玻璃纖維(GFRP)筋在深基坑支護中的應用與計算

朱兆斌

(杭州鐵路設計院有限責任公司，浙江杭州 310007)

1 概述

為了配合杭州東站擴建工程,需在杭州站新增高架候車室。新建的高架候車室占地面積為3 528 m2,總建筑面積為5 077 m2,地面以上層數為2層、局部3層,建筑高度20.7 m。高架候車室下既有的旅客地道需接長,新增站臺處增設出入口。高架候車室為避讓既有旅客地道,需降低樁基承臺高度,因此形成約5.05～10.08 m深基坑。

2 工程地質

杭州站位于杭州市上城區,地形平坦,區域內為站場線路。本次工程設計高架候車室位于杭州站內,東側近貼沙河,自然地面高程一般為6.5～7.5 m。

本工程場地所屬區域的抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度值為0.05g,設計地震分組為第一組。場地地基土類型為中軟場地土,建筑場地為Ⅱ類。綜合判定該場地為抗震有利地段。

本工程地貌類型表層主要為人類活動形成的人工填土,其下為錢塘江河漫灘相沉積的粉性土層；中部為海陸相交互沉積的黏性土層；下伏基巖有灰巖、泥質粉砂巖及石英砂巖。

根據區域資料及本次勘察,本場地上部地下水為孔隙潛水,水位埋藏較淺,距地表為0.48～3.00 m,相當于黃海高程的5.12～7.13 m之間,該層潛水主要受大氣降水和河流補給影響,地下水位隨季節有所變化,變化幅度約在1～2 m之間。場地附近無污染源存在。根據原地質資料、水質簡分析試驗結果顯示,水化學類型為CL—HCO3—Na+、K+、Ca2+型,pH值分別為7.28和8.17。按《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)有關指標規定,分析判定：本場地地下水(土)對混凝土結構無腐蝕性,對混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性。

3 原基坑支護方案

本基坑的開挖最大深度為10.08 m(黃海高程為-1.90 m),基坑的西側外邊緣緊靠既有四號站臺。新增高架候車室13、14軸基礎的承臺西側外邊緣距離既有鐵路8道中心線僅為50 cm,與既有高架候車室13、14軸基礎的承臺東側外邊緣的距離僅為131 cm(如圖1所示)。

原設計基坑支護結構采用φ1 000鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁長20 m,采用密排布置,樁身外側設置φ60 cm高壓旋噴樁止水帷幕,搭接長度不小于15 cm,坑內設置一道鋼筋混凝土內支撐。

圖1 基坑平面示意

本基坑支護結構嵌入坑底以下部分與在建的地鐵1號線秋濤路—城站區間左右線共四處相交(圖1中的●,即為影響地鐵盾構施工的支護樁)。其中,在里程K10+848附近,地鐵隧道左線中心高程為-9.662 m,右線中心高程-9.718 m；在里程K10+819.5附近,地鐵隧道左線中心高程-10.391 m,右線左線中心高程-10.431 m。

為確保地鐵盾構機順利穿越既有杭州站,需將原基坑支護方案進行優化調整。根據現場實際的施工條件,經多方案比選,最后采用基坑影響地鐵部分的支護樁鋼筋采用玻璃纖維(GFRP)筋替換的優化方案。

4 基坑支護優化方案

4.1 玻璃纖維(GFRP)筋簡介

玻璃纖維(GFRP)筋(Glass Fiber Reinforce Polymer Bars)是一種以合成樹脂為黏結劑,合成纖維為主要增強材料制成的復合材料。GFRP筋的特點是抗拉強度大[σb>500 MPa],可與20MnSi螺紋鋼錨桿抗拉強度相媲美；阻燃、抗靜電、易切割而不會產生火花,可用機械直接切割；耐腐蝕性強,可抵抗氯離子和低pH值溶液的侵蝕,在淋水、酸性較大的工況下使用不銹蝕；不導電,不導熱,耐沖擊性能好；熱應力下尺寸穩定,熱膨脹系數(1×10-5/℃)與鋼材相比更接近水泥；桿體輕,是同樣長度傳統鋼筋重量的25%,運輸方便,大大減輕了工人的勞動強度；可以根據客戶的需要生產一定的彎勾形式,便于結構配筋使用。

GFRP筋應用于連續墻、支護樁配筋,尤其在盾構機進出口洞方面,國際國內已有多個成功案例。諸如：1998年泰國曼谷快運署地下通道工程(MRTA)；2000年新加坡捷運東北線(地鐵)工程；2002年荷蘭阿姆斯特地鐵工程；2004年澳大利亞佩思市地鐵工程；2004年武漢過江隧道工程；2006年成都地鐵1號線工程等。

