預應力管樁復合地基在水利工程中的應用

倪言波

預應力混凝土管樁具有單樁承載力高、樁身耐錘擊性好、穿透力強、施工速度快、造價低等優點，廣泛應用于工民建、鐵路、橋梁、碼頭等工程中。由于預應力混凝土管樁水平承載力相對較低，目前主要應用于水平承載力要求較低的水利工程中，難以在具有較大水平力的水利工程地基處理中得到應用。

一、預應力管樁復合地基的提出

1.預應力管樁復合地基布置

預應力管樁復合地基由素混凝土墊層、水泥土褥墊層及預應力管樁組成。其中素混凝土墊層厚10cm，強度等級同建筑物底板強度等級；水泥土褥墊層厚度一般可取20～60cm，水泥摻入比8%～12%，具體厚度及水泥摻入比可根據工程實際情況確定；預應力管樁頂部不再嵌入底板，而是嵌入水泥土褥墊層10～30cm，且管內頂部1.5～1.8m范圍配置受力鋼筋及環筋，澆灌C25混凝土，增強管樁水平承載力和頂部抗彎性能，具體布置見圖1。

2.預應力管樁復合地基設計

首先，初步擬定復合地基預應力管樁樁徑、樁間距，根據擬定的樁徑、樁間距計算管樁承載力特征值，計算公式如下：

圖1 預應力管樁復合地基布置圖

表1 底板以下土層平均厚度表（單位：m）

式中：

fspk——復合地基承載力特征值；

m——面積置換率；

Ra——樁承載力特征值，kN；

Ap——樁端截面積，m2；

Β——樁間土承載力折減系數；

fsk——天然地基承載力特征值，kPa。其次，根據計算的樁承載力特征值確定樁長，再調整預應力管樁樁徑、樁間距，重復上述過程，得到多個成果進行比選，得到最佳的預應力管樁樁徑、樁間距及樁長。樁長計算公式如下：

式中：Ra——樁承載力特征值；

μp——樁周長，m；

qsik——樁周第i層土側阻力標準值；

qpk——樁端土層端阻力標準值；

α——樁端天然地基土承載力折減系數；

Ap——樁端截面積，m2；

Li——樁在第i層土的樁長；

K——安全系數。

再通過地基沉降計算復核所確定的預應力管樁樁徑、樁間距及樁長是否滿足地基沉降要求，計算公式如下：

式中：ψ——沉降計算經驗系數；

ψE——樁基等效沉降系數；

zi——基礎底面至第i層的距離；

p0——基礎底面的附加壓力，kPa；

Esi——各層土的壓縮模量。

最后，根據建筑物各工況的水平合力及管樁布置情況計算單個預應力管樁水平力，根據單樁水平力，采用“m”法計算管樁的最大彎矩值，與預應力管樁抗彎強度比較。由于管樁頂部配置了受力鋼筋和環筋，澆灌了C25混凝土，增強了管樁的水平承載力和抗彎性能，因此，計算的彎矩值小于管樁允許抗彎值即可，不需再考慮安全系數。

表2 樁基礎設計參數表

二、工程實例

淮安市里運河防洪控制工程楚州控制工程采用閘站橋三結合方案：節制閘閘室為開敞式平底板結構，1孔，凈寬30m，采用底軸驅動下翻閘門，底板順水流方向長34m；泵站底板順水流向總長34m，垂直水流向總長26m，對稱布置于水閘兩側；交通橋布置在水閘和泵站上，橋面高程16.4m，寬34m。

站身持力層高程為0.10~1.00m，閘身持力層高程為－0.80~1.20m，位于第5層淤泥質粉質粘土或淤泥質粘土上，該層土固結快剪指標為Φ=13°，C＝9kPa，流塑狀，低強度，壓縮性高，工程性質差，地基允許承載力為70kPa，其下臥層為第6層粉質粘土、重粉質砂壤土，第7層為粉質粘土，低壓縮性，為良好的下臥層。底板以下土層平均厚度見表1。

根據穩定計算成果，泵站、水閘平均地基反力大于持力層地基允許承載力，不滿足地基強度要求，由于工期緊、施工場地受地形限制，擬采用預應力管樁復合地基處理。經計算比較，樁基礎采用直徑0.4mm，樁間距1.8m，樁長10m的預應力PHC管樁。水閘地基最大沉降量為5.20cm，泵站地基最大沉降量為7.22cm，滿足三維有限元計算提出的地基沉降不大于8.0cm的要求。泵站、水閘最大單樁水平力分別為36.4kN、48kN，最大彎矩為 47.47kN·m、62.59kN·m，小于管樁的允許抗彎值。褥墊層厚度為20cm，水泥摻入比為10%，局部根據實際情況有所增加。預應力管樁設計參數見表2，預應力管樁半平面布置圖見圖2。

三、結論

預應力管樁復合地基通過在管樁頂部1.5~1.8m范圍配置受力鋼筋及環筋，澆灌C25混凝土，增強管樁的水平承載力和抗彎性能，設置褥墊層，樁頭嵌入褥墊層10~30cm，分擔作用在管樁上的水平力，較好地解決了管樁水平承載力較低的問題，使預應力管樁在水利工程中的應用成為可能，且預應力管樁復合地基在施工場地受限制、工期緊的水利工程中應用前景廣闊■