（岩土工程专业论文）咬合桩复合结构设计理论及方法研究.pdf

摘要 摘要 目前，钻孔咬合桩在我国越来越多地得到应用，但大部分只是作为临时结构 使用，在基坑开挖完成后即废弃，经济上造成很大的浪费，也对后续的地下空间 开发利用形成障碍。考虑到咬合桩的结构形式和受力机理同地下连续墙相似，那 么咬合桩应该可以像地下连续墙一样作为永久结构使用。基于这样的观点，本文 结合上海地铁某咬合桩试验段工程，对咬合桩作为永久结构使用的咬合桩复合结 构设计理论和方法进行了研究。 首先，文章详细介绍了目前咬合桩结构设计理论和方法在我国的应用和研究 情况，目前国内现在咬合桩技术的研究主要针对施工技术进行研究，针对咬合桩 复合结构的设计方法的研究较少。 其次，对咬合桩作为挡土结构使用时设计中应考虑的关键参数进行了研究， 根据咬合桩成桩施工的垂直度和咬合面的受力破坏特点提出了合理咬合量的计 算方法，同时对不同搭配形式咬合桩的刚度计算及截面配筋设计方法进行了研 究。 随后，研究了不同搭配形式咬合桩作为主体结构使用的可行性，认为荤荤搭 配的咬合桩可以作为主体结构一部分使用，但荤素搭配的咬合桩作为主体结构一 部分使用要控制素桩的裂缝发展。研究了咬合桩复合结构的共同作用模式和与主 体结构的结合方式，给出了不同复合结构形式下的设计原则，讨论了刚度比、地 基刚度和咬合桩止水性等因素对内力荷载分担的影响。同时对咬合桩复合结构的 抗裂控制进行了研究，并对上海地铁咬合桩试验段的咬合桩、内衬墙和咬合面进 行了抗裂验算，提出了荤素搭配咬合桩作为复合结构使用需要结合内衬墙使用。 再次，研究了通过工程实测数据推算咬合桩及内衬结构弯距的方法，咬合桩 弯距推算有根据钢筋应力推算及测斜数据推算两类。同时应用以上推算方法对上 海地铁咬合桩试验段的咬合桩与主体结构的内力及共同作用进行了实测分析，认 为咬合桩在使用阶段仍分担相当一部分水土压力荷载，内衬墙的内力分担逐步增 加，给出了实测的内力分担比，两者的共同作用效果明显。 最后，研究了咬合桩复合结构的构造设计，研究了不同咬合桩复合结构形式 的防水构造设计要点，并对不同复合结构形式下的咬合桩与主体结构( 楼板、侧 墙) 连接的可行方案进行了探讨。 关键词：咬合桩复合结构共同作用内力分担实测分析构造设计 a b s t r a c t a b s t r a c t c u r r e n t l y , s e c a n tp i l ew a l li sm o s t l yu s e da st e m p o r a r ys t r u c t u r ei nc h i n a , i ti sa u n e c o n o m i cw a yt h a tt h es e c a n tp i l ew a l li sa b 锄d o n e da n c re x c a 删o n a tt h es a m e t i m e ，t h ea b a n d o n e dp i l ew a l li sab i go b s t r u c tt ot h e 鲫b s e q u e md e v e l o p m e n to f u r b a nu n d e r g r o u n ds p a c e s t r u c t u r a ls t y l ea n db e a r i n gm e c h a n i c so fs e c a n tp i l ew a l l a r es i m i l a rt ot h ed i a p h r a g mw a l la n d 曲o l l l db eu s e d 船b o t ht e m p o r a r ya n d p e r m a n e n ts t r u c t u r el i k et h ed i a p h r a g mw a l l b a s e do f tt h ep f e v i o u sv i e w p o i n t sa n d t h et e s t i n gp r o j e c to fs h a n g h a im e t r o ，t h er e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d o ft h es e c a n tp i l ew a l lc o m p o s i t es t r u c t u r eu s e da sp e r m a n e n ts t r u c t u r ei ss t u d i e di i l t h ep a p e r f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ee x i s t i n gc o n d i t i o n so fa p p l i c a t i o na n d 他s e a r c hi l l o u rc o u n t r y , a n dt h e ya s t i l li nt h es t a g eo