較大水平荷載樁基在儲煤棚設計中的應用

王董平，趙成光

(山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

陽煤集團一礦選煤廠北封閉儲煤棚依山而建，東西方向最大高差約25m，采用鋼筋混凝土排架結構，屋頂為三心圓柱面網殼結構，軸線尺寸142m×132m，跨度方向142m，建筑高度為64.569m，建筑面積18973m2，最大儲煤量20萬t。現場回填土較厚，平均厚度為7～9m，排架柱間距6～12m，基礎采用嵌巖灌注樁，四樁承臺，樁徑1.2m，為減少工程造價，擋煤墻不設基礎，按深梁設計，兩側支承于排架柱及承臺，墻高5～8m，沿墻高方向均考慮堆煤荷載，再加上網殼水平推力，樁基承臺承受的最大水平荷載達到3200kN。

2 承受水平荷載基樁的計算方法

目前，關于受較大水平荷載作用的灌注樁基計算及設計尚不成熟，單樁水平承載力特征值主要停留在單樁水平靜載試驗確定和經驗估算兩種方法，在《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)中都有詳細規定。

2.1 單樁水平承載力試驗法

當灌注樁的樁身配筋率大于等于0.65%時，單樁水平承載力由位移控制，可根據靜載試驗結果取地面處水平位移為10mm(對于水平位移敏感的建筑物取水平位移6mm)所對應的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。

當灌注樁的樁身配筋率小于0.65%時，單樁水平承載力由樁身強度控制，可取單樁水平靜載試驗的臨界荷載的75%作為單樁水平承載力特征值。

2.2 經驗估算法

當灌注樁的樁身配筋率小于0.65%時，單樁水平承載力特征值由樁身強度控制，可以根據式(1)估算：

當灌注樁的樁身配筋率不小于0.65%時，單樁水平承載力特征值由水平位移控制，可以根據式(2)估算：

當采用群樁基礎時，灌注樁的水平承載力特征值應考慮承臺、樁群、土相互作用產生的群樁效應，將上面兩個公式算出的單樁水平承載力特征值乘以群樁效應綜合系數，見式(3)：

Rh=ηhRha

(3)

樁的水平變形系數α(1/m)計算公式如下：

式中，m為樁側土水平抗力系數的比例系數，MN/m4；rm為樁截面模量塑性系數；ft為樁身混凝土抗拉強度設計值，N/mm2；Wo為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量；vM為樁身最大彎矩系數；νX為樁頂水平位移系數；ρg為樁身配筋率；An為樁身換算截面積；ζN為樁頂豎向力影響系數，豎向壓力取0.5，豎向拉力取1.0；Nk為在荷載效應標準組合下樁頂的豎向力，kN；EI為樁身抗彎剛度；χoa為樁頂允許水平位移，mm；bo為樁身計算寬度，mm。

根據規范附錄C，樁側土水平抗力系數的比例系數m的主要影響深度為hm=2(d+1)，當基樁側面為幾種土層組成時，應求得hm范圍內m值的計算值。

由以上敘述可知，單樁水平靜載試驗是確定灌注樁基水平承載力特征值最直接有效的辦法，但試驗周期長，投資大，無法大量實驗確定合理的樁基參數，公式估算仍是現階段樁基設計的主要依據。由于計算公式復雜，影響因素眾多，對于承受較大水平荷載的樁基而言，公式中的確定各參數的取值及其對水平承載力的影響程度，是樁基設計的重點和難點。

3 單樁水平承載力特征值影響參數分析

影響樁基單樁水平承載力特征值的參數主要有樁側土水平抗力系數的比例系數m、樁徑d、樁身配筋率ρg、樁身最大彎矩系數νM、樁頂豎向力Nk以及樁間距d等。

根據規范規定，當水平荷載為長期或經常出現的荷載時，應將m值乘以0.4降低采用。當驗算永久荷載控制的樁基水平承載力時，應將式(1)計算所得的單樁水平承載力特征值乘以調整系數0.80；式(2)不調整。堆煤荷載為可變荷載，但考慮存在煤炭銷售不佳，從而導致儲煤棚內煤炭長時間滯留的可能性，所以計算時均執行上述調整系數。

