沿海复杂地质条件下结构受力计算模型研究及钻孔咬合桩特性指标优化

沿海复杂地质条件下结构受力计算模型研究及钻孔咬合桩特性指标优化

唐勇

中电建南方建设投资有限公司  广东省深圳市  518000

摘要：钻孔咬合桩作为一种适应于沿海复杂富水破碎带地层的新型基坑支护结构，因其良好的围护效果而多被沿海城市地铁工程所采用，但受多种因素的制约咬合质量往往不佳。本文以深圳城市轨道交通工程12号线基坑较深且临近海边穿越深厚填块石等复杂地质条件的太子湾站为研究对象，主要研究沿海复杂环境下，围护结构施工钻孔咬合桩钻孔咬合桩荤素桩特性指标优化和沿海复杂地质钻孔咬合桩围护结构受力计算模型研究。本研究不仅对于本工程有重要的现实意义，直接指导工程施工，同时所获得研究成果可为以后类似工程的设计和施工提供参考。

关键词：沿海复杂地质；钻孔咬合桩；特征指标优化；计算模型研究

中图分类号：TU921 文献标志码：A

Study on comprehensive technology of drilling occluding pile under complex coastal geological conditions (deep filling block rock layer + medium weathering hard rock stratum)

Abstract:As a new type of foundation pit supporting structure adapted to the stratum of the complex water-rich broken zone along the coast, the bored bite pile is often used in the subway projects in coastal cities because of its good retaining effect, but the bite quality is often poor due to many factors. Based on the shenzhen urban rail transit project line 12, deep foundation pit and adjacent sea through complex geological conditions, such as deep fill stone taizi bay station as the research object, mainly study the coastal complex environment, palisade structure construction drilling occlusive pile drilling occlusive piles element of characteristic parameters optimization and coastal complex geological drilling occlusive piles retaining structure calculation model research. This study not only has important practical significance for this project, but also directly guides the construction of the project. At the same time, the research results obtained can provide reference for the design and construction of similar projects in the future.

Keywords:Complex coastal geology; Bored bite pile;Characteristic index optimization; Study on Computational Model

0 引言

地铁工程作为一项关乎民生的大工程，势必会随着城市发展、交通压力增大而延伸向新型的经济开发中心地带填海区，地铁如何穿越沿海深厚填块石层及海陆交互相地层等复杂地质环境就成为了一项新起的热门课题。本文主要对沿海复杂地质条件下（深厚填块石层+中风化硬岩地层）钻孔咬合桩钻孔咬合桩特性指标优化及结构受力计算模型研究进行探讨与研究。

1 工程概况

深圳地铁12号线太子湾站位于蛇口太子湾片区规划汇海路，沿汇海路东西方向布置，车站长240m，宽21.5m，基坑深28`30m，车站为地下四层结构，采用明挖顺筑法施工。车站三面环海，东侧距海160m，西侧距海140m。图1太子湾车站平面位置及周边环境布置图

Fig. 1 Plane position and surrounding environment layout of Taiziwan Station

主体围护结构采用咬合桩。在咬合桩穿越地层位置，采用冲击钻引孔破碎填块石层及中风化硬岩层并原位回填粗砂，使后续咬合桩机可顺利施工。在小里程端与太子湾总部东广场地下室外墙相邻的9.53m段咬合桩由钢筋混凝土桩（A序桩）桩径1200mm+素混凝土桩（B序桩）桩径1200mm的咬合桩组成，桩中心距1500mm，相邻两桩咬合450mm；其余段咬合桩由钢筋混凝土桩（A序桩）桩径1500mm+素混凝土桩（B序桩）桩径1200mm的咬合桩组成，桩中心距2000mm，相邻两桩咬合350mm。做咬合桩前，对该部分土柱进行旋喷桩加固。

图2 太子湾站咬合桩平面布置图

Fig. 2 Layout of occlusal pile at Taiziwan Station

图3 太子湾站咬合桩咬合示意图

Fig. 3 Schematic diagram of occlusal pile at Taiziwan Station

2.咬合桩理论计算模型研究

2.1咬合桩理论分析方法概述

作为一种新型的基坑支挡结构, 钻孔咬合桩在设计计算中应遵循以下几个原则。

（1）抗变形：素混凝土桩仍具有一定的抗变形能力，在变形过程中会产生一定裂缝而削弱其刚度，本文采用0.8的折减系。

（2）抗弯：由于混凝土的抗拉强度远小于钢筋，计算不考虑素混凝土桩的抗弯能力。

（3）配筋桩与素混凝土桩混凝土的材料存在差异。为便于施工切割，素混凝土桩一般采用C15、C20混凝土，并放入缓凝型减水剂；配筋桩一般采用C25、C30、C35混凝土。

