圓形人工挖孔樁護(hù)壁厚度分析

郭 旭

(福建同力建筑設(shè)計(jì)院有限公司 福建三明 366000)

0 引言

在土木建筑工程所采用的樁基類型中，人工挖孔樁歷史悠久，自20世紀(jì)七八十年代樁基礎(chǔ)普及開(kāi)始，人工挖孔樁成樁工藝就作為樁基施工的一種重要方法。由于安全性問(wèn)題，許多地區(qū)近年來(lái)已經(jīng)限制或禁止使用人工挖孔成樁，但由于人工挖孔樁在施工時(shí)可直接檢查成孔質(zhì)量，便于觀察地質(zhì)土質(zhì)變化情況，樁孔深度可由地基土層實(shí)際情況加以控制，靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)，施工進(jìn)度快，方便擴(kuò)孔以提高單樁承載力，經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越，且樁底清渣干凈，易保證混凝土澆筑質(zhì)量，施工時(shí)產(chǎn)生的污染較小，因此在很多工程中人工挖孔樁仍是一種切實(shí)有效的成樁工藝并在工程中大量應(yīng)用。與此同時(shí)，近年來(lái)人工挖孔樁護(hù)壁坍塌導(dǎo)致施工人員傷亡事故也時(shí)有發(fā)生，歸根結(jié)底是由于施工設(shè)計(jì)人員對(duì)人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)和施工技術(shù)措施把控的疏忽，若能夠從設(shè)計(jì)及施工技術(shù)措施上有效保證護(hù)壁安全性能，則人工挖孔樁仍可在我國(guó)廣大山區(qū)土木建筑工程中廣泛應(yīng)用。

1 人工挖孔樁護(hù)壁厚度傳統(tǒng)計(jì)算方法及存在的問(wèn)題

關(guān)于挖孔樁護(hù)壁計(jì)算，主要問(wèn)題集中在兩個(gè)方面，一是土壓力q的計(jì)算模型，二是護(hù)壁的受力機(jī)理。

1.1 人工挖孔樁護(hù)壁外側(cè)土壓力的分析計(jì)算主要方法

(1)朗肯土壓力理論計(jì)算(主動(dòng)土壓力)

對(duì)于土質(zhì)松散，孔隙比較大，基本無(wú)內(nèi)聚力的土體：

γ——土容重；

H——計(jì)算點(diǎn)深度；

φ——土壤內(nèi)摩擦角。

對(duì)于有粘性土，由于內(nèi)聚力在土層產(chǎn)生負(fù)側(cè)壓力，護(hù)壁上部Z0深度不產(chǎn)生側(cè)壓力。

粘性土h深度h>Z0處圖層主動(dòng)土側(cè)壓力：

q=γHtan2(45°-φ/2)-2ctan(45°-φ/2)

γ——土容重；

H——計(jì)算點(diǎn)深度；

φ——土壤內(nèi)摩擦角；

c——粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)俄國(guó)普洛托齊雅闊諾夫的普式平衡拱理論計(jì)算公式[1]

根據(jù)散粒體圍巖壓力的普式理論，土層對(duì)護(hù)壁的側(cè)壓力隨著深度增加至一定深度后基本接近于常數(shù)，即普式的自然平衡拱理論，當(dāng)H>(2～3)b1時(shí)，側(cè)壓力基本為一固定常數(shù)：

q=γ1.5b1

b1=a1/fk

a1=R+Htan(45°-φ/2)

H——計(jì)算段高度;

fk——巖土堅(jiān)固系數(shù)，砂土取0.6，粉質(zhì)粘土0.8，粘土1.0，巖石2.0；豎向施工時(shí)完全拱效應(yīng)削弱，故將b1乘1.5系數(shù)。

靜水壓力TwHw,土采用浮容重，樁頂均布荷載折算為填土厚度考慮，填土折算厚度H1=q/R。

(3)前蘇聯(lián)別列贊采夫的筒形地坑壁主動(dòng)土壓力空間問(wèn)題解析——?jiǎng)e式公式[2]：

Rb=R0+Htan(45°-φ/2)

λ=2tanφ·tan(45°-φ/2)

R0——豎井掘進(jìn)半徑。

別式公式從空間考慮了空心圓柱體受力問(wèn)題，考慮了土體向中心位移時(shí)其本身相互擠壓使主動(dòng)土壓力減少的有利作用，還考慮了豎井?dāng)嗝娲笮?duì)主動(dòng)土壓力的影響[3]。綜上分析，本文建議在護(hù)壁外側(cè)土壓力計(jì)算時(shí)采用別式公式計(jì)算較為符合實(shí)際情況。

