淺談擴展獨立柱基礎的抗沖切設計與施工

徐國炎

（廈門順安隆工程建設有限公司，福建 廈門 361000）

淺談擴展獨立柱基礎的抗沖切設計與施工

徐國炎

（廈門順安隆工程建設有限公司，福建 廈門 361000）

國內目前的房屋基礎按其埋深可分為淺基礎和深基礎。淺基礎主要以擴展基礎為主，擴展基礎系指柱下獨立基礎、墻下條形基礎和筏形基礎。本文根據工程實例，對擴展獨立柱基礎的抗沖切設計與施工進行探討。

擴展獨立柱基礎；抗沖切設計；施工

深基礎包括有柱、墩、沉井、地下連續墻等。淺基礎按使用材料的不同，可分為柔性基礎或彈性基礎和剛性基礎。柔性基礎和彈性基礎均以采用鋼筋砼為主，柔性和彈性采用何種設計理論及配筋量不同，柔性基礎的配筋量大于彈性基礎的配筋量。剛性基礎主要有砼基礎、毛石砼基礎、磚基礎、毛石基礎、灰土基礎等，均無配置鋼筋抵抗變形拉力。淺基礎的地基又可分為天然地基和人工地基。天然地基為基礎持力層直接落于天然老土層或巖石上。人工地基為基礎持力層無法直接落于天然老土層或巖石上，而需要經過處理后才能作為持力層的地基，如換填、強夯、灰土攪拌等。淺基礎是相對深基礎而言的，二者的差別主要在施工方法及設計原則。下面主要淺論天然擴展淺基礎的抗沖切設計與施工成本。

1 天然擴展淺基礎設計高度與施工成本的關系

施工成本由人工費、材料費、機械費、措施費、管理費等組成。當基礎底面積確定后，沖切承載力取決于基礎高度，基礎高度越高沖切承載力越大，施工成本越高。剛性基礎即根據上部的荷載大小與地基承載力確定基礎底面積，基礎高度按剛性角或基礎臺階高寬比確定，具體執行GB50007-2002《建筑地基基礎設計規范》。因剛性基礎的材料的抗沖切拉應力強度較低，若上部荷載稍大時，基礎高度將較大，施工成本也隨之較高。柔性或彈性基礎的底面積也是根據上部荷載與地基承載力確定，基礎高度也取決于抗沖切承載力。沖切力越大基礎高度越高，成本也就越高。柔性或彈性基礎高度按規范的沖切公式確定。

2 柱下獨立基礎抗沖切破壞機理

按規范規定柱下獨立基礎、筏板基礎與條形基礎高度分別采用不同的設計方法。柱下獨立基礎的受沖切機理：柱下獨立基礎在柱中心荷載F(KN)作用下，如果基礎高度不足，則將沿著柱周邊（或階梯高度變化處）產生沖切破壞，形成與底面夾角為45°的斜裂面的角錐體（如右圖）。因此，由沖切破壞錐體以外（AL）的地基反力所產生的沖切力（FL）應小于沖切面砼的抗沖切能力。

對于矩形獨立柱基礎，柱短邊一側沖切破壞較柱長邊一側危險，所以一般只需根據柱短邊一側沖切破壞條件來確定底板厚度，即求矩形截面柱的矩形基礎，應驗算柱與基礎交處（如下圖）以及基礎變階處的受沖切承載力。按式FL≤0.7βhpftαmho驗算。

3 按規范的方法計算抗沖切承載力確定基礎高度砼無法充分利用

《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2002規定根據受沖切機理及規范規定分析，AL 范圍地基反力產生的沖切應力為與底面成45°角的拉應力。規范僅考慮由沖切面砼來承沖切拉應力，而砼的抗拉強度ft又很低，若在柱中心荷載很大的情況下，套用FL≤0.7βhpftαmho計算，勢必造成基礎厚度很厚，特別是在地基承載力較高（如巖石層）的情況下，多層或小高層較多設計成獨立柱基礎，經常出現基礎厚度超過一米，這種持力層落于堅硬土層或巖石上的多層或小高層的獨立柱基的砼僅在沖切面才能充分利用。在其他位置均無法充分利用，對施工的經濟成本及工期而言均不太合理，在堅硬土層或巖石層上鑿出基坑，效率低、工期長，若受自然因素影響（如下雨）基坑又需要抽水，成本就更高。所以，在堅硬土層或巖石層上，基礎高度越小經濟成本及工期成本越低。若能考慮在受沖切面配置一些抗沖切拉應力的鋼筋，那么基礎的厚度就能大大減少，又能充分發揮鋼筋抗拉與砼抗壓材料強度的優勢，并達到節約施工經濟成本及縮短工期的目的。