基于上述原则，本文借鉴地下连续墙、SMW（劲性水泥土墙）工法桩等围护结构的计算模型，对钻孔咬合桩围护结构提出刚度等代地下连续墙的设计计算方法。

2.2咬合桩理论修正模型推导

本文钻孔咬合桩的理论分析方法是基于刚度等效原则，采取钻孔咬合桩等效成地下连续墙的修正计算模型进行分析计算。以下针对由不同桩径的荤素桩组成的钻孔咬合桩结构给出修正后的等效刚度的计算公式：

(2-1)

图4 咬合桩计算模型示意图

Fig. 4 Schematic diagram of calculation model of occlusal pile

钢筋混凝土桩桩体截面惯性矩：

                      （2-2）

去掉咬合区域后素桩截面惯性矩：

                （2-3）

图5 咬合桩截面惯性矩计算简图

Fig. 5 Calculation diagram of moment of inertia of occlusal pile section

（2-4）

                                （2-5）

（2-6）

联立上述三个公式并代入公式（2-3）中可得所求素桩的截面惯性矩：

（2-7）

通过分析可确定钻孔咬合桩等效刚度法计算单元长度为（）。

图6 咬合桩截面等效计算简图

Fig. 6 Equivalent calculation diagram of occlusal pile section

公式（2-1）可变换成

            （2-8）

联立上式即可求得等效地下连续墙的有效厚度：

                                （2-9）

本文考虑钢筋对构件刚度的影响基于以下假设：（1） 平截面假设；（2） 钢筋与混凝土黏结良好，不产生滑移；（3） 钢筋混凝土工作于线弹性阶段；（4） 忽略钢筋的抗剪、扭刚度。

基于以上假设，现对混凝土矩形梁构件进行轴向和抗弯刚度的理论推导。

当未考虑钢筋时，构件的轴向刚度为：

                       （2-10）

抗弯刚度为：

                     （2-11）

其中A，Ic为混凝土截面面积和截面惯性矩；L为构件长度。

考虑钢筋作用时，构件的轴向刚度为：

                （2-12）

抗弯刚度为：

                （2-13）

其中                （2-14）

yi为第i根钢筋至截面中性层的距离，Asi为第i根钢筋截面面积。

对于钢筋混凝土桩的圆形截面

                       （2-15）

进行环状配筋时         （2-16）

为了简化公式，假设钢筋中心位于混凝土上下边界。则考虑配筋后，混凝土构件轴向刚度增大系数为

                               （2-17）

抗弯刚度增大系数为：

                               （2-18）

因此，另外考虑荤桩配筋率对于荤桩的抗弯刚度的影响后，等效地下连续墙的有效厚度的计算公式可修正为：

                               （

2-19）

进而完成等效墙体弯矩、剪力及位移的计算，并将其换算成咬合桩的弯矩、剪力及位移。换算计算公式如下：

（2-20）

2.3等效地下连续墙的理论计算方法

地下连续墙是一种地下连续的钢筋混凝土墙体，施工时先沿着基坑外围，用挖槽设备按设计宽度和厚度开挖沟槽，并向槽内放置具有足够刚度的钢筋笼，然后向槽内浇筑混凝土。施工先分段进行，最后将每段拼接起来构成整体结构，有等值梁法、支撑荷载的1/2分担法、山肩邦男弹塑性法、弹性地基梁法、弹塑性法、有限元分析法等。

3.抛填石层超深基坑钻孔咬合桩特性指标优化

3.1 钻孔咬合桩特性指标优化研究意义

钻孔咬合桩因其良好的围护效果而多被沿海城市地铁工程所采用，但是考虑到岩土工程的地域性差别较大，各个地区的地质条件和施工技术和条件不尽相同，因而相关研究暂时还不能在全国范围内同一而论。

3.2 钻孔咬合桩桩径比的影响

考虑到钻孔咬合桩受力过程中素桩承载作用较小，因此这里主要研究咬合桩荤桩的桩径的影响效应，在保持素桩桩径1200mm、咬合量和混凝土刚度不变的情况下，分别设定荤桩桩径1200mm、1300mm、1400mm、1500mm、1600mm等5种工况进行模拟。

