基坑圍護樁與池壁共同作用的水池設計

鄧安妍

（南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210000）

隨著城市的發展，管網越來越完善，生活污水水量逐漸增加，尤其是夏季，過多出水量導致溢流的情況經常出現，因此越來越多的污水處理廠需要進行改造，以滿足最大水量要求。有些項目進行技術改造后，按照所有水泵滿負荷運行仍不能滿足要求，因此需要新建單體設計。通常廠內空間有限，新建單體的同時，原有單體不能停產，給設計和施工都帶來挑戰。為滿足廠內有限空間的要求，圍護樁與池壁經常需要緊貼設計，因此須對圍護樁與池壁間的受力狀態以及作用分擔情況進行深入研究。

本文利用大型巖土軟件MIDAS GTS NX對某工程粗格柵及進水泵房建立泵站結構、圍護樁和周圍土層整體進行三維模型和研究，得到的結論可為同類工程設計提供參考。

咬合樁的工作機理為鋼筋混凝土樁與素混凝土樁切割咬合，樁與樁間排列形成相互咬合的樁墻，樁與樁間可在一定程度上傳遞剪力[1]。排樁應采用隔樁施工，施工時先施工副樁再施工主樁，并要求副樁的超緩凝混凝土在初凝前必須完成主樁施工。當主樁施工時采用全套管鉆機切割掉相鄰副樁相交部分的素混凝土，從而實現咬合。

1 工程概況

該工程為四川省某市污水處理廠，工程規模為10萬m3/d，日總變化系數1.30，日處理峰值系數1.20。該技改工程中的粗格柵及進水泵房單體原有1座，已經按4.5萬m3/d規模建成，隨著生活污水水量的不斷增加，遠期生活污水量將增至5萬m3/d，考慮生活水量總變化系數，須新建一座新的泵房，并與現狀進水井、現狀粗格柵以及進水泵房出水管聯通互為備用。在改擴建的過程中，須注意施工組織順序，編制合理優化的施工組織方案。對鄰近的構建筑物要進行保護[2]。

2 設計內容

根據工藝專業條件，結合地質和周邊環境情況，設計泵房尺寸12m×6.2m×10.4m，壁板厚度為800mm，底板厚度為1000mm，為鋼筋混凝土水池結構。空間有限，因此未進行飛邊設計。新建溢流井尺寸4.75m×3.3m×9.9m，整個基坑呈不規則凸出形狀，基坑距離現狀溢流井、現狀粗格柵及進水泵房、現狀管道和檢查井較近，設計廢除臨近檢查井和管道，后期結合新建泵房對拆除部分進行重建，恢復功能。新建泵房基坑開挖會對周圍已有構筑物產生影響，現狀場地狹窄，因此設計采用支護開挖施工方式，基坑采用φ800鉆（沖）孔灌注樁作為支護結構，同時灌注樁咬合兼做止水帷幕，底部采用注漿加固。本工程設計地坪標高為474.30m，坑底標高為463.90m，總埋深10.40m。基坑冠梁中心標高處設置鋼筋混凝土斜撐和對撐，下部設置HM型鋼臨時支撐，型鋼臨時支撐水平方向不少于6道，豎向不少于2道，型鋼采用壁厚≥14mm，圍檁不小于500mm×500mm“H”形鋼。主要施工順序須根據總體施工安排，首先進行基坑圍護結構施工，其次開挖基坑土方，最后進行主體結構施工。圍護結構主要有以下施工步驟（在整平、圍擋施工場地等前期準備工作后）。1）關閉現狀泵站、溢流井閥門。2）施工四周圍護樁。3）基坑開挖至冠梁底標高，施工冠梁及混凝土支撐梁。4）進行型鋼臨時支撐，基坑開挖至基底設計標高，泵房、井底部噴漿封底加固，及時施工墊層、結構底板及部分側墻。連接溢流井、現狀泵房的鋼筋混凝土管內套鋼管施工。5）第一次澆筑的底板及部分側墻砼達到設計值后，繼續施工側墻至冠梁下方。井與泵房間的基坑應在側墻達到設計強度后，臨時支撐拆除前回填土密實。6）側墻達到設計強度后，回填土方。

3 建立數值模型

3.1 有限元幾何模型

本文采用專業巖土工程分析軟件MIDAS GTS NX對擬建基坑開挖過程進行了三維精細化建模。將開挖深度的3～5倍作為基坑開挖數值模擬的影響范圍，有限元模型尺寸為50m×42m×30m，如圖1所示。為得到3個方向上質量較高的網格，減少畸變網格的產生，當劃分網格時采用計算精度較高的“四面體”網格，分別對基坑處進行局部加密，坑外土體網格尺寸為3.0m，坑內土體尺寸為1.0m。整個模型四周約束法向位移，底部采用固定約束，考慮地下水位的影響（設置地下水位在地表以下0.5m），在四周施加固定水頭邊界，整個模型共23565個節點，138259個單元。

為充分考慮圍護樁體系（主副樁交叉）在基坑開挖過程中承擔側向土壓力，同時在水池建成后，池壁與樁體疊合后，仍然能與池體共同作用分擔側向土壓力，因此，在實際設計中，在滿足池體抗浮工況下可減少壁板厚度，本次取外側壁板500mm，底板650mm，中隔墻300mm，比傳統不考慮樁—池壁共同作用設計減少約30%。