4 獨立柱基抗沖切受力的破壞特征與梁抗剪的相似性及計算公式套用建議

獨立柱基受沖切的破壞形式與梁的受剪破壞形式極其相似，破壞時均產生斜裂縫。若在可能出現斜裂縫的位置配置一定數量的鋼筋來抵抗沖切拉應力，這些鋼筋與可能出現的斜裂縫相互垂直，如下圖，基礎厚度按規范規定最小厚度。公式參照受剪彎起鋼筋的計算公式。

因抗沖切公式的amho為抗沖切面面積，0.7為角度系數，βhp為受沖切承載力截面高度系數（09～1.0）ft為砼軸心抗拉強度設計值。整個公式的物理力學意義為受沖切面的抗沖切拉力的設計值。受剪彎鋼筋的抗剪拉力公式0.8fyAsSina,0.8為彎起鋼筋受剪承載力的折減系數，與βhp相似；Sina 彎起鋼筋的角度與受沖切承載力公式的0.7 相似。fyAs為受剪面鋼筋的抗拉強度，與amho相似。從擴展基礎的受沖切破壞機理至設計計算均與梁的抗剪非常相似，僅名稱與代號不統一而已，因此，認為要充分發揮材料強度優勢，天然擴展淺基礎在設計基礎高度時，在受沖切面配置一定數量的鋼筋來抵抗沖切拉應力，計算時套用梁抗剪的彎起鋼筋計算公式可減少基礎高度，達到降低工程造價，縮短工期等目的。

5 設置抗沖切鋼筋達到節約施工成本及縮短工期的實例分析

案例一：某工程地上六層 下地一層 地下室為消防水池、水泵房，采用柱下獨立基礎，獨立柱基面設置鋼筋砼梁式筏板基礎，筏板厚度300，砼強度等級C30，梁式筏板基礎僅受構件自重及地面載。獨立柱基平面如下，柱截面尺寸均為600×700，基礎的單個最大荷載為作用在柱底的荷載效應基本組合設計值：

中心豎直荷載F=5257.14KN，力矩M=2800KN.M，基礎尺寸為4600×3300×300～1100。驗算抗沖切,并進行造價工期等比較。

若采用配置適量鋼筋與沖切面垂直位置基礎邊緣厚度以滿足規范的最小要求200，柱邊厚度選用400。計算配筋設置如前所述，再進行驗算。配置1225。

公式套用彎起鋼筋抗剪承載力：亞砂土及薄層粉砂。

（2）2-2：淤泥質亞粘土：灰色，流塑，夾薄層粉砂。

（3）2-3：亞粘土：灰色，流塑，夾粉砂，局部為亞砂土夾亞粘土。

（4）2-4：亞粘土：青灰色，軟塑，含氧化鐵斑，欠均一。

（5）3-1：亞粘土：灰色～褐黃色，硬塑，含少量鐵錳結核及灰色高嶺土條帶、浸斑。

（6）3-2：亞粘土：灰黃～灰色，軟塑，夾亞砂土。

（7）4-1：鈣質泥巖(強風化)：紫褐色，原巖經強烈風化呈砂土、粘土夾碎石狀。

3 主要施工方法

3.1 鉆孔樁施工

根據地質情況，本工程樁基礎采用Ф1.2m沖擊鉆孔樁施工。

3.2 沉井施工

經測量靠岸側基坑的開挖深度最大達11.5m，如采用全面放坡開挖，基坑開挖面積太大，很容易造成對老橋基礎的影響，且在標高1.0～3.0m之間土層為淤泥質土，很容易造成基坑坍方，承臺基坑采用沉井支護。