1.2 傳統(tǒng)護(hù)壁厚度計(jì)算的研究常見(jiàn)算法

(1) 材料力學(xué)方法計(jì)算壁厚[4]：

k——安全系數(shù)，取1.65；

q——計(jì)算點(diǎn)處土壓力；

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

R——掘進(jìn)半徑；

t——護(hù)壁厚度。

(2)井圈換算長(zhǎng)度法計(jì)算壁厚[5]：

Lk——井圈圓環(huán)換算長(zhǎng)度，取1.82R。

(3) 經(jīng)驗(yàn)算法壁厚[5]：

D——樁身直徑。

(4)在t≥b/10時(shí)，采用彈性力學(xué)厚壁圓筒模型進(jìn)行分析[6]：

a——內(nèi)半徑；

b——外半徑；

r——計(jì)算點(diǎn)處半徑。

人工挖孔樁護(hù)壁厚度傳統(tǒng)計(jì)算方法在計(jì)算土壓力和護(hù)壁厚度時(shí)，均假設(shè)了土體壓力為均勻分布，力學(xué)模型為圓環(huán)截面受均勻土壓力作用。計(jì)算護(hù)壁厚度時(shí)僅按混凝土軸心受壓進(jìn)行考慮，未考慮到護(hù)壁橫截面外側(cè)土質(zhì)不均勻及開(kāi)挖過(guò)程中孔外土體塌陷、孔外道路車輛行使、地面堆載等因素對(duì)井側(cè)壁產(chǎn)生的不均勻土體壓力。此外，在實(shí)際工程中，混凝土護(hù)壁養(yǎng)護(hù)時(shí)間往往在24h左右就開(kāi)始繼續(xù)向下開(kāi)挖作業(yè)，混凝土的早齡期強(qiáng)度遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值，傳統(tǒng)算法中混凝土抗壓強(qiáng)度取值明顯偏高，對(duì)施工安全造成隱患。

2 改進(jìn)的人工挖孔樁護(hù)壁厚度計(jì)算方法

鑒于上述傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題，人工挖孔灌注樁護(hù)壁厚度計(jì)算可按下述方法進(jìn)行改進(jìn)。在護(hù)壁內(nèi)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮護(hù)壁橫截面外側(cè)水平向土壓力不均勻分布對(duì)內(nèi)力計(jì)算的影響。參照《給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中沉井橫截面水平向土壓力分布假設(shè)，通過(guò)調(diào)整孔壁截面兩個(gè)方向土壤的內(nèi)摩擦角φ1,2=φ±(2.5°～5°)[7],適當(dāng)?shù)乜紤]不均勻土壓力。并采用更為符合實(shí)際的“別式公式”計(jì)算土壓力，將護(hù)壁計(jì)算模型視作受對(duì)稱不均勻壓力作用的封閉圓環(huán)進(jìn)行分析。另外，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》6.6.10條規(guī)定，挖孔樁護(hù)壁拆模時(shí)間應(yīng)在24h后[8]，此時(shí)24h齡期時(shí)混凝土強(qiáng)度只能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度約10%～15%[9]，拆模強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到2.5MPa[10]，故在護(hù)壁厚度設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度取值應(yīng)大幅下調(diào)。根據(jù)以上分析，建議人工挖孔樁護(hù)壁計(jì)算按照如下文方法計(jì)算。

2.1 考慮土壓力分布不均勻，采用“別式公式”計(jì)算土壓力

在互成90°井圈上兩點(diǎn)處沿徑向的土壓力分別為qA,qB(qB>qA)，qA、qB計(jì)算時(shí)土壤內(nèi)摩擦角分別采用φ1=φ+(2.5°～5°),φ2=φ-(2.5°～5°), 此時(shí)：

Rb1=R+Htan(45°-φ1/2)

λ1=2tanφ1·tan(45°-φ1/2)

Rb2=R+Htan(45°-φ2/2)

λ2=2tanφ2·tan(45°-φ2/2)

護(hù)壁橫截面外側(cè)土壓力分布如圖1所示。

圖1 護(hù)壁橫截面外側(cè)土壓力分布圖

2.2 內(nèi)力計(jì)算

將護(hù)壁視作受對(duì)稱不均勻壓力作用的封閉圓環(huán)，取1/4圓為計(jì)算簡(jiǎn)圖，井圈上任意點(diǎn)土壓力按公式變化：

qα=qA(1+ω′sinα)

可得:

NA=qAR(1+0.7854ω′)

NB=qAR(1+0.5ω′)

MA=-0.1488qAR2ω′

MB=-0.1366qAR2ω′

護(hù)壁橫截面彎矩如圖2所示。

圖2 護(hù)壁橫截面彎矩圖

2.3 壁厚計(jì)算

由于護(hù)壁拆模時(shí)混凝土齡期很短，假設(shè)護(hù)壁正截面承載能力計(jì)算時(shí)混凝土應(yīng)力圖形按線性分布，且不考慮混凝土受拉，護(hù)壁中的構(gòu)造鋼筋作為安全儲(chǔ)備，不參與計(jì)算，由材料力學(xué)公式推導(dǎo)如下：