图8 不同桩径比工况下围护结构水平位移变化趋势

Fig. 8 Variation trend of horizontal displacement of retaining structure under different pile diameter ratios

从工况1到工况5，随着荤桩桩径的均匀增加，围护结构产生的水平位移显著降低，整个位移趋势基本呈线性变化，随着位移的降低降幅略有减小，咬合桩桩径对于变形的作用效果特别显著。

图10 不同桩径比工况下围护结构弯矩变化趋势

Fig. 10 Change trend of bending moment of retaining structure under different pile diameter ratios

荤桩桩径对于围护结构内力影响较明显，从工况1到工况5，随着荤桩桩径的均匀增加，围护结构所承受的弯矩逐渐增大，整个弯矩增加趋势基本呈线性变化，咬合桩桩径对于内力的作用效果较为显著。

图11 不同桩径比工况下围护结构最大水平位移与弯矩变化趋势

Fig. 11 Variation trend of maximum horizontal displacement and bending moment of retaining structure under different pile diameter ratios

综合考虑以上因素，建议桩径比选取1:1.3，即荤桩桩径1500mm，素桩桩径1200mm（工况4）较为合适。

3.3 钻孔咬合桩咬合量的影响

保持咬合桩桩径以及混凝土刚度不变，分别设定咬合量150mm、200mm、250mm、300mm、350mm等5种工况进行模拟。

图13 不同咬合量工况下围护结构水平位移变化趋势

Fig. 13 Variation trend of horizontal displacement of envelope under different occlusion conditions

咬合量对于围护结构变形具有一定的影响效应，但是影响幅度有限，从工况1到工况5，随着咬合量的均匀增加，围护结构产生的水平位移持续降低，整个位移趋势基本呈线性变化，咬合量对于变形的作用效果相对较小。

图15 不同咬合量工况下围护结构弯矩变化趋势

Fig. 15 Change trend of bending moment of envelope under different occlusion conditions

咬合量对于围护结构内力的影响效应较微弱，工况1到工况5，随咬合量的均匀增加，围护结构所弯矩的变化幅度较小，咬合量对于咬合桩内力的作用效果相对较低。

图16不同咬合量工况下围护结构最大水平位移与弯矩变化趋势

Fig. 16 Variation trend of maximum horizontal displacement and bending moment of envelope under different occlusion conditions

综上所述，咬合桩采用350mm的咬合量时内力与变形结果最为理想。

3.4 钻孔咬合桩荤素桩刚度比的影响

保持荤桩的混凝土等级、咬合荤桩桩径和咬合量恒定，分别设定素桩混凝土等级C15、C20、C25、C30、C35等5种工况进行模拟分析。

图18 不同荤素桩刚度比工况下围护结构水平位移变化趋势

Fig. 18 Variation trend of horizontal displacement of retaining structure under different stiffness ratios of meat and vegetable piles

素桩刚度对于围护结构的水平位移具有较小的影响作用，工况1到工况5，随着素桩刚度的提高，整个位移趋势基本无明显变化。

图20不同荤素桩刚度比工况下围护结构弯矩变化趋势

Fig. 20 Change trend of bending moment of envelope under different stiffness ratios of meat and vegetable piles

通过上述变化趋势曲线能够看出，素桩刚度对于围护结构的弯矩总体上有增大的影响，但影响几乎可忽略不计，素桩刚度对于咬合桩内力的作用很小。

图21 不同刚度比工况下围护结构最大水平位移与弯矩变化趋势

Fig. 21 Variation trend of maximum horizontal displacement and bending moment of envelope under different stiffness ratios

综上可以得出，素混凝土桩身所用混凝土强度对咬合桩所产生的水平位移和弯矩影响不大，通过提高素混凝土桩混凝土强度来减小支护桩的变形是不科学的，建议咬合桩的素混凝土桩采用标号为C20或者C25的混凝土。

4 结束语

本文依托深圳市城市轨道交通12号线太子湾站主体围护结构咬合桩工程实例，首先基于刚度等效原则，针对由不同桩径的荤素桩组成的钻孔咬合桩结构推导出修正后的等效刚度的计算模型，其次深入研究钻孔咬合桩的桩体特性指标对于围护结构的受力形变的影响效应，对不同桩径比、咬合量以及刚度比开展分项研究，探明其影响规律，进而合理调整咬合桩结构参数，实现特性指标的优化设计。

本研究所提出的优化后的参数在太子湾站钻孔咬合桩工程中得到了实际验证，能够推广至深圳沿海区域相同地质条件下的其他钻孔咬合桩工程中。

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