前板樁高樁承臺結構工程設計相關問題研究

陳建勇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

高樁承臺結構是上海地區常見的水工護岸結構型式，能適應上海地區軟土地基條件。高樁承臺結構的前排樁為板樁墻，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、占地少等優點，在黃浦江及其支流沿岸和大蘆線、蘇州河等內河沿岸的護岸工程中被廣泛采用。但由于這種結構受力復雜，因此無論是在理論還是實際設計中均存在一些尚未解決的問題，本文針對一些設計過程中遇到的問題進行探討。

1 問題1：水、土壓力計算方法及水位組合

1.1 水、土壓力計算方法

高樁承臺常作為護岸結構被采用，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、土體以側壓力的形式作用于墻背結構上，因此水、土壓力的正確取值是計算準確的前提，而正確的計算結果則是高樁承臺結構安全性及投資合理性相協調的重要前提。

墻后水、土壓力計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象，直接用土的飽和重度計算側壓力。這一原則對于不透水的粘土層較為適用，但在理論上存在缺陷[1]，且對于計算中土體強度指標的取值爭論較多，而在大量工程實踐的基礎上，根據統計分析直接給出某一地區水土合算的側壓力計算公式已成為可能。根據《上海市基坑工程設計規程》，上海地區水土壓力的總的側壓力系數在0.55～0.75的范圍內選取[2]。水土分算則分別計算土壓力和水壓力，兩者之和即為總側壓力，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、粉土和粉質粘土。由于在實際工程中，為了減少墻后側向土壓力，往往回填滲透性高的砂土或碎石土，且由于水土分算結果往往較合算大，而前板樁高樁承臺結構對水平荷載較敏感，因此在實際設計中建議采用較保守的水土分算。

1.2 水壓力的計算

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

根據《上海市基坑工程設計規程》中關于水土分算中水壓力的計算，應按有無產生地下水滲流情況，采用不同的分布模式[2]。當地下水無滲流時，墻后靜水位以上靜水壓力按三角形分布計算，靜水位以下按矩形分布計算；當考慮地下水滲流時，又根據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算，各分布型式如圖1所示?？梢娛欠窨紤]地下水滲流對水壓力的計算結果影響較大，因此在設計時需要根據實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，且后者計算更方便，因此在考慮地下水滲流時本文建議近似根據倒三角形分布計算水壓力。（注：此處為完整表達，引用1997年版《上海市基坑工程設計規程》，2010年新版《上海市基坑工程技術規范》已調整了土、水壓力計算方法，不再采用合算方法，考慮地下水滲流作用時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則上即是1997年版中的倒三角形分布模式。）

1.3 土壓力的計算

前板樁高樁承臺結構目前仍較多采用豎向彈性地基梁的方法計算。根據彈性地基梁的土壓力計算模式，墻前、后均采用靜止土壓力，考慮到結構受水平荷載后有向前的位移，因此采用主動土壓力代替靜止土壓力。常用的土壓力計算圖如圖2所示。

圖2 土壓力計算圖

在實際工程中，前板樁高樁承臺結構墻前基本為后開挖的情況。因此需要考慮墻前土的超固結效應，有學者提出了超固結比對靜止土壓力系數影響的關系式[4]：

式中：Ko（OC）——超固結狀態的靜止土壓力系數；

Ko（NC）——正常固結狀態靜止土壓力系數；

A、B、α、m——試驗數據得到的常數值，見表1所列。

表1 試驗得到的超固結效應下靜止土壓力影響系數值一覽表

上述公式表明，靜止土壓力系數由于超固結比（OCR）的增加而發生的變化，即當超固結比OCR=1～2.5時呈線性關系，OCR<2.5時呈非線性關系。

也有學者提出了殘余應力的概念，給出了殘余應力影響深度的計算公式，并通過對上海地區工程實錄的數據整理分析發現如下經驗關系：

式中：H——基坑開挖深度，m；

hr——殘余應力影響深度，m。

由于前板樁高樁承臺結構前沿開挖范圍一般為長條形，相比基坑工程，開挖的范圍對墻前土體應力也具有一定影響。本文提出可將開挖土體部分當作施加在設計泥面的一個負的均布荷載，根據土力學中條形基底豎直均布荷載作用時土體中產生附加應力的結論，當應力計算點深度與均布荷載寬度比為1.5時，水平向的地基應力附加系數可忽略不計。為了便于計算，本文推薦采用殘余應力的概念，并選取上式的計算結果與1.5倍的開挖寬度這兩者間的小值，作為應力的影響深度。對結構土壓力進行修正后如圖3所示。

1.4 墻前、墻后水位組合問題

在高樁承臺結構設計中，經常采用墻前低水位或無水而墻后為高地下水位時的組合情況，因為這是墻前、后水位差最大，對結構穩定最不利。但由于前板樁高樁承臺結構抵抗水平荷載的能力較差，最后往往因為計算得到的剩余水壓力較大而造成不必要的浪費。

圖3 墻前被動土壓力經殘余應力修正后的土壓力計算圖

《水工擋土墻設計規范》中提出，考慮到墻后土中滲流及其滯后性，對于潮汐河道上的擋土墻，其墻前、墻后水位差取相應最不利條件下最大潮差值的1/3～1/2為宜；對于水庫或退水迅速的行洪河道上的擋土墻，取相應最不利條件下最大水位差值的1/2為宜；對于無潮汐影響河道的擋土墻，考慮降雨及滲流滯后的影響，在正常運行工況下擋土墻墻前、墻后的水位差可取0.5～1.0 m[5]。因此在設計中，應合理地選擇水位組合工況，避免為了提高結構安全性而一味地增加荷載，鑒于該種結構剩余水壓力合力作用點距泥面越遠時對結構穩定越不利，因此墻后可取較高的地下水位，墻前水位根據規范推薦采用的水頭差選取。

