zhǎng)下抗拔指標(biāo)見(jiàn)表2。

相同樁徑、不同樁長(zhǎng)的抗拔指標(biāo)趨勢(shì)見(jiàn)圖2，相同樁長(zhǎng)、不同樁徑的抗拔指標(biāo)趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

從圖2可知，當(dāng)樁徑相同時(shí)，樁長(zhǎng)增加，單樁抗拔承載力雖有所提高，但配筋也進(jìn)一步加大，導(dǎo)致抗拔指標(biāo)降低，造價(jià)提高。從圖3可知，當(dāng)樁長(zhǎng)相同時(shí)，樁徑為800 mm的樁[，]其抗拔指標(biāo)最高，因此，一般地鐵工程中常選用樁徑為800 mm的抗拔樁。在本項(xiàng)目中，若采用樁徑為800 mm、樁長(zhǎng)為30 m的抗拔樁，共需要抗拔樁88根，抗拔樁投資達(dá)623萬(wàn)元，費(fèi)用占比較大，故進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化抗拔樁布置方案十分必要。

2.2 樁側(cè)后注漿技術(shù)

鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)是在樁身強(qiáng)度達(dá)到一定要求后，通過(guò)樁身內(nèi)部預(yù)埋的注漿管道向樁體內(nèi)灌注水泥漿液，以提高基樁的樁端或樁側(cè)摩阻力[4]。該技術(shù)首次應(yīng)用于1958年設(shè)計(jì)的委內(nèi)瑞拉馬拉開(kāi)波湖大橋樁基礎(chǔ)[5]，隨后陸續(xù)在國(guó)內(nèi)外樁基工程中應(yīng)用。

樁側(cè)后注漿常用的注漿方式為環(huán)向點(diǎn)式注漿，即將注漿器沿樁周環(huán)向布置，通過(guò)不同深度多個(gè)環(huán)形注漿斷面實(shí)現(xiàn)整個(gè)樁身注漿。樁側(cè)后注漿裝置由縱向注漿導(dǎo)管、環(huán)形管及注漿器組成，注漿器通過(guò)環(huán)形管連接并沿環(huán)向?qū)ΨQ布置?？v向注漿導(dǎo)管是連接地面注漿系統(tǒng)與環(huán)形管的過(guò)渡管材，與鋼筋籠主筋綁扎固定并一起下放至孔內(nèi)，見(jiàn)圖4。環(huán)形管同時(shí)與縱向注漿導(dǎo)管連通，每個(gè)環(huán)形管沿周對(duì)稱設(shè)置4個(gè)注漿器，注漿器為單向閥式構(gòu)造。注漿時(shí)，漿液由縱向注漿導(dǎo)管經(jīng)環(huán)形管通過(guò)注漿器的單向閥直接注入土層。

2.3 抗拔樁優(yōu)化設(shè)計(jì)

后注漿灌注樁的單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值[Quk]可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）中5.3.10的公式計(jì)算：

式中：[u]為樁身周長(zhǎng);[lj]為后注漿非豎向增強(qiáng)段第[j]層土厚度;[lgi]為后注漿豎向增強(qiáng)段第[i]層土厚度;[qsik]和[qsjk]分別為后注漿豎向增強(qiáng)段第[i]層土初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、非豎向增強(qiáng)段第[j]層土初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;[βsi]為后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）中明確提出，當(dāng)[βsi][無(wú)]當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，可按表5.3.10取值。表中黏性土、粉土[βsi]的取值范圍為1.4～1.8，本工程取值1.6;粉砂、細(xì)砂[βsi]的取值范圍為1.6～2.0，本工程取值1.8。對(duì)樁徑分別為700 mm、800 mm、900 mm，樁長(zhǎng)分別為30 m、35 m、40 m的抗拔樁計(jì)算抗拔指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表3。慮樁側(cè)后注漿的抗拔指標(biāo)趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

由圖5可知，考慮樁側(cè)后注漿的抗拔指標(biāo)變化趨勢(shì)與不注漿的抗拔樁一致，也是樁徑為800 mm、樁長(zhǎng)為30 m的抗拔樁經(jīng)濟(jì)性最高。

結(jié)合表2、表3可知，采用樁側(cè)后注漿，抗拔樁單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值可提高約60%，抗拔指標(biāo)提高約30%。本工程中，采用樁側(cè)后注漿技術(shù)，樁徑為800 mm、樁長(zhǎng)為30 m的抗拔樁僅需設(shè)置54根，可減少34根，總造價(jià)約478萬(wàn)元，較623萬(wàn)元優(yōu)化約23%，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

2.4 試樁結(jié)果

為了驗(yàn)證各土層的極限側(cè)摩阻力和后注漿側(cè)摩阻力增強(qiáng)系數(shù)選取的合理性，本工程共對(duì)3組試樁進(jìn)行了靜荷試驗(yàn)，試樁結(jié)果見(jiàn)表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，考慮樁側(cè)后注漿的抗拔樁承載力，在5 500 kN試驗(yàn)荷載下未達(dá)到極限，樁頂變形與回彈率表明其仍有承載潛能，說(shuō)明設(shè)計(jì)選用的參數(shù)是合理的，抗拔樁的承載能力是有保證的。

3 結(jié)論

本工程引入抗拔指標(biāo)的概念，即每萬(wàn)元所能提供的單樁抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)對(duì)不同樁徑、不同樁長(zhǎng)下抗拔指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析得出，相同樁徑下，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，抗拔指標(biāo)越低;相同樁長(zhǎng)下，樁徑為800 mm的抗拔樁的抗拔指標(biāo)最高。

采用樁側(cè)后注漿技術(shù)，抗拔樁的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值能顯著提高，提高約60%，抗拔指標(biāo)增加約30%。結(jié)合試樁結(jié)果，對(duì)于本工程中樁側(cè)注漿側(cè)摩阻力增強(qiáng)系數(shù)，黏性土、粉土取值1.6，粉砂、細(xì)砂取值1.8是合理的。

綜上所述，樁側(cè)后注漿技術(shù)在地鐵工程項(xiàng)目中是可以推廣應(yīng)用的，并且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，為后續(xù)地鐵工程抗拔樁設(shè)計(jì)提供參考。

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