香港地区基坑钢管桩嵌岩设计方法

摘要 本文以港岛西雨水排放隧道进水口基坑开挖与支护设计为例，介绍了香港地区常用的钢管桩嵌岩设计与计算方法。考虑基岩侧向受压破坏及平面不连续控制破坏的两种模式，并与国内规范或规程的嵌岩桩的嵌岩深度计算方法进行了比较。

关键词 基坑开挖与支护；钢管桩；嵌岩计算

1前言

港岛西雨水排放隧道（HKWDT）项目总共有34个隧道进水口（Intake）需要进行临时基坑支护设计，多采用钢管桩进行支护，内支撑采用H型钢。因场地基岩面海拔高，覆土厚度较小，挡墙结构需嵌固入基岩。本文以进水口E7为例，讨论了香港地区的钢管桩的嵌岩设计与计算。

2基坑支护方案

进水口E7的地层如下：

左侧：①填土（Fill），厚度约为7m；②中风化花岗岩（Bedrock）。

右侧：①崩积土（Colluvium），厚度约为2m；②全风化花岗岩（CDG），厚度约为1m；③中风化花岗岩（Bedrock）。

设计水位在左侧地面下3m，右侧地面下1m。

E7基坑平面如图1所示，桩底嵌岩部分如图2所示。施工时，钢管桩施工至基岩面上，入岩部分采用小直径钻机钻孔，在钻孔中放入H型钢，后浇筑混凝土以形成整体，达到挡墙嵌岩的效果。来自土体和水的水平荷载全部由钢管桩承受，传递到围檩、钢支撑和嵌岩的H型钢上。

基坑开挖深度为16.65m，A-A剖面宽度为12.4m，钢管桩桩间距0.6m。基岩面位于地面下4 ~ 6m，基坑左侧有车辆通行，考虑超载20kPa；基坑右侧为天然山体边坡，已做边坡支护，考虑人行及其他荷载，超载为5~10kPa。总共设置3排钢支撑，间距为2~3米。

3钢管桩嵌岩设计方法

桩的最小嵌岩深度dr基于以下两种不同情况计算取得。第一种情况是考虑理想状态下，桩底岩石的侧向受压破坏，假设侧向反力为均匀分布；第二种情况是考虑桩底岩石发生平面非连续控制破坏，假设侧向反力为非均匀分布。

理想状态下侧向水土压力呈三角形分布时，当桩剪力零点出现在岩面以下时，用下面的方法计算最小嵌岩深度，如图3所示。 图3（b）为入岩结构的理想状态下的受力简图，结构假设为均匀受力，由力平衡及力矩平衡，则有：

ΣF=0

ΣM=0（对基岩面求矩）

联立方式求解得图3中（c）公式。

折算单根桩上的内力及施加在单桩宽度范围岩石上的应力，则最小嵌岩深度为：

当桩底岩石发生平面不连续控制破坏时，用下面的方法计算最小入岩嵌固长度]，如图4所示。考虑基岩面为非水平面，图4（b）为入岩结构的受力简图，结构为非均匀受力， 由力平衡及力矩平衡方程，分别得图4（c）的公式。对楔形块体OAC受力进行分析，根据力的平衡方程，采用试算法求解F1和d值。

图 4平面不连续控制破坏模式下的嵌岩桩设计

折算单根桩上的内力及施加在单桩宽度范围岩石上的应力，则最小嵌岩深度为：

将式3-1与式3-2得到的dr比较，取其大值作为设计值。

由以上方法（1）和方法（2）分别得到的入岩深度为0.41米及1.11米，该工程中取入岩深度为1.2米。

国内规范计算方法的比较

4.1《公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）》计算方法

嵌岩桩嵌入基岩中深度的计算公式，在frk≥2MPa时适用。对于圆形桩，嵌固深度h范围内的应力图形是按两个相等三角形分布进行假定；假设最大压力等于平均压应力的1.27倍；不计水平H和桩端摩阻力对桩的影响。这里的嵌岩桩是指桩端嵌入中风化岩、微风化岩或新鲜岩，桩端岩体能取样进行单轴抗压强度试验的情况。

由嵌岩段在力矩和岩石对桩侧挤压力作用下的平衡方程可推出嵌岩深度公式：

式中：c为安全系数，采用0.5；β为岩石的竖直抗压强度换算为水平抗压强度的折减系数；frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa)，黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值。

4.2《港口工程嵌岩桩设计与施工规程（JTJ 285-2000）》计算方法

该规范规定嵌岩深度不小于1.5倍桩径，是为了在构造上保证结构计算时可将嵌岩端作为固定端考虑。最小嵌岩深度h的计算是参照了《公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）》的计算方法，同时考虑剪力的影响。根据嵌岩段在力矩、剪力及岩石对桩侧挤压力的作用下的平衡方程推导得到的：

式中：hr’为计算所需嵌岩深度(m)；Vd为基岩顶面处桩身剪力设计值（kN）；β为系数，取0.5~1.0，根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值，反之取大值；frc为岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa)；Md为基岩顶面处桩身弯矩设计值（kNm）；d为嵌岩段桩身直径（m）。

4.3分别采用上述两种规范方法与香港挡土墙手册的方法计算嵌岩深度，以该基坑Side A段的嵌岩计算为例：

表1 嵌岩深度比较

香港挡土墙手册

水平承载力法 香港挡土墙手册

平面不连续控制破坏法 桥涵规范法 港工规范法

0.41m 1.11m 0.68m 0.49m

采用1.2m

注：岩石水平抗压强度取为2000kN/m2

香港挡土墙手册上的水平承载力法与国内的桥涵规范和港工规范的方法相类似，只是假设的压力分布图不一样，计算结果都比较接近。而采用香港的平面不连续控制破坏法与之比较，计算结果偏大。

5结语

文中介绍的是香港地区所采用的入岩最小嵌固长度的计算方法。与国内规范的计算结果相比较，香港地区的结果偏于保守。目前，基坑设计所采用的《建筑基坑支护技术规程》中只对嵌固深度计算有所规定，对于悬臂支护结构，嵌固深度主要考虑抗倾覆、抗滑移、整体稳定性、抗隆起等；对于单支点支护结构，采用等值梁法确定嵌固深度，该深度大于整体稳定及抗隆起的要求；对于多支点支护结构，则满足整体稳定条件即可。该规程对挡土结构入岩的情况，并没有规定嵌岩计算的方法来考虑基岩的水平向抗压承载力是否足够，而根据规程计算得出的嵌固深度所确定的入岩深度与本文中所讨论的入岩最小嵌固深度的比较，考虑工程的安全性及经济性，值得我们进一步探讨。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。