2 問題2：關于樁與承臺連接問題

2.1 樁頂連接計算方式

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

但實際情況由于樁頂伸入承臺較淺，當樁頂彎矩較大時，樁周混凝土會出現一定開裂，使得樁與承臺相對位移變大，形成塑形餃而釋放彎矩，樁身彎矩最大值將出現在樁中部，而且后排樁所受的樁軸力及結構水平位移也將大于按固結計算的結果。因此，只根據樁頂固結的方式設計缺乏足夠的安全度。根據朱海堂等的實驗結論[6]，樁頂伸入承臺較短且樁強度較大時，將發生節點連接破壞型式，節點破壞時樁頂所受的彎矩和剪力可以用下式計算：

本文建議設計時可先按樁頂固結進行計算，根據計算結果驗算水平位移、配置樁頂及底板鋼筋，第二步再按照樁頂鉸接計算，核算樁身彎矩及后排樁樁軸力。

2.2 算例

本文選用實際項目作為算例，分別通過以下方法進行計算：

（1）常用計算方法（即未考慮滲流對水壓力的影響、未考慮墻前開挖土體的殘余應力、采用樁與承臺固結）；

（2）本文推薦計算方法（考慮上述水、土壓力條件，采用樁頂與承臺固結計算、鉸接復核）。

對計算結果進行比較分析，算例結構簡圖見圖4所示，其基本參數見表2～表4所列。

圖4 高樁承臺結構計算簡圖

表2 某工程高樁承臺結構設計參數表（一）

表3 某工程高樁承臺結構設計參數表（二）

表4 算例采用的地質力學參數表

常用計算方法（樁頂固結）計算結果見圖5～圖8所示，表5所列。

圖5 常用計算方法（樁頂固結）結構計算模型

圖6 常用計算方法（樁頂固結）樁前地基反力圖

圖7 常用計算方法（樁頂固結）結構彎矩圖

圖8 常用計算方法（樁頂固結）結構軸力圖

表5 常用計算方法（樁頂固結）結果匯總表（標準值）

本文推薦計算方法（樁頂固結）的計算結果見圖9～圖12所示，表6所列。

圖9 推薦計算方法（樁頂固結）結構計算模型

圖10 推薦計算方法（樁頂固結）樁前地基反力圖

圖11 推薦計算方法（樁頂固結）結構彎矩圖

圖12 推薦計算方法（樁頂固結）結構軸力圖

表6 推薦計算方法（樁頂固結）結果匯總表（標準值）

采取樁頂鉸接計算方法核算樁身彎矩結果見圖13～圖15所示。表7為高樁頂臺結構穹矩計算匯總表（標準值）。

圖13 推薦計算方法（樁頂鉸接）樁前地基反力圖

圖14 推薦計算方法（樁頂鉸接）結構彎矩圖

圖15 推薦計算方法（樁頂鉸接）結構軸力圖

表7 高樁承臺結構彎矩計算匯總表（標準值）

采用常用的計算方法與本文推薦的計算方法在計算結果上的比較如表8所列。

表8 常用方法與本文推薦方法計算結果對比一覽表

從表8可知，采用常用方法計算所得的樁頂位移及后排樁頂彎矩均較本文計算結果大，且為本文計算值的1.5倍以上；而后兩排樁的樁身最大彎矩計算值較本文計算方法小約50%以上；特別是第三排樁樁軸力僅為本文計算值的1/3?？梢妼τ跇俄攺澗爻Ｓ糜嬎惴椒ò踩辉６冗^大，而樁身彎矩又偏于危險，特別是第三排樁軸力。

如果采用常用計算方法的結果，在樁頂彎矩滿足條件的基礎上，設計人員往往會加大第二（兩排樁情況時）、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重，樁頂出現塑性鉸的情況下，后排樁的樁軸力將明顯增大，若樁基承載力不足，則會造成承臺向后傾斜，使得承臺底板彎矩迅速增大，底板有斷裂危險，導致嚴重的出險后果。

3 結論

在前板樁高樁承臺結構的設計過程中，常用的計算方法往往未考慮土體滲流對墻后水壓力的變化、開挖對墻前土壓力的影響、墻前后水位組合的合理性，以及樁頂與承臺連接的剛度等。本文通過總結相關規范及研究，結合工程經驗，擬合并推薦對于高樁承臺結構更為準確的計算方法。

通過算例，對本文推薦的計算方法與常用的計算方法進行了比較分析，重點對于樁頂連接方式上得出如下結論：

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

（2）關于樁身最大彎矩，常用方法計算偏于危險，有樁身斷裂的危險。

（3）關于樁軸力，常用方法計算結果易給設計人員錯誤誤導，使得后排樁存在樁基承載力嚴重不足的危險。

綜上所述，通過本文的計算方法，在工程總投資基本不變的前提下，將使得結構設計更合理也更安全。

[1]李廣信.基坑支護結構上水土壓力的分算與合算[J].巖土工程學報,2000,22(3).

[2]DBJ08-61-97,基坑工程設計規程[S].

[3]DG/TJ08-61-2010,基坑工程技術規范[S].

[4]楊仲元.超固結比對靜止土壓力系數的影響[J].工業建筑,2006,36(12).

[5]SL 379-2007,水工擋土墻設計規范[S].

[6]朱海堂,丁自強,張啟明.預應力混凝土管樁與樁帽連接節點受彎性能試驗研究[J].土木工程學報,1997,30(4).