ff a m i l i a rw i t ha n de x p l o r i n gc o n s t r u c t i o n m e t h o d s n 圮r e s e a r c ho nd e s i g nm e t h o do f t h es e c a n tp i l ei sl i t t l e s e c o n d l y , t h ek e yp a r a m e t e r so f s e c a n tp i l ed e s i g n e da sr e t a i n i n gw a l li sa n a l y z e d i l lt h ep a p e r b a s e do nt h es q u a r e n e s so f t h es e c a n tp i l eb o r i n ga n dd e s t r u c t i o nf e a t u r e o fs e c a n tp i l ef a c e ，t h ep a p e rd e l i v e r st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fp r o p e ro v e r l a p p i n g s i z eo fs e c a n tp i l ew a l l 1 1 地c a l c u l a t i o nm e t h o do fr i g i d i t ya n dr e i n f o r c e m e n to f d i f f e r e n ts e c a n tp i l ef o r m a ti sa l s os t u d i e d t h e n , t h ep a p e rd i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo fd i f f e r e n ts e c a n tp i l ew a l lu s e da s p e r m a n e n ts 廿| n c t u r ea n di n c l u d e st h a tt h eh a r d h a r ds e c a n tp i l ew a l lc a nb eu s e da s p e r m a n e n t s t r u c t u r ea n dh a r d f i n na sap a r to f p e r m a n e n ts t r u c t u r e ，t h ej o i n t sb e t w e e n s e c a n tp i l ew a l la n dt h ee x t e r i o rw a l lo ft h em a j o rs t r u c t u r ea 佗a l s op r e s e n t e d 1 1 圮 p a p e rq u a l i t a t i v ed i s c u s s e st h ea d d i t i v ec o n d i t i o no f t h el o a dm o m e n ta n d s t r e s so nt h e l i n i n ga n de x t e r i o rw a l la n dp r e s e n t st h ed 铝i g ni t e m sn e e d e da t t e n t i o nu n d e rt h e d i f f e r e n tc o m b i n a t i o nf o r m a t t h ep a p e ra l s od i s c u s s e d t h ei n f l u e n c eo fs t i f f n e s s r a t i o 、s u b g r a d em o d u l u sa n dw a t e r p r o o f i n gq u a l i t yt ot h ei n t e r n a lf o r c ea n dl o a d s h a r i n g b a s e do nt h es t u d yo fc r a c kr e s i s t a n c eo fs e c a n tp i l ew a l l ，t h ep a p e rt a k e s c h e c k i n gc a l c u l a t i o nt ot h et e s t i n gp r o j e c to fs h a n g h a im e t r oa n da d v i s e st h a t h a r d f i r ms e c a n tp i l ew a l ls h o u l du s e dw i t hl i n i n g a n dt h e n , t h ei n v e r s ec a l c u l a