嵌巖樁墩混合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法探討

譚望庭 何喜洋 汪　浩

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司）

嵌巖樁墩混合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法探討

譚望庭 何喜洋 汪浩

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司）

本文探討了基巖埋藏較淺但起伏較大時(shí)，采用嵌巖樁墩混合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，并以實(shí)際工程為例，對(duì)比分析了各計(jì)算方法的優(yōu)劣，提出了設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意的事項(xiàng)，供同類(lèi)工程參考。

嵌巖；樁基礎(chǔ)；墩基礎(chǔ)；水平力；煙囪

1　引語(yǔ)

樁基礎(chǔ)是建構(gòu)筑物最常見(jiàn)的基礎(chǔ)形式之一，廣泛應(yīng)用于上覆軟弱土層較厚或其他淺層地基土質(zhì)不良、采用淺基礎(chǔ)不能滿足承載力和地基變形要求的情況。長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，樁基礎(chǔ)傳力途徑明確，設(shè)計(jì)計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，能很好地滿足建(構(gòu))筑物穩(wěn)定性、可靠性和安全性的需要，且已取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

工程實(shí)踐中，我們會(huì)遇到以下地質(zhì)情況：淺層土層承載力較低，其下持力巖層較淺但高低起伏較大。在這種情況下，一般有兩種方案可供選擇：一是采用天然基礎(chǔ)方案，這種方案需要大開(kāi)挖，在總體挖深較淺的時(shí)候可以采用，若總體挖深較深才能到達(dá)巖面，則會(huì)導(dǎo)致投資和施工安全風(fēng)險(xiǎn)大大增加；二是采用樁基礎(chǔ)方案，在總體挖深偏深的情況下，我們一般會(huì)采用樁基礎(chǔ)。

本文擬以國(guó)內(nèi)某電廠煙囪為例，討論上述情況下的樁基礎(chǔ)方案。

2　工程概況

國(guó)內(nèi)某電廠為2×350MW機(jī)組，煙囪選用一座210m高單鋼內(nèi)筒套筒式煙囪，外筒高204m，筒首外直徑11.5m，外筒坡度0～60m為4.0%，60～120m為3.0%，120～204m為0.0%，鋼內(nèi)筒為分段懸掛式，直徑為7.8m，共布置6層鋼平臺(tái),70m平臺(tái)及以下設(shè)置1部電梯，如圖1。本工程地震烈度為6度，基本風(fēng)壓為0.55kPa。采用51YC無(wú)憂煙囪計(jì)算軟件（V3.0版）計(jì)算上部結(jié)構(gòu)，得到用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的±0.000標(biāo)高處的最不利組合內(nèi)力為：

基本組合：

標(biāo)準(zhǔn)組合：

該工程所在場(chǎng)地自上而下地質(zhì)分布依次為紅粘土、微風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r、微風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r埋深較淺但起伏較大，《巖土勘察報(bào)告》中顯示，煙囪區(qū)域一共7個(gè)鉆孔，微風(fēng)化巖面埋深位于地下6.3～12m不等，平均埋深約為9.5m，綜合考慮了經(jīng)濟(jì)性及安全性?xún)煞矫妫竟こ滩捎昧酥睆?m沖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁端支承在微風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r上。承臺(tái)采用環(huán)板，外環(huán)直徑為29m，內(nèi)環(huán)直徑為11m，埋深4.5m，h=3.0m，h=2.0m。

圖1　煙囪立面布置

圖2　樁基平面布置圖

3　設(shè)計(jì)分析

根據(jù)前述介紹可知，本工程樁基礎(chǔ)的基樁長(zhǎng)度為2.8～8.5m，屬于樁墩并存，對(duì)于樁和墩基礎(chǔ)的定義和分界，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》里均沒(méi)有明確規(guī)定，在《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施2003版》（結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)）中，第3.11.1-5條規(guī)定：人工挖孔樁的樁長(zhǎng)不宜大于40m，亦不宜小于6m，樁長(zhǎng)小于6m的按墩基礎(chǔ)考慮，樁長(zhǎng)雖大于6m，但L/D＜3時(shí)，亦按墩基計(jì)算。此條文主要針對(duì)人工挖孔樁，本工程參照了此條規(guī)定：樁長(zhǎng)小于6m按墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，樁長(zhǎng)大于等于6m按樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