3.2 計算參數

根據工程的地質勘察報告，將土層按深度范圍內的力學性質簡化為6個土層，采用模擬土體卸載特性較好的修正摩爾-庫倫模型本構，共包括11個計算參數：標準排水三軸試驗中的線切割剛度Eref50、主固結儀加載中的切線剛度Erefoed、重新加載剛度Erefur、壓縮模量Es、剛度應力水平相關冪指數m、重度γ、泊松比v、黏聚力c、內摩擦角φ、正常固結下的側壓力系數K0、參考壓力Pref，各土層力學參數見表1。結構的計算參數：鉆孔灌注樁、混凝土支撐以及池體結構采用C30鋼筋混凝土，彈性模量E按混凝土結構設計規范設置為30GPa，混凝土重度按鋼筋混凝土水池結構設計規程設置為25kN/m3，泊松比0.25。鋼支撐、鋼圍檁采用HM型鋼，彈性模量E為200GPa，重度為78.5kN/m3，泊松比0.20。

表1 各土層力學參數

3.3 計算工況的設置

根據設計圖紙，按實際施工的工況，首先進行四周圍護樁的施工，其次放坡開挖至圍護樁頂標高，施工冠梁及砼支撐，開挖至基底，施做臨時鋼支撐并進行袖閥管坑底注漿，最后施工水池主體結構，待側墻達到設計強度后回填。模擬中將其簡化為3層開挖，開挖前先將坑內地下水位降至坑下0.5m處。通過對網格單元以及邊界（包括滲流邊界）進行激活和鈍化、施加荷載來完成整個流固耦合的基坑開挖過程。其中考慮20kPa面荷載施作用。施工過程的數值模擬工況見表2。

表2 施工過程的數值模擬工況

4 計算結果分析

4.1 圍護樁與池體變形分析

通過數值模擬，池壁位移如圖2所示，由于先放坡開挖再進行支護，因此開挖圍護樁的最大側移δhmax始終在樁頂位置，隨著開挖逐漸變大，開挖完成后δhmax=7.58mm。在水池主體結構施工完成、回填后，樁頂變形為δhmax=6.41mm，而此時池體最大側移在相同位置約為6.24mm。兩者結構共同受力，變形協調。樁身位置和池體下部變形較小約2～3mm，池體與圍護樁基本保持一致。

圖2 池壁位移圖

4.2 圍護樁與池體內力分析

通過數值模擬，X、Y方向的池壁彎矩如圖3、圖4所示。在模擬過程中給出了開挖過程及水池結構施工、回填后的圍護結構和水池壁板的彎矩云圖。隨著開挖的進行，此時水池尚未施工，圍護結構彎矩在X、Y方向上的彎矩變化一致，X向Mmax=67kN·m，Y向Mmax=67kN·m，并且彎矩作用最大值點隨開挖下移，符合基坑支護的一般變形規律。隨著水平支撐的拆除，作用在樁身的土壓力由懸臂的樁體及水池壁板（包括隔墻）共同承擔。此時跨度最大的壁板承擔更大彎矩，Y向樁體承擔彎矩Mmax=78kN·m，池壁承擔彎矩Mmax=59.38kN·m。

圖3 X方向彎矩

圖4 Y方向彎矩

4.3 常規設計

在傳統設計中，為簡化計算，以單塊矩形板受力形式來計算池壁配筋，該水池最長跨度板為Y方向上側壁板為8.8m×9.4m，最不利工況為池內無水，池外有土，池壁外側受三角形荷載q=132.60kN/m2（池內滿水工況略），支撐條件為一邊簡支，三邊固定[5]。

荷載設計值=γG×恒載+γQ×γl×活載，通過理正結構計算軟件可以得到該板底部受到彎矩370.6kN·m，兩側受到彎矩313.7kN·m。

5 經濟效益

與傳統計算方法相比，考慮灌注樁與池體共同作用后，池壁彎矩減少，從而配筋減少，以單位長度計算，不考慮樁-池壁共同作用工況，壁厚設計為800mm，水平向最大彎矩為313.70kN·m，配筋采用22@100。考慮樁-池壁共同作用，壁厚采用500mm，最大跨度板樁承擔彎矩80kN·m，池壁承擔50kN·m，配筋采用18@100。

6 結論

本文通過某工程粗格柵及進水泵房結構三維模型的數值模擬分析，得出以下結論。1）當采用鉆孔灌注樁作為水池結構深基坑支護方式時，樁體不僅能在開挖過程中起到限制土體側向位移的作用，還能在水池建成后與池壁共同作用，分擔池壁側向土壓力。在支護結構設計工作年限與構筑物結構設計工作年限一致的情況下，可考慮按支護結構與池壁共同受力進行設計。2）樁體與池壁共同作用后，兩者變形協調。3）實際類似工程中，在滿足一定條件下，不能忽略圍護樁體在后續水池結構中的受力作用，樁—池壁共同作用可減少池壁厚度和配筋，從而節約造價。

隨著污水處理量的增加，目前污水處理廠改造項目越來越多。在條件受限的情況下，應進行多方案比選，提出切實可行且經濟合理的設計方案，并不斷探索和嘗試新方法和新工藝，不斷積累設計和施工經驗，以期為后續的改造項目提供參考。