t i o nm e t h o do fb e n d i n gm o m e n to fs e c a n tp i l ea n d l i n i n gb a s e do nt h em p a i r g d $ h - c s $ o fr e i n f o r c e m e n ta n dl a t e m ld e f o r m a t i o ni s s t u d i e d t h ei n v e r s ec a l c u l a t i o nm e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y z et h ei n t e r n a lf o r c ea n d i n t e r a c t i o no f l i n i n ga n ds e c a n tp i l ew a l lo f t h et e s t i n gp r o j e c to f s h a n g h a im e t r o 耽e a b s t r a c t s e c a n tp i l ew a l lr e s p o n d sal a r g es c a l eo fs o i lp r e s s u r ei nt h ea p p l i c a t i o ns t a g e t h e i n t e r n a lf o r c e so f l i n i n gi n c a - c a s es t e pb ys t e p t h er a t i oo f i n t e r n a lf o r c eo f s e c a n tp i l e w a l la n dl i n i n gi sa l s o # v a n t h ee f f e c to f i n t e r a c t i o ni so b v i o u s f i n a l l y , t h ew a t e r p r o o fs t r u c t u r a ld e s i g no fd i f f e r e n ts e c a n tp i l ew a l lc o m p o s i t e s t r u c t u r et y p e si ss t u d i e d t h ef e a s i b i l i t ys t u d yo nc o m b i n a t i o nf o r m so fs e c a n tp i l e w a l la n dl i n i n gi sc o n d u c t e d k e yw o r d s ：s e c a n tp i l ew a l l ，c o m p o s i t es t r u c t l r e ，i n t e r a c t i o n , i n t e r n a lf o r c es h a r i n g ， f i e l dm e a s u r e m e n ta n a l y s i s ，s t r u c t u r a ld e s i g n m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：j 萄誓缆 2 卵7 年弓月厶日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文“咬合桩复合结构设计理论及 方法研究”，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人 创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 签名：j 萄孥袋 钟弓月加日 第1 章绪论 1 1 课题的提出和意义 第1 章绪论 在大中城市中进行地铁建设以及地下工程开发，其土地成本将越来越昂贵， 受周边条件约束的因素较多，工程项目的建设方除了要考虑节约投资外，还需 要考虑充分利用已征用的红线范围用地。根据基坑周边环境、开挖深度、地质 与水文地质、施工作业设备、施工季节，出现了不同的围护结构形式，深基坑 围护结构可分为6 种类型“1 ，在表1 1 中对各围护结构进行比较。 国护结构 板桩式 钢板桩 钢管桩 钢筋混凝士板桩 广一钻孔灌注桩 柱列式_ + 一钻孔咬台桩 l 一人工挖孔桩 广一可兼做永久结构 地下连续墙_ 1 适于逆作法半逆作法 r 一深层搅拌桩 自立式水泥土挡墙一 l 一高压旋喷桩 广一洲工法 组合式_ 1 l 一茬注桩与搅拌桩结合 沉井( 沉箱) 法 ( 有多种组合形式) 图1 1 深基坑围护结构分类 通常，深基坑工程的围护结构只承担施工过程中的挡土和止水功能，以及 保证施工地下建筑物的安全生产。当其采用排桩或地下连续墙等结构形式时， 除占用实际用地周边约1 m 宽的面积外，还需在地下建筑物外侧预留超过8 0 0 r a m 的操作空间，结果将会浪费难得的有限土地。