假設(shè)t<6e，受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂，混凝土截面處于大偏壓狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 護(hù)壁截面大偏心受壓混凝土應(yīng)力圖

判別，若此時(shí)t<6e則上式t即為所求結(jié)果。

反之，若t≥6e，截面處于小偏心受壓狀態(tài)，如圖4所示。則護(hù)壁厚度計(jì)算公式如下：

圖4 護(hù)壁截面小偏心受壓混凝土應(yīng)力圖

M，N——護(hù)壁截面彎矩、軸力設(shè)計(jì)值，分項(xiàng)系數(shù)1.2。分別計(jì)算A,B點(diǎn)壁厚取最不利值。

h——每節(jié)護(hù)壁高度。

f1d——24h齡期混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，無(wú)具體實(shí)測(cè)強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)模板拆除時(shí)混凝土強(qiáng)度須大于2.5MPa，考慮護(hù)壁混凝土強(qiáng)度一般較低(≤C40)，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015版)》4.1.3、4.1.4條[11]，此時(shí)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值約為2.5×0.88×0.76/1.4=1.19MPa。該數(shù)值符合在24h齡期，10～20℃溫度下，混凝土強(qiáng)度約達(dá)到設(shè)計(jì)值的10%～15%的實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果應(yīng)注意，若此時(shí)能夠?qū)崪y(cè)施工時(shí)采用的混凝土24h齡期立方體抗壓強(qiáng)度，可采用實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度換算為設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行取值。

3 計(jì)算實(shí)例分析

設(shè)某工程擬采用樁徑1600mm人工挖孔樁，樁長(zhǎng)15m，無(wú)擴(kuò)底，土體容重均以20kN/m3計(jì)、土壤內(nèi)摩擦角30°，護(hù)壁混凝土標(biāo)號(hào)C25，無(wú)地下水，取護(hù)壁最底部1m計(jì)算人工挖孔樁護(hù)壁厚度：

R=0.8H=15mγ=20kN/m3φ=30°

fc=11.9N/mm2f1d=1.19N/mm2

取φ1,2=φ±5°?φ1=35°，φ2=25°

λ1=2tanφ1·tan(45°-φ1/2)

=2tan35°·tan(45°-35°/2)

=0.729

Rb1=R+Htan(45°-φ1/2)

=0.8+15tan(45°-35°/2)

=8.609m

=27.78kN/m

λ2=2tanφ2·tan(45°-φ2/2)

=2tan25°·tan(45°-25°/2)

=0.594

Rb2=R+Htan(45°-φ2/2)

=0.8+15tan(45°-25°/2)

=10.356m

=45.9kN/m

ω′=ω-1=1.652-1=0.652

NA=qAR(1+0.7854ω′)

=27.78×0.8×(1+0.7854×0.652)

=33.6kN

MA=-0.1488qAR2ω′

=-0.1488×27.78×0.82×0.652

=1.725kN·m

NB=qAR(1+0.5ω′)

=27.78×0.8×(1+0.5×0.652)

=29.47kN

MB=0.1366qAR2ω′

=0.1366×27.78×0.82×0.652

=1.583kN·m

設(shè)t<6eA=6×51.34=308mm

=147.86mm

此時(shí)，t<6eA滿足要求。

設(shè)t<6eB=322.3mm；

=147.06mm

此時(shí)，t<6eB滿足要求。

取護(hù)壁厚度為150mm，大于《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》最小壁厚100mm要求，構(gòu)造配筋作為安全儲(chǔ)備。

對(duì)比傳統(tǒng)護(hù)壁厚度計(jì)算方法：以朗肯土壓力和材料力學(xué)薄壁圓環(huán)應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算如下：

=100kN/m

N=qR=100×0.8=80kN

發(fā)現(xiàn)在較大樁徑、樁身較長(zhǎng)情況下，計(jì)算結(jié)果仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于護(hù)壁構(gòu)造要求厚度，傳統(tǒng)方法得到的計(jì)算厚度不具有代表性。

4 結(jié)論

在人工挖孔樁護(hù)壁厚度計(jì)算時(shí)，護(hù)壁外側(cè)土壓力計(jì)算采用別式公式，并考慮可能發(fā)生的護(hù)壁周邊土體壓力不均勻影響，綜合考慮混凝土早齡期強(qiáng)度，推導(dǎo)出切實(shí)可行的人工挖孔樁護(hù)壁厚度計(jì)算方法，能夠較好地解決工程施工中的護(hù)壁安全性能問(wèn)題。