基于本工程樁墩混合基礎(chǔ)的特殊性，有兩個(gè)點(diǎn)需要特別關(guān)注：第一點(diǎn)是墩基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)暫無(wú)明確規(guī)范規(guī)定，該部分可參考參考文獻(xiàn)[3]，設(shè)計(jì)計(jì)算后樁（墩）豎向承載力均能滿足要求，本文不再贅述；第二點(diǎn)是樁（墩）基礎(chǔ)水平力的分配，這是本文研究的重點(diǎn)。

要分析樁和墩的水平力分配，需先形成結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度，此處我們作以下三個(gè)假定：

⑴忽略在水平荷載作用下樁（墩）的軸向變形，樁（墩）的剪力只與水平位移有關(guān)。

⑵煙囪底板的軸向變形很小，可以忽略，因而樁（墩）頂端位移相等。

⑶忽略結(jié)構(gòu)空間變形對(duì)樁側(cè)移剛度的影響。

⑷忽略樁周土的影響。

假定所有樁（墩）頂端的相對(duì)位移δ均相等，由此可得各樁（墩）的剪力如下：

式中，i為樁（墩）編號(hào)，F(xiàn)i、Ki分別為第i根樁（墩）的剪力和抗側(cè)剛度，假設(shè)有n根樁（墩），可得：

則各樁剪力為：

由上述分析可知，樁（墩）的抗側(cè)剛度是影響其水平力分配的關(guān)鍵，若僅考慮彎曲變形：

式中，E為混凝土的彈性模量，I為柱的截面慣性矩，l為樁（墩）的計(jì)算長(zhǎng)度。

若同時(shí)考慮彎曲變形和剪切變形：

式中，G為混凝土的剪切變形模量，A為構(gòu)件截面面積，γ為剛度的剪切影響系數(shù)，μ為截面剪切形狀系數(shù)。

根據(jù)上述分析可知，樁和墩長(zhǎng)度呈倍數(shù)關(guān)系時(shí)，其剛度呈指數(shù)級(jí)倒數(shù)關(guān)系，墩基礎(chǔ)很可能由于水平力吃力過(guò)大引起破壞，甚至有可能導(dǎo)致樁（墩）基礎(chǔ)的連續(xù)性破壞，從而引起極大的工程安全隱患。鑒于此，該工程做了一樁一孔的超前鉆，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的超前鉆結(jié)果，轉(zhuǎn)化為入巖1m樁長(zhǎng)，最長(zhǎng)樁為8.5m，最短樁為2.52m，樁長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

表1　樁長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

有了以上工程參數(shù)，采用前述方法，可以得到每根樁（墩）的水平力如圖3。最長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)為最短墩墩長(zhǎng)的3.4倍，在僅考慮彎曲變形的情況下，最長(zhǎng)樁承擔(dān)水平力最小，僅為7.7KN，而最短墩則承擔(dān)了最大的水平力，達(dá)到了293.3KN,最長(zhǎng)樁承擔(dān)的水平力僅為后者的1/38，兩者為3次方的倒數(shù)關(guān)系；在考慮彎剪變形的情況下，最長(zhǎng)樁承擔(dān)水平力為8.6KN，最短墩承擔(dān)水平力為255.7KN,最長(zhǎng)樁承擔(dān)的水平力為后者的1/30，比僅考慮彎曲變形時(shí)各樁的水平力分布懸殊減小，特別是對(duì)于最短樁而言，其承擔(dān)的水平力減少了13%。所以對(duì)于墩基礎(chǔ)而言，剪切剛度對(duì)其分擔(dān)的水平力影響較大，必須予以考慮。

根據(jù)試樁報(bào)告，樁（墩）的水平承載力特征值取220KN，兩種方法計(jì)算得到的最短墩的水平力均超過(guò)了這一限值，所以設(shè)計(jì)中通過(guò)控制最短墩的墩長(zhǎng)，要求其不得少于3m，從而控制水平力不超限值。調(diào)整后的樁（墩）承擔(dān)水平力曲線見(jiàn)圖4，墩承載力可以滿足要求，結(jié)構(gòu)安全。