另一方面，投入到围护结构工程 中的巨额投资也未被充分利用，因此将围护结构作为主体结构一部分的复合结 构设计理念在工程界越来越受重视。 目前围护结构的利用主要针对地下连续墙而开展，如“两墙合一”、逆作法 彳 第1 章绪论 等，针对排桩式围护墙作为地下建筑物一部分的研究工作不多，而排桩式围护 墙又是普遍应用的一种围护结构，因此研究排桩式围护墙的再利用具有广泛的 工程意义。 表1 1 各挡土结构形式的比较 止 挡土结 施工设备施工条件 工 水环境造 构形式期效要求价 其他 果 打桩机、拔 适用于软土地区，施工简 噪声污 可重复利用，变 钢板桩快低形大不利于拔 桩机 蓖 般染，振动 桩 s m 霄 s m w 搅拌机、 适用于多种地质，特别是开挖中易产生弯 打桩机、拔 以粘土和粉细砂为主的 快 较噪声污较曲变形，变形过 工法桩松软土，在国内开挖深度好染较低 低 大不利于拔出型 桩机 一般在6 2 0 米 钢 刚度大，整体性 地下挖槽机、吊 适用多种地质，特别是软 噪声污 好变形小既 土，对施工技术和管理水慢 好 染较低 高可用于超深基 连续墙机但泥浆 平要求较高坑，也可用作主 污染 体结构 刚度较大，整体 钻孔钻孔机加吊 适用多种地质，特别是软 较很 噪声低， 较 性较好，变形小 土。但在砂砾和卵石地层无泥浆同时可作为主体 咬合桩机快好 低 中慎用。 污染 结构或主体一部 分 钻孔灌 钻机、搅拌适用多种地质，特别是软较较泥浆污较 整体性较差，不 注桩加 适合兼作主体结 搅拌桩 机士快好 染低 构 咬合桩在国内应用刚刚起步的新型排桩式围护结构，在国内地下工程围护 结构中属于新技术、新工法、新工艺，采用钻孔咬合桩作为深基坑的围护结构 在国外如美国、欧洲、新加坡等，境外如香港、台湾等均有成功的工程实例、 成熟的施工经验与工法。1 9 9 9 年在深圳地铁一期工程会展中心站至购物公园站 区间隧道明挖段的基坑围护形式设计为钻孔咬合桩，取得成功，另外杭州、南 京两地的地铁的深基坑围护形式也用过咬合桩施工，并都取得了成功。近年， 上海也逐步引入了钻孔咬合桩工法，地铁m 8 号线的虹1 ：3 足球场车站基坑和中环 线邯郸路地下隧道基坑都采用了咬合桩工法。所谓的咬合桩，就是通过两种不 2 第1 章绪论 同类型桩相互重叠咬合形成密封性很好的既防水又挡土的桩墙。国内的咬合桩 通过特殊的套管磨桩机加上超缓凝混凝土技术进行施工，先施工a 类桩，再行 施工b 类桩，一般a 类桩要使用超缓凝混凝土技术，施工工序如图1 2 所示。 图1 2 咬合桩施工工序 在常规的工程做法中，基坑围护工程只是一项临时辅助工程，在完成基坑 工程后，除特殊设计的地下连续墙兼作主体结构的情况之外，其他形式的大多 数围护结构在以后的长期使用阶段就失去意义了，般不考虑其利用或对主体 结构的贡献。在上海地区，基坑围护工程的造价相当高。一般1 0 米深的基坑工 程，其围护费用大约是3 万元每延米，作为临时辅助的围护工程费用就相当可 观。传统的地下结构设计方法一般不考虑咬合桩对水土压力的分担问题。考虑 咬合桩的挡土和止水作用后，地下室外墙的厚度与配筋可比常规做法减小。咬 合桩除了在基坑开挖中作为旅工阶段挡土之外，同时作为使用阶段地下室外墙 抗侧压力结构体系的一部分，当地下结构需要抗浮时，通过构造方法围护桩还可 作为部分抗浮桩使用。因此，如将咬合桩与地下结构结合起来，设计成咬合桩 复合结构，则可以大量节省地下工程投资，改变传统的咬合桩基坑围护工程仅 作为临时工程、地下建筑物施工完成后围护结构就报废的做法。 当然，围护结构能否作为外衬墙或其一部分的一个关键因素是其防水性能， 如果其防水性能很差，在主体结构使用阶段会出现渗水的现象，影响结构的正 常使用。咬合桩由于能形成防水性能很好的桩墙，并且其刚度很大，那么是否 能把咬合桩作为主体结构外墙的一部分而加以利用昵? 国外的做法，一般把荤 荤( 圆形钢筋笼桩和矩形钢筋笼桩搭配) 搭配的咬合桩作为永久结构使用，达 到与地下连续墙一样的作用，并且效果不错。钢筋笼桩与素混凝土桩搭配的咬 合桩国外一般只作为临时结构，原因是认为素桩的耐久性达不到要求，国内目 前仅仅是把咬合桩作为临时结构使用。 与地下连续墙相比，咬合桩作为主体结构一部分即咬合桩复合结构设计时 3 第1 章绪论 要解决以下问题： 1 、咬合桩两类桩之间没有钢筋连接，而完全靠咬合面来传递剪力而协同作 用和咬合面因弯曲而造成的拉裂破坏，咬合面的力学性能如何，咬合面的抗裂 控制如何考虑： 2 、咬合桩两类桩刚度差异，截面设计方法如何； 3 、咬合桩和主体结构的复合结构形式： 4 、咬合桩与内衬墙的荷载和内力分担如何； 5 、咬合桩与主体结构的连接构造如何设置； 6 、新老混凝土的千缩应力，温度应力如何考虑。 图1 3 上海地铁咬合桩试验段工程 本文依托上海地铁某咬合桩试验段工程( 如图1 3 所示) ，研究了咬合桩的咬 合量的确定，同时对现有的咬合桩的截面设计方法进行了改进；研究咬合桩作 为永久结构一部分使用的可行性问题，对咬合桩复合结构形式和设计原则进行 了研究；对于咬合桩复合结构的抗裂进行了探讨；对于咬合桩复合结构与主体 结构的连接方式和防水构造措施进行了研究：结合咬合桩试验段的工程建设， 对咬合桩和内衬结构的弯矩发挥情况进行实测，对咬合桩和内衬结构的内力和 荷载分担进行了研究。