淺談PHC管樁在水庫取水泵站擋土墻中的應用

孫國春

(喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300)

1 工程概況

某水庫工程位于沿海地區，水庫建設用地為4.096km2，總設計面積3.74km2。此水庫工程建筑等級為Ⅱ等，設計近期的供水規模為21.5km3/d,遠期供水規模為40km3/d。輸水泵站的面積為32m3/s，取水泵閘的閘門寬度設計為14m。在進行擋土墻建設時，根據本工程的地質特點采用薄壁式擋墻進行施工，薄壁式擋墻根據支撐方式的不同分為扶壁式擋土墻和懸臂式擋土墻兩種。本工程的兩種擋土墻尺寸如下:扶壁式擋土墻CR1高度×底板寬=10.6m×10m，懸臂式擋土墻CR2高度×底板寬=6.8m×6m。

2 工程地質條件參數

采用專業的地質探測儀器對此工程的地質情況進行勘測，經過分析后此水壩工程的擋土墻設計所需要的地質層力學參數建議數值如表1所示。

表1 地質層力學參數建議數值

3 基礎處理設計

3.1 PHC管樁基礎布置

CR1和CR2擋土墻的基底建立在②3-1粉砂土層，其承載力特征值為118kPa。根據計算可得擋土墻基底地基承載力特征值在118kPa到160kPa之間，大于地基承載力特征值，達不到設計要求，所以要運用技術方法來調整地基承載力。擋土墻在進行回填工程時，擋土墻的墻背要承受來自回填沙礫的水平作用力，通過前期的物理分析計算可以確定擋土墻的抗滑穩定安全系數為1.32，小于安全系數的規定值2.0-3.25，所以靠采取抗滑措施來進行調整。

從上文的工程概述可知，此水利工程位于沿海地區，在進行取水泵站擋土墻建設時，擋土墻的基底建立在地基的軟弱土層上，施工時難度較大，且施工費用較高[1]。所以在具體施工時，提出了多種擋土墻建設的設計方案，并對這些方案進行比較，結果如下:

根據上游取水泵閘的設計要求，施工時需要的鋼筋混凝土板樁利用上部荷載壓入地下操作，但是由于此工程所處的沿海地區地質條件特殊，上述的操作非常困難；水泥土攪拌樁采用深層攪拌法，在施工建設時對設備要求不高，能夠節省工程造價，但是施工質量難以控制，在施工時可能達不到設計要求；高壓噴射注漿法適合一些較薄弱的地基，對這些地基能夠起到加固的作用，但是如果地質環境中土壤濕度較大，容易腐蝕管樁影響其質量；鉆孔灌注樁采用全套管施工法，在施工時對工程質量要求高，操作流程復雜且不好控制，施工時間較長；PHC管樁樁身質量較高，施工時吊裝操作簡單，樁身有很高的強度能夠適應各種環境，承載設計值比很多的樁柱要高，工程造價相對比較低[2]。

經過上述分析比較可以看出，PHC管樁整體性能較好，在沿海地區的地質環境也比較適合，工程造價偏低，所以經過綜合考慮之后本工程在擋土墻施工時決定采用PHC管樁，為了達到設計要求混凝土強度采用最高等級C80，PHC管樁的外徑和管壁尺寸分別為80cm和11cm。擋土墻在進行回填工程時，擋土墻PHC管樁要承受來自回填沙礫的水平和垂直荷載。

在進行具體施工時，對CR1和CR2擋土墻進行如下布置：CR1扶壁式擋土墻，在擋土墻基底位置布置長為38m，每排共4根間隔保持在2.8m的PHC管樁；PHC管樁樁尖在絕對高程為-50.0m⑤2-2砂質夾粉質黏土的地質層中。CR2懸臂式擋土墻，在擋土墻基底位置布置長為35m，每排共2根間隔保持在3.0m的PHC管樁；PHC管樁樁尖在絕對高程為-36.8m⑤2-2砂質夾粉質黏土的地質層中[3]。

3.2 樁基單樁允許承載力計算分析

3.2.1 單樁垂直承載力特征值值計算

單個PHC管樁垂直承載力計算根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)規范作為指導進行單樁垂直承載力計算：

(1)

式中，Up代表PHC管樁樁身橫截面的周長，m；Ap代表PHC管樁樁端橫截面的面積，m2；li代表地質土層i的土厚度，m；γp代表PHC管樁樁端阻力的分項系數；Rpk代表PHC管樁樁端極限阻力標準值，kN；Rsk代表PHC管樁樁側總極限摩阻力標準值，kN；γs代表PHC管樁總側摩阻力的分項系數；fsi代表PHC管樁樁側地質土層i的極限摩阻力標準值，kPa；fp代表PHC管樁樁端土層極限端阻力標準值，kPa。

從上述公式計算分析得到，長分別為38m、35m，外徑為80cm管壁厚度為11cm的PHC管樁，垂直單樁承載力特征值分別為2375kN、2100kN。

3.2.2 單樁水平承載力特征值計算

擋土墻在進行回填工程時，擋土墻PHC管樁要承受來自回填沙礫的水平作用力，所以要確定單樁水平承載力特征值的大小，計算以《JGJ94-2008建筑樁基技術規范》為依據，由于此水利工程沒有單樁水平靜載試驗的數據資料，所以按照下列公式計算單樁水平承載力特征值：

(2)

式中：X0a代表PHC管樁樁頂可以允許的水平位移；vx代表PHC管樁樁頂水平位移系數；EI代表PHC管樁樁身抗彎剛度,鋼筋混凝土樁EI取值為0.85EcI0；

通過上述公式計算可以得出，外徑為80cm管壁厚度為11cm的PHC管樁正常運行時、地震時的水平單樁承載力特征值分別為276kN、347kN,允許彎矩為567kN·m。從上文規范確定PHC管樁樁頂的水平位移最大不能超過1cm[4]。

3.2.3 PHC管樁計算結果與分析

CR1和CR2擋土墻建成后完建期和地震時水位情況如下：CR1和CR2擋土墻完建期墻前均沒有水，墻后水深為2.44m；CR1擋土墻在正常運行時、地震時墻前水位分別為1m，3.2m，墻后水位分別為2m、4.2m。CR2擋土墻在正常運行時、地震時墻前水位分別為-0.14m、2.46m，墻后水位分別為1.15m、3.46m[5]。

CR1和CR2擋土墻的樁基計算數據如表2和表3所示。通過對表2、表3得出的數據進行分析后得出結論：運用PHC管樁建設的擋土墻在正常運行時和遇到地震時的數據參數均滿足設計要求。

表2 CR1擋土墻樁基計算數據

表3 CR2擋土墻樁基計算數據

由于此工程位于沿海地帶，工程所處地質環境的地下水位比較高，在施工開挖時補水也非常迅速，所以在進行擋土墻回填時采取墻前先不放水操作，墻后降低2.5m的填土高度再進行放水后將墻后土填到頂的操作。墻后降低2.5m填土高度后完建期的計算數據如表4所示，通過對數據分析可以確定下表數據均滿足設計要求。

表4 完建期墻后降低填土高度2.5m時樁基計算數據

4 結 語

文章以某沿海地區水利工程為實例，對多種擋土墻建設的設計方案進行分析比較，然后經過綜合考慮后確定此工程在擋土墻施工時采用PHC管樁進行建設，并通過單樁垂直承載力特征值和水平承載力特征值的數據計算和一系列的數據分析之后得出結論，PHC管樁在水庫取水泵站擋土墻工程中應用良好，在符合設計標準的情況下也節約了成本。