大直径多盘扩底灌注桩在武汉地铁车站施工中的应用

摘要：依托武汉地铁2号线中南路站工程实例，综合理论分析、现场原位试桩以及数值模拟结果，对大直径多盘扩底灌注桩的受力特性及变形控制效果进行研究。研究结果表明，多盘扩底灌注桩可充分发挥其桩型优势，有效减少桩长，对控制立柱沉降、减少工程造价效果明显，是较理想的中间桩基替代方案。

关键词：盖挖逆作法;立柱沉降;多盘扩底灌注桩;

作者简介：刘御刚（1988—），男，湖南岳阳人，硕士，工程师，从事地下工程及地铁工程的设计及研究工作。;

对盖挖逆作法施工的地铁车站而言，由于中间桩基采用一柱一桩的布置形式，相对围护桩（墙）而言，其竖向承载刚度偏弱。为控制车站顶板差异沉降，防止车站顶板施工期间拉裂破坏，工程对中间桩基的承载能力及竖向刚度提出了较高的要求[1]。多盘扩底灌注桩由于其桩型在受力特性上的优势，相对直桩方案而言，是较理想的替代方案[2,3]。

本文以盖挖逆作法施工的武汉地铁中南路站为例，结合场地地质条件、试桩数据及数值模拟分析结果，对大直径多盘扩底灌注桩的受力及变形特性进行研究。结果表明，中间桩基采用大直径多盘扩底灌注桩可有效减少桩长，提高桩基承载能力及竖向刚度。

武汉地铁中南路站是2号线与4号线的换乘站，位于中南路与武珞路交叉口北侧，沿中南路南北向布置。车站外包总长288.4m，总宽41.7m，所处场地位于武昌区最繁华的商业中心区之一，交通极为繁忙，施工期间不允许中断中南路地面交通。同时本站宽度较大，基坑周边的地面建筑物密集且距离基坑较近，周边施工场地十分紧张。综合考虑，本站采用盖挖逆作法施工。

根据地质勘察报告，中南路站所属场地地貌单元为长江三级阶地。场地上部为黏土层，中部为砂层及卵石层，局部有软弱夹层（含卵石粉质黏土），下伏基岩为石灰岩。车站主体结构底板基本位于粉质黏土层以内。根据地勘资料，中南路站的地质纵剖面见图1，地层主要参数见表1。

图1中南路站地质纵剖面图下载原图

表1主要地层参数汇总表下载原图

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008)[4]计算，本站盖挖逆作法施工的中间桩基若采用直桩方案，在满足设计承载力及变形要求的情况下，需要桩长约55m（桩径1.8m），桩身需长距离穿越卵石层。考虑卵石层成孔困难，应尽量减少桩长，因此本站中间桩基分段采用大直径扩底灌注桩、大直径多盘扩底灌注桩方案。

为研究多盘扩底灌注桩在荷载作用下的受力及变形特性，特制定试桩方案。根据《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T403—2017)[5]采用自平衡法试桩，通过在桩身平衡点位置安设荷载箱，对荷载箱沿垂直方向加载，可同时测得荷载箱上、下部桩体各自的荷载-位移曲线，通过数据处理即可得到整桩的荷载-位移曲线。

本项目试桩设计参数为：桩顶埋深17.2m，桩长26m+6.4m=32.4m，直桩桩径1.8m，设扩底盘及中间扩大盘，扩大盘直径3.6m，上下扩大盘竖向距离6.4m。采用自平衡法试验，荷载箱位于上下扩大盘之间，如图2所示。完成自平衡试桩试验后，得到荷载箱上、下部分桩体各自的荷载-位移曲线，见图3。

图2试桩示意图下载原图

图3桩体荷载-位移曲线对比图下载原图

为研究大直径多盘扩底灌注桩的受力及变形特性，采用MidasGTSNX软件模拟自平衡试桩过程，通过在桩身荷载箱位置施加等效荷载，计算得到上、下部桩体的荷载-位移曲线，再通过试算调整模型参数，使数值模拟结果与试桩数据尽量吻合。