圖3　樁（墩）承擔(dān)水平力曲線（最短墩長(zhǎng)為2.52m時(shí)）

圖4　調(diào)整后樁（墩）承擔(dān)水平力曲線（控制最短墩長(zhǎng)為3m時(shí)）

4　有限元分析對(duì)比

為與第3部分介紹的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，本文建立了SAP2000有限元分析模型，樁承臺(tái)和環(huán)壁分別利用厚殼單元和薄殼單元進(jìn)行模擬，樁采用桿單元進(jìn)行模擬，上端鉸接在承臺(tái)底部對(duì)應(yīng)位置，底端固接于基巖上，在零米中心處建立一個(gè)點(diǎn)單元，并將此點(diǎn)與筒壁零米的點(diǎn)通過(guò)BODY單元束縛起來(lái)，以代替上部筒體的剛度，并將上部的計(jì)算結(jié)果加載到零米中心點(diǎn)。SAP2000模型見(jiàn)圖5。

本文分別建立了最短墩墩長(zhǎng)為2.52m時(shí)和設(shè)計(jì)加以控制后最短墩為3m時(shí)的有限元模型，分了兩種情況，一種是約束了樁頂垂直于剪力方向的變形，即不考慮空間作用；一種是未約束樁頂變形，即真實(shí)地考慮空間作用的情況。并將這兩種情況下模型的計(jì)算結(jié)果與考慮彎剪變形時(shí)的手算計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖6和圖7。

圖5　煙囪樁基礎(chǔ)有限元模型

圖6　三種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比（最短墩長(zhǎng)為2.52m時(shí)）

圖7　三種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比（控制最短墩長(zhǎng)為3m時(shí)）

經(jīng)過(guò)三者對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)如下幾點(diǎn)：

⑴三種計(jì)算方法計(jì)算出的最長(zhǎng)樁和最短墩的水平力是比較相近的，表明手算結(jié)果有足夠的精確度，可以用于工程施工；

⑵彎剪手算的假定中是不考慮空間作用影響的，其與有限元計(jì)算不考慮空間作用的計(jì)算結(jié)果吻合的程度較高，表明結(jié)構(gòu)軸向變形和底板變形等因素對(duì)樁（墩）水平力的分配影響較小；

⑶模型考慮了空間變形后，中間樁長(zhǎng)的樁由于處于煙囪底板的不同位置，其離散性相對(duì)較大，表明空間變形對(duì)樁（墩）水平力的分配影響較大，所以在有條件的情況下，建議建立有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，其能考慮到軸向變形和空間變形的影響，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

5　結(jié)論

⑴在工程設(shè)計(jì)中，持力巖層較淺但高低起伏較大，綜合對(duì)比后仍考慮采用樁基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注基樁是否為墩基礎(chǔ)，并應(yīng)特別關(guān)注各基樁及墩基礎(chǔ)間的水平承載力的分配，以免出現(xiàn)墩基礎(chǔ)吃力過(guò)多引起破壞，導(dǎo)致安全隱患。

⑵當(dāng)個(gè)別墩基礎(chǔ)吃力較大超過(guò)限值時(shí)，可以考慮控制現(xiàn)場(chǎng)施工樁長(zhǎng)，以降低其分配到的水平力，保證結(jié)構(gòu)安全。

⑶對(duì)于墩基礎(chǔ)而言，其剪切剛度占整個(gè)抗側(cè)剛度比重較大，設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)予以考慮。

⑷在有限元建模計(jì)算如此方便的今天，建議對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行整體有限元建模，考慮其空間變形的影響，以得到更為準(zhǔn)確可靠的計(jì)算結(jié)果。

⑸本文分析及建模均未考慮樁周土體的影響，后續(xù)研究可加以改進(jìn)。●

[1]GB 50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3]吳敏.墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法的探討與應(yīng)用[J].工程與建設(shè)，2011,25(3)：385-387.

[4]劉昌忠.巖石地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究[J].重慶建筑，2005,12：37-41.

[5]全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施（結(jié)構(gòu)）[Z].中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[6]北京市建筑設(shè)計(jì)技術(shù)細(xì)則（結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)）[Z].經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社，2005.

[7]劉天波.人工挖孔大直徑灌注樁、墩設(shè)計(jì)探討[J].國(guó)外建材科技，2005,26(6)：96-98.