对于咬合桩工法的推广应用，进行上述研究具有实际应 用价值。 4 第1 章绪论 1 2 国内外研究的现状和存在的问题 全套管钻机又称贝诺特( b e n o t o ) 钻机是由法国贝诺特公司于二十世纪五十 年代初开发和研制而成。随后日本、德、英、意等国引进和研制，机种和施工 方法均有很大发展，产品不断更新换代。截止1 9 9 7 年1 2 月，日本已生产摇动 式全套管机7 7 0 台，回转式全套管钻机4 3 3 台。据日本基础建设协会1 9 9 3 年对 3 1 家施工单位的1 0 1 1 万根灌注桩的调查，使用全套管工法施工的占2 6 。在英 国伦敦城市大学第二届岩土工程施工研讨会( 2 0 0 5 0 4 1 4 1 5 ) 上，t o n ys u c k l i n g 提到在英国每年有4 0 0 0 - - - 5 0 0 0 万英镑的钻孔咬合桩市场，其中，荤素桩搭配形 式的咬合桩占到2 3 。目前在我国香港地区，各基础施工公司已拥有全套管钻机 不少于3 0 0 台，成桩数的市场份额约占4 5 。我国大陆地区于2 0 世纪7 0 年代 开始引进摇动式全套管钻机，9 0 年代中期昆明捷程桩工有限责任公司首先在我 国开始研制m z 系列摇动式全套管钻机，简称磨桩机。随之在昆明、温州、北 京、深圳、上海等地十余个工地的基础工程桩和基坑围护桩工程中应用，取得 显著的技术经济效益。总体来说，钻孔咬合桩在国外属于比较成功的工法，但 在国内的应用才刚刚起步。 1 2 1 国内研究现状 近年来，随着钻孔咬合桩在我国的逐步应用，对咬合桩的研究也在逐步展 开，但研究大都集中两个方面：施工技术方面和超缓凝混凝土的配制上，对于 咬合桩的设计方法的研究较少。咬合桩复合结构的研究较少，地下复合结构的 研究主要是针对地下连续墙“两墙合一”、逆作法等而开展，对于灌注桩一类的 排桩结构的进一步利用问题目前已有学者进行了相关研究和探讨。 沈保汉、刘富华m 等根据目前从钻孔咬合桩用全套管钻机的技术指标的角度 讨论了钻孔咬合桩的技术优势，对咬合桩的旋工技术进行了全面的总结。 王安龙。3 、张中安“”以钻孔咬合桩第一次在国内地铁深基坑的应用工程：深 圳地铁一期工程会展中心站至购物公园站区问隧道明挖段的基坑支护工程为背 景，详细介绍了咬合桩的设计，咬合桩施工方案选择、咬合桩施工机械的比选、 施工顺序、施工精度控制、特殊工况的处理等问题。 李昌宁“”、李鹏“”根据杭州地铁秋涛路站咬合桩的使用情况，提出了套管 钻机加s d 一2 0 5 旋挖钻机配合进行钻孔咬合桩的成孔的方法，并对咬合桩超深钻 5 第1 章绪论 进( 3 5 m ) 时桩体垂直精度的控制问题提出了解决办法。 陈斌、施斌、林梅“m 研究了南京地铁元通路车站基坑咬合桩围护方案、施 工方法和开挖阶段咬合桩的变位情况，认为元通路车站基坑咬合桩围护结构的 应用是成功的，并提出钻孔咬合桩墙强度及刚度均较大，可作为永久结构的一 部分，在结构抗浮不满足时可以兼作抗拔桩的观点。 周顺华、郑剑升“”通过分析南京冲淤沉积层的特点和套管咬合桩的旌工工 艺，对套管咬合桩在冲淤沉积层中的扩径现象进行研究。指出在该地层中套管咬 合桩施工产生扩径的主要原因是套管下沉对地层的扰动、周围土体向管内涌挤 而产生的超挖和缓凝混凝土对地层的挤压扩张作用。 陈金友、刘群“。对解放路延伸工程明挖基坑围护咬合桩施工情况分析后认 为，咬合桩在粉砂富含水、易液化土层中应用时，要特别注意土层的震动液化 后孔内的涌水、涌砂问题，并提出加大套管超前量或在套管内灌水可以成功解 决涌水、涌砂问题。 高明“”研究了南京地区长江漫滩淤泥质粉质粘土和饱和粉细砂层中施工 时，遇到的涌水、涌砂问题导致的混凝土超灌的现象，对套管外空洞的形成和 “拔桩”给出了解释并提出了相应的解决方案。 唐涛、刘佑荣“”讨论了某市轨道交通线车站基坑开挖咬合桩围护工程，该 咬合桩围护采用全荤桩的搭配形式。文中讨论了施工a 类桩矩形钢筋笼桩的遇 到的问题：矩形钢筋笼在起套管时被带扭曲，造成后续桩的施工困难。提出了 解决这一问题的解决办法。 李文林”3 通过室内模型试验的手段对咬合桩用超缓凝混凝土的配制进行了 研究，对超缓凝剂的作用机理和影响超缓凝混凝土缓凝时间的因素进行了论述； 同时介绍了咬合桩室内模型实验的过程和结果，研究了咬合面的力学性能，根 据试验时荤素桩的裂缝发展情况，对不同阶段咬合桩的计算截面的选取进行了 描述；研究了荤荤搭配和荤素搭配咬合桩作为永久结构一部分使用的可行性。 潘若东、赵永胜、周顺华。“等以上海地铁2 号线龙东路站深基坑为例， 根据内部结构施工的两种方案：一种是内部结构与基坑围护体间留有一定间隙， 可便于施工并可减小围护体对内部结构的影响：另一种是内部结构紧贴围护体 内部施工，以减少开挖空间。探讨了支撑拆除后围护体与内部结构的共同作用， 分析了两种工况下围护体与内部结构的变形及内力。 左人字。6 3 ”，夏江”等研究了“一桩三用”技术，利用排桩围护体系，除 6 第1 章绪论 在基坑开挖过程中将其作为挡土结构外，还作为建筑物工程桩承担上部结构荷 载或作为地下室抗浮桩，同时通过桩墙合技术使排桩与地下室外墙形成复合 结构，共同抵抗水土压力。