本文数值计算模型土体采用修正摩尔库伦本构模型，桩土接触面采用界面单元模拟，界面单元的切向剪切模量采用两折线模型。桩土界面剪切位移-剪切应力关系如图4所示。

图4界面单元位移-剪切力关系图下载原图

根据对称性原理，本文计算模型取过试验桩中心点的1/4模型，模型长30m、宽30m、深90m。数值计算整体模型见图5～图6。

图5数值计算模型图下载原图

通过调整土体弹性模量，使荷载箱下部桩体的荷载-位移曲线与试桩结果基本一致。再调整桩土接触界面的剪切模量，使荷载箱上部桩体的荷载-位移曲线与试桩结果基本一致。经试算，土体弹性模量取地勘报告压缩模量的4.2倍、回弹模量取弹性模量的3倍、桩土界面剪切模量及折减后的剪切模量分别取30MPa、10MPa时，数值计算结果与试桩结果基本一致。试桩数据及数值计算结果对比曲线如图6所示。

图6双盘扩底灌注桩计算模型下载原图

由图6可知，荷载箱下部桩体的计算结果与试桩结果的最大位移差约为0.55mm，误差率不超过20%。荷载箱上部桩体计算结果与试桩结果的位移差约为0.22mm，误差率不超过8%。数值计算与试桩结果拟合度较高，表明本文数值计算模型的参数设置是合理的。

根据以上试算确定的模型参数，在桩顶施加设计荷载（单桩9550kN），并调整计算模型中间扩大盘的位置。计算得到不同扩大盘间距情况下，双盘扩底桩的桩顶位移相对单盘扩底桩的减少量。

根据计算结果，中间扩大盘与底部扩大盘的间距越大，则桩顶位移越小。由于本文研究的试桩桩长有限，在扩底盘间距4.5～12.5m范围内，桩顶位移减少量与扩底盘间距基本呈线性关系。根据本文计算结果，在扩大盘间距12.5m时，相对无中间扩大盘扩底桩（单盘扩底桩），桩顶位移减少约12%（无中间扩大盘时，桩顶位移3.05mm）。

提取不同扩大盘间距下，持力层（11-2粉砂层）深度范围内桩身的轴力分布，结果见图7。

图7桩体荷载-位移曲线对比图下载原图

根据以上数值计算结果可知，中间扩大节点的位置对桩身轴力分布影响明显。在扩底盘间距6.5～12.5m范围内，中间扩大节点发挥的端承力为1616～1924kN。主要表现为：中间扩大节点越靠上，扩大节点发挥的端承力越大。详细分析以上计算结果，得到以下结论：

(1）在持力层范围内，中间扩大盘与底部扩大盘距离越大，则其发挥的端承力越大，桩顶位移也越小。主要原因为上部桩体由于压缩量的累计，竖向位移较大，从而能充分发挥中间扩大盘的端承作用。

(2）在不同的扩大盘间距下，桩底附近的桩身轴力基本不变。表明在满足一定的扩大盘间距的条件下，中间扩大盘的设置位置对桩底扩大盘的受力特性影响较小。

(3）由于中间扩大盘的端承作用，中间扩大盘以下的桩身轴力相对无中间扩大盘的扩底桩明显降低。由于中间扩大盘的作用，桩底轴力降低约33%（本文由2420kN降至1615kN）。

根据以上试桩数据及与数值模拟结果的对比分析，针对大直径多盘扩底灌注桩在小位移情况下的受力及变形特性，得出以下结论：

(1）本文以中南路站为工程实例，结合理论分析、试桩数据及数值模拟计算结果表明，盖挖逆作法地铁车站中间桩基采用多盘扩底灌注桩可充分发挥其桩型优势，有效降低桩长，对控制立柱沉降、减少工程造价效果明显，是较理想的替代方案。

(2）数值计算结果表明，由于中间扩大盘的端承作用，桩底轴力相对无中间扩大盘的扩底桩明显降低，从而可有效提高桩基承载力并降低桩顶沉降量。

(3）中间扩大盘对降低桩顶位移的机理主要体现在：①中间扩大盘引起桩身轴力分布改变，进而导致桩身弹性压缩量降低。②由于中间扩大盘的作用，使桩底轴力降低，可提高桩基承载力并减少桩底的地基土压缩变形量。

[1]北京市规划委员会.地铁设计规范：GB50157—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]范磊，陶连金，黄美群.全液压可视旋挖扩底灌注桩抗压承载性状及影响因素分析[J].工业建筑，2017,47(4):99-105.

[3]刘翔青.AM工法扩底灌注桩的试验分析与力学性能研究[D].合肥：合肥工业大学，2014.

[4]中国建筑科学研究院.建筑桩基技术规范：JGJ94—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5]东南大学.建筑基桩自平衡静载试验技术规程：JGJ/T403—2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

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