群樁基礎(chǔ)在老白沙灘泵站扶臂式擋土墻中的應(yīng)用

許經(jīng)宇，韓冬梅

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

在建筑物樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，往往是由多根樁形成的群樁。群樁效應(yīng)是指由摩擦樁組成的群樁，在豎向荷載作用下，其承臺(tái)底面土、樁間土、樁端以下土都參與工作，形成承臺(tái)、樁、土相互影響共同作用。這種結(jié)構(gòu)可以同時(shí)解決三維空間多向應(yīng)力失穩(wěn)問(wèn)題。在水利工程設(shè)計(jì)中，往往遇到地質(zhì)條件不能滿足設(shè)計(jì)要求，尤其是對(duì)豎向和水平位移量要求嚴(yán)格的建筑物，群樁基礎(chǔ)可以從經(jīng)濟(jì)、施工難易程度等方面達(dá)到良好的效果，使得其應(yīng)用廣泛。本文通過(guò)對(duì)老白沙灘泵站前池扶臂式擋土墻基礎(chǔ)處理的研究，在水平穩(wěn)定和承臺(tái)變位計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定采用混凝土灌注樁與底板整澆為承臺(tái)結(jié)構(gòu)的群樁基礎(chǔ)，提出了布置方案，目前通過(guò)施工期和運(yùn)行期近兩年的觀測(cè)，各項(xiàng)位移量均控制在合理范圍內(nèi)。

1 工程概況及存在問(wèn)題

老白沙灘泵站是吉林西部供水工程中的一個(gè)生態(tài)供水泵站。泵站設(shè)計(jì)流量11.0m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程12.00m，總裝機(jī)1890kW。建筑物由前池、進(jìn)水池、主泵房、副廠房、出水池、尾渠、安裝間和變電站等幾部分組成。其中前池扶臂式擋土墻墻高14.5m，踵板長(zhǎng)2.5m，趾板長(zhǎng)8.0m，單榀最長(zhǎng)20m。擋土墻基礎(chǔ)坐落在黃土狀壤土層上，地基承載力170kPa，內(nèi)摩擦角22°，凝聚力6kPa，摩擦系數(shù)0.3。

在擋土墻穩(wěn)定計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)平均應(yīng)力為224.2kPa，大于地基承載力，地基承載力不滿足要求，基礎(chǔ)抗滑安全系數(shù)為0.786，小于允許安全系數(shù)1.25。該處擋土墻在承載力和抗滑穩(wěn)定兩個(gè)方面均不滿足穩(wěn)定要求。

2 群樁基礎(chǔ)處理的方案設(shè)計(jì)

2.1 方案選擇

改變擋土墻體形和填土指標(biāo)等措施只能有限的提高穩(wěn)定系數(shù)，因此考慮對(duì)擋土墻基礎(chǔ)進(jìn)行處理，以達(dá)到穩(wěn)定要求。砂礫石換基方案需增加擋土墻踵板長(zhǎng)度并對(duì)壤土基礎(chǔ)進(jìn)行換填，由于擋土墻建基高程低于地面14m，若再進(jìn)行開(kāi)挖換基，基坑深度特別大，開(kāi)挖土方量巨大，同時(shí)存在邊坡失穩(wěn)等安全隱患，工程經(jīng)濟(jì)性和施工安全性等方面均差于混凝土灌注樁方案。

灌注樁方案：采用實(shí)心混凝土圓形截面樁，直徑0.8m，單根樁樁長(zhǎng)15m，樁距(圓心距離)3.0m，采用分排錯(cuò)落布置。灌注樁的布置型式如圖1、2所示。施工時(shí)將樁頂鋼筋伸入底板，形成承臺(tái)，從而形成由承臺(tái)、樁群、土體相互作用的群樁效應(yīng)。

圖1 擋土墻樁基礎(chǔ)剖面圖

圖2 擋土墻樁基礎(chǔ)平面圖

2.2 群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法

2.2.1 樁基礎(chǔ)豎向承載力的計(jì)算

樁基礎(chǔ)豎向承載力計(jì)算：

Nk≤R，且Nkmax≤1.2R

單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中，Nk—荷載軸心豎向力作用下，基樁的平均豎向力；Nkmax—荷載偏心豎向力作用下樁頂最大豎向力；R—基樁豎向承載力特征值；qsik—樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpk—極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；u—樁身周長(zhǎng)；li—樁周第i層土的厚度；Ap—樁端面積。