不仅可节约大量费用，且由围护桩与地下室外墙组 成的组合结构有利于减小墙体开裂，可提高抗渗性。 徐向辉啪1 以深圳地铁某车站为例，从结构体系特征，施工难度与工程质量、 工程造价等方面，对明挖地铁车站叠合墙与复合墙方案进行综合分析比较，认为 叠合墙方案具有结构体系缺陷多、施工难度大、工程质量不容易保证、后期治 水难度大、治水费用高等诸多缺点，在工程造价上也不占优势，建议明挖车站结 构尽可能采用复合墙方案。 刘树亚。”依据实验研究数据和理论分析，对地铁叠合结构车站侧墙混凝土 的温度、温度应力和温度致裂机理进行研究，从温度控制的角度提出裂缝控制措 施。 王印昌“蚰1 ，刘国彬“”根据钢筋混凝土受弯构件的不同工作状态，推导出 了由监测数据分阶段反算地下连续墙弯距的实用计算方法，并结合工程实例与 传统算法进行了比较，发现传统算法会随着地下连续墙变形发展而变得很大。 吴小将根据深基坑工程中常规监测得到的地下连续墙的测斜曲线，建立 了一种在不需要知道钢筋应力情况下就能估算地墙弯矩的简便方法，能够直接 为广大工程人员掌握。这种估算方法的应用，可以节约深基坑工程中的监测费 用，让工程师们及时了解地下连续墙承载力发挥情况，提前采取措施避免由于 地下连续墙设计不合理引起的工程事故的发生。 周顺华、余绍锋等嘲研究了水泥土一搅拌桩复合围护结构的极限破坏性状。 水泥土与灌注桩的荷载分担情况，认为搅拌桩不仅有止水作用，而且分担了一 部分土压力，但没有给出搅拌桩具体可以分担的比例。 刘国彬、肖勤对上海地铁车站的防水现状进行了总结，提出上海地铁车 站综合防水方案是以钢筋混凝土结构自防水为基础与设置诱导缝、施工缝、变 形缝、预埋防水和做好附加防水层相结合；实行设计、建设、施工、材料与保 证工程质量相结合；重视车站钢筋混凝土结构防水施工质量与重视基坑安全稳 定及结构裂缝、弊病的堵漏处理相结合；实行防水工程质量的全员管理和全过 程管理相结合，使综合防水工程质量得到保证。 卢陵江通过广州市地铁工程的应用实例，论述了在大城市土地资源紧张 的前提下，用深基坑的围护结构作为主体结构的一部分，应在设计与施工中考 7 第1 章绪论 虑的各种因素，以期最大限度地利用土地资源。 左人字嘲对排桩围护结构与地下室外墙结合的桩墙合一的几种施工方案的 连接构造措施进行了介绍。 许志刚1 介绍了杭州市高银巷地下停车库及地上建筑工程基坑围护结构与 混凝土外墙外侧模“二合一”的单面支模施工技术。该技术具有省工省时，节约 造价的优点。 总的来说，咬合桩工法在国内的应用才剐刚起步，对于咬合桩复合结构设 计的国内的研究并不是很深入。施工技术方面文献主要讨论了咬合桩的施工机 械的选择、施工顺序、施工精度的控制、施工事故的处理方面。咬合桩咬合量 是咬合桩重要的设计和施工参数，对于咬合量的确定目前只是依靠过往经验确 定，合理咬合量的选择是咬合桩围护结构设计的关键。目前关于排桩式围护结 构作为主体结构或主体结构一部分的问题已由相关学者进行了探讨，但咬合桩 作为永久结构或一部分目前在国内研究较少，咬合桩复合结构的设计方法和构 造设计是咬合桩设计中亟待解决的阅题。 1 2 2 国外研究现状 在国外，钻孔咬合桩( s e c a n tp i l ew a l l ) 技术已经发展得很成熟，相关的施 工实例也很多，在一些复杂地质情况下和近距离近接施工中咬合桩应用也取得 了成功。国外基坑方面的文献方面很少介绍咬合桩的施工控制方面的问题，大 都集中在基坑变形控制和变形数值计算方面。在一些施工公司的网站上也只是 介绍了咬合桩的旅工事例。 l i n d s e ys e b a s t i a nb r y s o n 1 在其博士论文中提到，在芝加哥某一地铁站改造 工程中应用到咬合桩取得成功。此改造工程基坑开挖达1 2 2 m ，基坑旁1 3 m 处 有一浅基础的名为弗朗西斯泽维尔沃德的学校。围护结构是0 。9 m 厚的咬合桩 墙。第一道为钢筋混凝土支撑，二三道为土锚。基坑开挖后，学校房屋最大沉 降为4 0 m m ，其中1 0 r a m 为咬合桩施工时发生，1 8 t i n 为基坑开挖时发生，1 2 m 为 后续的土的蠕变引起，总的来说，工程取得了成功。 t o n y s u c k l i n g 嘞3 认为，在咬合桩施工时，为了保证b 类桩的顺利施工，“母” 桩( a 类桩) 的强度必须控制在2 m p a 7 m p a 之间，但在很多情况下，混凝土 供应商只关注2 8 天强度而不控制7 天强度。新的英国规范b c 8 5 0 0 也只是通过 8 第1 章绪论 混凝土外加剂的使用来控铝4 这一问题，而对7 天强度没有规定。同时他认为作 为永久结构，超缓凝混凝土的耐久性问题也值得研究。 美国州高速公路与运输官员协会和美国联邦高速公路运输管理委员会2 0 0 2 年联合对欧洲的桥梁和路堤基础新颖的快速施工方法进行了考察，在其初步总 结报告里，联合考察体认为桥梁挡土墙的快速施工方法是钻孔咬合桩和地下连 续墙，认为两者能在复杂的地层情况下顺利施工，并且施工噪音和震动较小， 对周边环境影响较小。 