3.3 斜腿剛構0號段施工

斜腿剛構0號段采用斜腿鋼桁架和平衡架的施工方法，通過設置后錨墩，設計臨時預應力束張拉，成功的完成了斜腿0#段的施工。

斜腿剛構0號段施工時分三次澆筑砼成型，第一次澆筑至標高8.68米處（距斜腳根部約5.5m），第二次澆筑至箱梁底板，第三次0#段澆筑完畢。為防止斜腿根部出現砼開裂，在第二次混凝土澆筑前，利用斜腿后側平衡剛架及承臺上現澆的鋼筋混凝土錨墩對斜腿進行張拉，張拉之前用型鋼（2[32a]對斜腿進行橫向支撐。

3.3.1 支架

0號 段平衡剛架采用2[32a（背焊）加工成型，單箱共設置5組平衡剛架。平衡鋼架在場外按設計加工成形，現場單件安裝焊接，組拼成型；同時進行斜腿鋼桁架安裝施工，鋼桁架單組在場外加工成型，斜腿桁架上下弦桿采用2[25加工（上下弦桿根部2m范圍采用δ=1cm的鋼板加固）直桿及斜桿采用2[10加工。平衡鋼架頂標高為8.18m，從頂往下46cm設2[32a的對口撐，并與斜腿上的預埋鋼板焊接。斜腿斷面中心預埋錨墊板，鋼絞線一端與錨墊板連接固定，另一端通過錨墩進行張拉。鋼絞線穿過斜腿部分通過預埋的波紋管（波紋管與水平方向夾角為13度）防止與砼的接觸。

平衡架頂設28a工字鋼作為分配梁，間距60cm；分配梁頂搭鋼管腳手架，間距：60*60cm。0#段其余部分采用滿堂腳手架施工，間距：60*60cm。平衡架及斜腿桁架組與組之間均用[12設置剪刀撐。

圖二 斜腿0#段施工圖

3.3.2 斜腿臨時張拉

0# 段克服水平力張拉束共設置5束，每束鋼絞線設計7根，采用7-φ15.24高強度低松弛鋼絞線，每根鋼絞線受控力為19.53t（每根鋼絞線張拉力按張拉至0.75Ry來控制）。0#段第一次砼混凝土澆筑完畢，混凝土等強至80%設計強度后，進行應力張拉。 張拉時，先局部拆除槽口模板，利用承臺上的臨時錨墩對斜腿進行單端張拉，張拉順序按從中間向兩側對稱張拉。

3.3.3 模板

0號 塊采用竹膠模板作為外模，由于斜腿靠河心側砼與桁架之間凈空只有23cm，且桁架之間最大間距為2.2m。模板背帶縱向采用5*8cm的方木，間距25cm，橫向采用14mm槽鋼加固，間距30cm?？亢有膫刃蓖饶０辶⒑弥?，綁扎斜腿鋼筋及預埋各種預埋件；然后再施工靠河岸側模板，模板縱向背帶方木，橫向采用鋼管加固，利用“3”形卡，設置拉桿把斜腿兩側模板連接起來。

箱梁外模除底板采有膠合板外，其余部位全部采用光面竹膠板。箱梁內模采用鋼木組合型式。內模內框架采用5×10cm方木，側面及底面采用2cm厚木板，頂面采用標準鋼模板。

3.3.4 波紋管的定位與安裝

普通鋼筋綁扎成型后，按照預應力束道的定位坐標，由中向兩端在底模上畫好標線，并編上號，按每個斷面預應力束道的豎向尺寸綁扎、焊接好定位箍筋，再穿入波紋管，綁扎牢固。

3.3.5 混凝土施工

砼采用攪拌站商品砼，砼坍落度控制在16±2cm，摻加早強緩凝劑，砼初凝時間不得小于6h，砼強度7天內達到設計強度的80%。

混凝土澆注在立面上分三次灌注：第一次灌注斜腿；第二次灌注箱梁底板，第三次灌注箱梁腹板、頂板及翼板。箱梁混凝土采用泵送入模，插入式振動器振搗。

3.4 斜腿剛構1號段施工

1# 段斜坡段長9.414m，分三次進行澆筑成型。為便于2#段支架搭設，斜坡段每隔90cm設置一個小臺階，并預埋鋼筋。底模采用土模，并按照設計坡度進行刷坡，澆筑墊層混凝土。側面采用膠合板，背帶方木，并采用鋼管撐加固。斜坡段澆注完畢之后，進行1#段配重梁施工。