4.2 GFRP筋的設計與計算

根據FRWS軟件計算的原支護樁結果,檢算GFRP筋范圍內樁身強度(如圖2所示)。

圖2 強度檢算

本支護樁采用C20混凝土,直徑1 000 mm的鉆孔灌注樁,由圖2,GFRP筋范圍內樁的最大彎矩為434.9 kN·m,最大剪力為214.5 kN,截面軸力300 kN。

(1)正截面偏心受壓承載力計算

軸向力N=300 kN,彎矩M=450 kN·m；截面直徑d=1 000 mm；混凝土強度為C20,fc=9.55 N/mm4；GFRP抗拉強度設計值fy=350 N/mm4；GFRP彈性模量Es=60 000 N/mm4；相對界限受壓區高度ζb=0.289；混凝土保護層厚度c=50 mm；全部縱筋最小配筋率ρmin=0.60%。

附加偏心距ea=max{20,h/30}=max{20,33}=33 mm

軸向壓力對截面重心的偏心距eo=M/N=450 000 000/300 000=1 500 mm

初始偏心距ei=eo+ea=1 500+33=1 533 mm

偏心距增大系數η：

ζ1=0.5×fc×A/N=0.5×9.55×

785 398/300 000=12.51>1.0,

取ζ1=1.0

ζ2=1.15-0.01×Lo/h=1.15-

0.01×13 500/1 000=1.02>1.0,

取ζ2=1.0

η=1+(Lo/h)2×ζ1×ζ2/(1 400×ei/ho)=

1+(13 500/1 000)2×1×1/(1 400×

1 533/937.5)=1.08

全部縱向鋼筋的截面面積As由下列公式求得

N≤α×α1×fc×A×[1-sin(2×πα)/

(2×πα)]+(α-αt)×fy×As

(1)

N×η×ei≤2α1×fc×A×r×[sin(πα)]3/3π+

fy×As×rs×[sin(πα)+sin(παt)]/2π

(2)

將公式(2)中的As代入公式(1)

解方程得：α=0.258

αt=1.25-2×α=1.5-2×0.258=0.733；

As=[N-α×α1×fc×A×

(1-sin2πα/2πα)]/(α-αt)/fy

代入已知數值

As=2 688 mm2,min=4 712 mm2,取As=4 712 mm2。

16根直徑25的GFRP筋滿足要求。

(2)斜截面受剪承載力計算

混凝土強度C20,ft=1.10 N/mm2,

縱筋的混凝土保護層厚度c=50 mm；

0.7×ft×A=0.7×1.10×500×

500×π=605 kN>V=214.5 kN

因此,配置構造箍筋便可以滿足要求(如圖3所示)。

圖3 鉆孔樁鋼筋布置(單位：mm)

綜上所述,采用C20混凝土替換C30混凝土,部分樁身主筋用GFRP筋代替鋼筋,強度仍滿足要求。

4.3 GFRP筋的構造要求

受力GFRP筋與鋼筋、GFRP筋與GFRP筋之間的連接應采用鋼制U形卡連接。根據深圳、廣州地區的使用經驗,筋材之間的搭接每端采用兩個鋼制U形卡；其余部位的GFRP筋與鋼筋、GFRP筋與GFRP筋之間的連接可以采用鐵絲綁絲或者尼龍繩進行綁扎,搭接長度采用40 d。鋼筋籠內加強箍筋采用φ25,間距2 m布置。

4.4 GFRP筋的吊裝

玻璃纖維筋的彈性模量僅為鋼筋彈性模量的21%左右,筋籠制成后剛度較普通鋼筋籠會有較大的差異,如果不在筋籠制作過程中采用一些增強筋籠剛度的措施,會造成筋籠吊裝過程中變形過大,存在一定的安全隱患。因此,GFRP筋籠制作過程中應注意采取增加GFRP筋籠剛度的措施,如GFRP筋籠兩側采用工字鋼包邊、筋籠內部采用一些玻璃纖維筋桁架或后期可以去除的鋼筋桁架等,以防止在吊裝以及運輸過程中出現較大的變形。另外,玻璃纖維筋屬于“脆性材料”,而且具有正交各向異性的特點,剪切強度不如鋼筋。因此,要求起吊點必須放置在鋼筋上。

5 結束語

目前,杭州站新增高架候車室已投入使用。本基坑的局部支護樁鋼筋采用GFRP筋替換后,在開挖施工過程中既有杭州站的四號站臺正常使用，說明支護樁的結構設計是安全可靠的。

參考文獻

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