1 3 本论文的主要工作 咬合桩作为一种新工艺、新工法，在我国的应用才刚刚起步，其施工方法 并不是很成熟，施工机械的研制也远远落后于发达国家，咬合桩在各地的应用 也或多或少地存在一些问题，对于其设计方法的研究更是一片空白。 本文结合上海地铁某咬合桩试验段工程，通过对咬合桩结构受力特点进行 研究，形成合理的咬合桩复合结构设计方法。 本文的主要工作如下： 1 、对咬合桩作为挡土结构使用的设计方法进行了研究，提出了合理咬合量指标 的确定原则和计算方法。对于不同搭配的咬合桩截面形式的设计方法进行了 研究； 2 、研究了咬合桩不同搭配形式作为永久结构使用的可行性，以及复合结构不同 连接方式和不同阶段各种连接方式下内外墙的荷载、弯矩和应力的分布及叠 加情况； 3 、对咬合桩复合结构的抗裂问题进行了研究，提出了桩身和咬合面的抗裂验算 计算方法，并给出了抗裂验算的计算实例： 4 、研究了咬合桩复合结构根据工程实测数据推算内力的方法，并对上海地铁咬 合桩试验段咬合桩的弯矩发挥情况及咬合桩与主体结构的荷载内力分担进 行了研究； 5 、对不同咬合桩复合结构形式的防水和连接构造设计进行了探讨，提出了咬合 桩与主体结构楼板、侧墙的节点构造设计方法。 9 第2 章咬台桩挡士结构设计方法研究 第2 章咬合桩挡土结构设计方法研究 2 1 咬合桩挡土结构形式 咬合桩的钻孔深度可深可浅，平面布置形式灵活，且两种类型的a 、b 桩可 以根据基坑开挖深度、场地的水文地质情况、是否作为永久结构一部分等条件 进行选择，比如两种桩可以是钢筋混凝土桩和素混凝土桩的搭配，也可以是圆 形钢筋笼桩和矩形钢筋笼桩搭配，还有圆形钢筋笼桩和型钢加劲桩搭配，或者 圆形钢筋笼桩和水泥土搅拌桩搭配，国外还有钢筋混凝土桩和混合材桩搭配使 用的情况。图2 4 图2 9 为咬合桩a 、b 桩的不同搭配示意图。 生日烛 图2 4 钢筋混凝土桩和索混凝土桩搭配咬合桩示意图 哟壁越 图2 5 钢筋混凝土桩和混合材桩搭配咬合桩示意图 1 0 第2 章咬合桩挡土结构设计方法研究 图2 6 钢筋混凝土桩和水泥土搅拌桩搭配咬合桩示意图 熊麟k 图2 7 钢筋混凝土桩和矩形钢筋笼桩搭配咬合桩示意图 哟喇 图2 8 钢筋混凝土桩和异形钢筋笼桩搭配咬合桩示意图 哟8 魄 图2 9 钢筋混凝土桩和型钢加劲桩搭配咬合桩示意图 1 l 第2 章咬合桩挡土结构设计方法研究 由于咬合桩是桩与桩相互咬合，形成墙体，共同承担止水和挡土作用，刚 度较大，变形小，一般将其作为主体结构或主体结构的一部分设计和使用。咬 合桩作为挡土结构，其破坏形式主要还有两种：一、基坑的失稳破坏或者荤素 桩出现弯曲断裂破坏，通过计算可确定桩的相关参数( 桩长、桩径、配筋) ；二、 桩与桩咬合面部分混凝土拉裂或者剪切破坏，通过咬合面强度验算可以确定咬 合量。目前咬合桩挡土结构需要考虑的设计参数主要有：桩的入土深度、桩径、 咬合量及截面配筋量。 2 2 咬合量的确定 2 2 1 根据咬合桩垂直度确定咬合量一 根据上海申通地铁集团有限公司企业标准钻孔咬合桩施工及质量验收标 准( 试行) 6 i 5 要求，钻孔咬合桩的垂直度控制在3 0 ，桩位偏差不得大于 l o m m 。 表2 1 咬合桩主控项目允许偏差 允许偏差 检查频率 序号检测项目检验方法 或允许值 范围点数 o 1 孔深( m )每根桩 l 用测绳测量 + 5 0 0 2成孔 孔( 桩) 位( m ) 士1 0每根桩1用钢尺量 3垂直度3 全过程1 测斜仪或“测环法” 3主筋间距( r a m )l o每根桩3用钢尺量 钢筋笼 4长度( m m ) + 1 0 0 每根桩1用钢尺量 桩 每根桩 每根1 佑 组 4 成桩混凝土强度碗设计要求试块报告 合 不少于三每根1 根组 处 1 2 第2 章咬合桩挡土结构设计方法研究 假设各个不同偏差的控制在允许范围内的可靠度保证率为9 5 ，且桩的底 板位置处的咬合量需要得到满足，桩间相互发生偏移的特征、概率及需要咬合 量如下： 表2 2 不同偏移特征下的咬合量概率分布 桩闻相互偏移特征 需要咬合量z发生相对概率只 逆向靠近偏移 00 2 5 同向偏移m a x0 5 逆向远离偏移2 m “ 0 2 5 如上表所示，在桩同时向相反方向发生远离偏离时需要的咬合量最大，但 发生概率较小，所以需要根据桩间偏移的发生概率得到需要咬合量的数学期望： z ( a m a x ) = 置日= o 2 5 x 0 + 0 5 x a m a x + 0 2 5 x 2 a m a x = a m a x 由于套管钻孔咬合桩使用固定直径套管，故桩径偏差几乎为零。全套管钻 孔咬合桩最大偏差量m a x ； 腿x = 0 9 5 2 x ( 垂直度偏差+ 桩位偏差) 一扩径量 = o 9 5 2 ( 3 h + 1 0 0 ) 一a r ( 咖) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中的扩径量r 可根据公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 及扩径理论计算。 p 2 ( 2 一句p 。