3.5 斜腿剛構2、3號段施工

3.5.1 支架

2號 段箱梁底板支架采用鋼管支架，縱×橫=90×60cm；翼板下支架：90×90cm。

3號 段支架采用貝雷桁片組上設分配梁(工25)，間距75 cm；分配梁上搭設鋼管支架。底板下采用75×90cm鋼管支架，腹板及隔板下支架間距50×50cm。

全橋共布置6排支撐樁，從北至南依次編號為：A、B、C、D、E、F排，各排均采用鋼管樁，鋼管樁直徑均采用Φ400mm，壁厚10mm。通過對打入樁的靜載試驗及現場實際情況，樁頂標高取值為：7.422m，兩座橋A排共需布置27根樁，樁長13.6m；其中B排樁樁長12.3m，布置27根；C排樁樁長12.8m，布置31根；D排樁樁長13.2m，布置31根；E排樁樁長13.3m，布置27根，F排樁樁長14.4m，布置27根。鋼管樁上口采用2根35a工字鋼作為分配梁，工字鋼上口縱向采用貝雷片桁架。

3.5.2 模板

箱梁外模全部采用光面竹膠板。在支架頂面縱向鋪設15×15cm方木，橫向鋪設10×10cm方木。鋪設間距30cm。竹膠板用電鉆打孔，圓釘固定在方木上。模板分兩次立模，第一次為底板、挑臂及隔板，第二次為箱梁頂板內模。

箱梁內模采用鋼木組合型式。內模內框架采用5×10cm方木，側面及底面采用2cm厚木板，頂面采用標準鋼模板。內模預先在加工場加工成型，接縫嚴密。

模板安裝工藝同0號塊。支架預壓原理同0#段。

3.5.3 鋼筋、混凝土及預應力施工

混凝土澆筑分一次進行。其他施工工藝同0號塊。

3.6 斜腿剛構4號塊施工

剛構4號段支架利用河中鋼管支架及貝雷桁片作為施工平臺，其他施工工藝同3號塊。

4 預應力施工

4.1 預應力筋的下料綁扎

下料前制作一個轉盤，把鋼絞線卷套入轉盤內，上面用十字橫桿卡住，轉動轉盤拉出鋼絞線，按每束鋼絞線的設計長度在下料槽內拉直，放平用砂輪切割機切斷，并及時用扎絲將端部扎緊，然后按每束鋼絞線的根數進行編束，編束時應先將鋼絞線理順，用扎絲每隔1.0～1.5m把鋼絞線束扎緊，每根鋼絞線的方位一致。

4.2 鋼絞線安裝

鋼絞線在灌注砼前穿入，穿入端頭分三層制成錐形，并套上穿束器，通過牽引鋼絲繩將鋼絞線束從孔的一端拉到另一端，至兩端外露長度大致相等，同時注意鋼絞線不得扭轉。

4.3 鋼絞線的張拉工藝

4.3.1 張拉

為了校驗預應力值，在張拉過程中測出預應力筋的實際伸長值，如與計算值相差±6%以上時，必須檢查其原因后，再行張拉。

張拉程序：0→僑張拉初始力（0.1σk）→σk控制力（持荷2 分鐘）→錨固→回零。

4.3.2 孔道壓漿

張拉完畢后，及時進行孔道壓漿，以不超過24小時為宜，以免引起預應力筋銹蝕或松弛。并及時將夾片周圍預應力筋間隙用水泥砂漿封錨；封錨水泥砂漿強度不達到10MPa不得壓漿。壓漿泵輸漿壓力保持在0.5～0.6MPa，以保證壓入孔道內的水泥漿密實為準，并有適當穩壓時間（一般30秒）。水泥漿強度須保證在28天強度能達到設計要求或不低于35MPa，水泥漿的試件強度達到15MPa時，方能吊移，并及時封錨。

結束語

通過此工法，對于設置后錨墩，采用斜腿鋼桁架和平衡架的施工方法，分段張拉，比較成功的完成了斜腿鋼構的施工。

[1]邱式中.鋼構橋結構新體系及其施工技術(二)——鋼梁拱圈的施工建筑施工，2003-07-30.

[2]姚廣成，鄭鳳霞，李曉鴻.一連續鋼構橋主墩承臺有限元分析.科技信息(科學教研)，2008-05-20

[3]蘭英.大跨徑預應力混凝土連續剛構橋的施工仿真分析.石油大學，2009-05-01.

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