2.2.2 群樁效應(yīng)的抗滑計(jì)算

水工建筑物抗滑穩(wěn)定計(jì)算多為安全系數(shù)法，即計(jì)算滑移力與阻滑力的比值與規(guī)定的安全系數(shù)比較從而判定其穩(wěn)定性。在群樁基礎(chǔ)計(jì)算中，引入位移控制理論，根據(jù)計(jì)算對(duì)象的位移敏感程度對(duì)樁基礎(chǔ)和底板形成的承臺(tái)位移量加以控制，從而計(jì)算群樁水平承載力特征值，并根據(jù)位移量、轉(zhuǎn)角量等繪制彎矩圖和剪力圖。群樁主要有4種效應(yīng)：

(1)相互影響效應(yīng)ηi：該效應(yīng)主要是考慮樁數(shù)增減導(dǎo)致樁距的改變，其垂直作用力方向的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平行作用力的方向。

(2)樁頂約束效應(yīng)ηr：群樁中的單根樁與底板承臺(tái)的約束，可以看作是弱于固接又強(qiáng)于鉸接的連接方式，該方式不僅可以有效的減小連接處的彎矩，還可以限制承臺(tái)的水平位移。

(3)承臺(tái)土體抗力效應(yīng)ηl：承臺(tái)側(cè)面受位移反向的土體抗力。

(4)承臺(tái)摩阻效應(yīng)ηb：承臺(tái)底面與土體的摩阻力，值得注意的是考慮地震作用時(shí)，不計(jì)該效應(yīng)。

群樁基礎(chǔ)水平承載力特征值計(jì)算：

Rh=ηhRha

(2)

ηh=ηiηr+ηl+ηb

(3)

(4)

式中，Rh—樁基水平承載力特征值；ηh—群樁效應(yīng)綜合系數(shù)；ηi—樁的相互影響效應(yīng)系數(shù)；ηr—樁頂約束效應(yīng)系數(shù)；ηl—承臺(tái)側(cè)向土抗力效應(yīng)系數(shù)；ηb—承臺(tái)底摩阻效應(yīng)系數(shù)；χ0a—樁頂(承臺(tái))水平位移允許值，采用10mm位移控制和敏感結(jié)構(gòu)物6mm位移控制；νx—樁頂水平位移系數(shù)；α—樁的水平變形系數(shù)。

2.3 計(jì)算成果及分析

2.3.1 豎向承載力的計(jì)算成果及分析

經(jīng)計(jì)算，Nk=1068kN≤R=1256kN，且Nkmax=1424kN≤1.2R=1507kN，滿足設(shè)計(jì)要求。群樁基礎(chǔ)解決了豎向承載力不足的問(wèn)題。

2.3.2 抗滑穩(wěn)定的計(jì)算成果及分析

抗滑穩(wěn)定的計(jì)算成果見(jiàn)表1、2。

表1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

表2 承臺(tái)變位和樁體應(yīng)力計(jì)算成果表

擋土墻水平位移量采用6mm控制，群樁效應(yīng)應(yīng)力為584.3kN，抗滑穩(wěn)定系數(shù)可以達(dá)到1.33，已經(jīng)滿足規(guī)范要求。理論計(jì)算水平位移值5.9mm，接近控制指標(biāo)，如圖3所示。

圖3 1#樁應(yīng)力計(jì)算圖

2.4 水平位移觀測(cè)成果

擋土墻墻后填土至設(shè)計(jì)高程后，對(duì)其進(jìn)行了7個(gè)月的位移量觀測(cè)，如圖4所示。4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)測(cè)得的水平位移量均不超過(guò)3mm，豎向沉降量累計(jì)數(shù)值為6mm、7mm、7mm、4mm。從目前的觀測(cè)結(jié)果可以看出，群樁基礎(chǔ)在三維位移量的控制方面起到了很好的作用，基本達(dá)到了工程設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

3 結(jié)語(yǔ)

老白沙灘泵站扶臂式擋土墻群樁基礎(chǔ)的使用，同時(shí)解決了擋土墻的承載力不足及基礎(chǔ)不穩(wěn)定的問(wèn)題，通過(guò)施工期和運(yùn)行期近兩年的觀測(cè)，運(yùn)行情況良好，這為其他類(lèi)似工程提供了可靠的參考。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，作者認(rèn)為群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要注意以下兩點(diǎn)：

(1)通過(guò)對(duì)擋土墻的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)其水平位移量較計(jì)算值偏低(部分位移量為幾乎0)，這是由于安全系數(shù)和基底摩擦系數(shù)以及土體指標(biāo)的選取存在一定的安全儲(chǔ)備，導(dǎo)致計(jì)算數(shù)值相對(duì)保守。

(2)群樁基礎(chǔ)的適用條件，水平力產(chǎn)生彎矩很大的情況和樁基只有一排且作用力與各樁連線方向垂直的情況不適用。