一2 p v 2 ( 2 一善) ( 2 2 ) p = ( 2 一a ) p q 2 2 a 2 2 p v 2 ( 2 一手) ( 2 3 ) 式中： r 孔内混凝土压力，k p a ： p 0 泵送混凝土压力，k p a , 、r 一提套管速度，m m i n ： q _ 亏砭送混凝土输出量，r a 3 m i n , 名泵的综合阻力系数，即局部及流程水头损失系数； 扩大阻力系数； 桩截面积，m 2 ； 第2 章咬合桩挡土结构设计方法研究 口混凝土密度，k g m 3 。 导致缩径与扩径的主要原因是孔内砼压力大于或小于土层侧压力而造成 的。灌注时，砼在泵压的作用下对周围土体产生压力，将桩周土体的受力过程 视为圆孔扩张，根据圆孔扩张理论及王长科”1 的弹塑性理论解，孔内极限压力 为： g = 2 c c o s # ，( 1 一s i i l 伊) + a ：( 1 + s i i l 伊) ，( 1 一s i n 力 ( 2 4 ) 式中： g 孔穴内极限压力； c 、p 土体的抗剪强度指标； 吒土体轴向应力，吒= 一 。 当孔内砼压力p q k 时( k 为安全系数) ，产生扩径，p q k 时，产生缩 径。 铲半m + 矧埘( 一制 ， 其中：a = 一硝2 芎l n c = 一朋2 ( 2 n ) l ：l + - 警- ( 1 一一2 2 ) 2 = 1 - 冬( 1 + 肋 , = 碍一千+ 鲁陋一却2 ) 啪圳 式中； 旷一为土的泊松比。 e 为土的弹性模量，i r m a ； r 一为桩的半径，c m ： 图2 1 0 孔内混凝土的扩径与缩径 c 为土的不排水抗剪强度，k p a , k 一为水平抗力系数。 根据本施工场地土体的物理力学指标，半径的扩径量约5 l o c m ，这在工程 中是一个不可忽视的量。 1 4 第2 章咬合桩挡土结构设计方法研究 2 2 2 根据破环机理推算咬合桩基准咬合量a a 咬合桩的a 桩与b 桩间通过咬合面传力作用保证两类桩相互间的传力，在 咬合良好的情况下形成类似与地下连续墙的围护结构，但由于单根咬合桩直径 远小于单幅地下连续墙宽度，其咬合面出现位置较多，在土压力作用下，咬合 桩易发生沿基坑长度方向的弯曲变形( 如图2 1 1 所示) ，则咬合面可能发生剪切 破坏，弯曲破坏( 沿基坑长度方向) ，拉压破坏由于咬合桩通常兼止水作用， 故如果咬合桩桩墙结构出现裂缝，在没有第二道止水防线的情况下，则会发生 漏水。故需要根据咬合桩的破坏机理确定基准咬合量a 。 土压力e a 姒1 入义姒! 火? 八八、入。一d 一，八。 ，、，、歹一y 广丫、 ；脊叁譬带： 支撑支撑 图2 1 l 咬合桩挡土结构沿基坑长度方向的弯曲变形 本文从讨论咬合量的角度出发，把咬合桩挡土结构简化为混凝土薄板，计 算其内力，进行抗弯承载力、抗剪切承载力验算，从而确定咬合量。 建立计算模型前先提出几个假设条件： 1 、土压力不随咬合桩变形而变化，而且沿基坑长度方向均匀分布； 2 、因钢筋混凝土桩咬合超缓凝混凝土桩，沿基坑长度方向没有纵向钢筋， 以安全考虑，按素混凝土板校核其内力； 3 、由于咬合面为薄弱环节，桩间相对平面转动导致咬合面破坏，需考虑简 化沿基坑长度方向的弯曲破坏，及咬合处a a 平面内剪切破坏( 见图2 1 2 和 图2 1 3 ) ： 1 5 第2 章咬合桩挡土结构设计方法研究 月 h 厂7 7 、一彤专、。 杉嘭捌t ：一，) t 。y 、也2 图2 1 2 弯曲计算模型 + t 图2 1 3 剪切计算模型 在提出的假设前提下，建立如图2 1 2 和图2 1 3 所示的计算模型，板厚为等 效厚度h ，板的长度a 为基坑支撑的水平间距，板的宽度b 为基坑支撑的竖向间 距，受土压力作用，梯形分布土压力等效成矩形分布土压力q o ，为安全计将其 等效成四边简支的薄板弯曲问题进行求解。 该问题简化为一矩 形薄板，如2 1 1 所示， 薄板四边简支，在 v = o , b 的简支边受分布 弯矩m 。= ，= m 。作 用，且板面受均布荷载 q o 作用，求解板的内力。 1 6 图2 1 4 薄板弯曲的力学模型 第2 章咬合桩挡土结构设计方法研究 边界条件为： 本体系采用叠加法求解， 倚支 ( 们。= o 嘶= 。 ( 叻，- o = 0 学h = 等价于以下两种基本体系的叠加： 图2 1 5 均布荷载作用时图2 1 6 弯矩作用时 ( 一) 均布荷载作用时： 设挠度函数为； 答。 m 2 ；gs i n 互口工豳詈y ( 2 6 ) 该挠度函数级数收敛较快，仅取一项， 。1 abin x s m 。，求其近似解 w 2 0s 一 一) ， = q s i n 三xs i n 詈_ ) ，= c l m 咖鼋2 粉一、 叩， = c 1l ( + 9 9 2 9 2 i 锄三口x s i n 詈y 1 7 第2 章咬合桩挡土结构设计方法研究 rr d ( v 4 忉姗， = rr 。c ， 9 4 + 9 4 + 0 2 9 2 s 血吾戚n 詈y 幽三x s m 詈y q s ， = 等c 寺+ 矿a + 匆。c 1 其中： 。= 1 2 生( 1 - a ) 称为薄板的抗弯刚度；疔为板厚。 l q 。妫= 吼