式(1)中存在樁頂豎向力Nk，當Nk為拉力時，對單樁承載力特征值起不利作用；反之，Nk為壓力時，則起有利作用。儲煤棚樁基設計中，Nk均為壓力，不會產生拉力作用，分析時，暫取Nk=1kN進行計算。

樁身最大彎距系數νM，當單樁基礎和單排樁基縱向軸線與水平力方向相垂直時，按樁頂鉸接考慮；當水平力方向非單排樁時，按樁頂固接考慮。

結合本工程地質條件(詳見表1)，分別對不同參數影響下的單樁水平承載力特征值進行分析比較。

表1 陽煤一礦北儲煤棚地質條件表

現分別取不同樁徑(600mm、800mm、1000mm、1200mm、1500mm)，比較樁身配筋率小于0.65%或大于等于0.65%時的單樁水平承載力特征值，m值按乘以0.4的調整系數取值，νM按αh=4鉸接取值，由于儲煤棚上部網殼結構對支座水平位移敏感，樁水平位移允許值取6mm，結果如圖1所示。

圖1 m與Rh關系圖

由圖1可知，當樁身配筋率ρg≥0.65%時，3條曲線幾乎重合，說明此時提高配筋率對單樁承載力特征值Rh的貢獻有限。對于大直徑灌注樁而言，當樁身ρg<0.65%時，基樁的單樁承載力特值乘以0.8的調整系數后與ρg≥0.65%時大小相當，而此時的Rh由樁身強度控制，水平承載力無法得到充分發揮，所以水平荷載較大時，應優先保證樁身eg≥0.65%。

灌注樁樁身配筋率ρg≥0.65%，νM不同取值的Rh曲線如圖2所示。由圖2可以看出，樁頂固接可以使Rh計算值提高約260%，可見群樁基礎對提高單樁水平承載力特征值效果明顯。這與朱炳寅、婁宇在《建筑地基基礎設計方法及實例分析》中的設計建議相符，他們指出，對于承受水平荷載較大的灌注樁，應盡量采用3樁以上的承臺的樁基礎，這樣可以通過樁的拉壓力形成的力偶消化承臺頂面的水平力和彎矩，有效提高基樁的水平承載力特征值[7]。

圖2 樁頂連接方式與Rh關系圖

灌注樁樁身配筋率ρg≥0.65%，νM按固接考慮，m分別正常取值、增大20%取值、增大50%取值時的Rh曲線如圖3所示。

圖3 m與Rh關系圖

由圖3可知，m值提高20%，可以使Rh計算結果提高11%；m值提高50%，可以使Rh計算結果提高27%，所以，樁側土水平抗力系數的比例系數m是基樁水平承載力特征值的重要影響參數。m為土層的自然屬性參數，即使同一類型土層在不同位置時，m的數值也是不同的，而m的具體取值是通過單樁水平靜載試驗再計算得到，工程地質報告中一般不會給出，在施工圖設計過程中只有參照樁基規范給出的取值范圍進行經驗取值。

當采用群樁基礎時，樁間距d是影響群樁效應影響系數ηh的重要因素，當采用四樁承臺，垂直于水平力方向的樁間距為3d(規范要求最小樁間距)，沿水平力方向的樁間距s不同取值時的ηh值見表2。

表2 s、m與群樁效應影響系數關系表

表2中，m值為承臺側向水平抗力系數的比例系數，m取值從15上升到25時，ηh計算結果可以提高7%～10%，樁側土的回填質量應嚴格控制，參照規范提供的m取值表，如回填料采用素混凝土或者灰土、級配砂石，并控制好壓實系數，則m值達到20以上是比較容易的。樁間距s不小于4d時，ηh基本上可以保證在2.0以上，s從4d變到6d時，ηh可以提高約20%，但樁距越大，承臺受力變大，經濟性較差。

4 樁基彎矩及變位分析

儲煤棚上部網殼結構對支座水平位移敏感，位移過大，會直接導致屋蓋安全隱患。支座水平位移主要由排架柱彎曲變形和樁基水平變位組成，現實工程中，支座位移一般按10mm控制，承臺變位按6mm控制。

經過受力分析，樁基彎矩主要集中在樁頂5d范圍內，最大值一般發生在距樁頂4～5d位置，所以，樁頂5d范圍內的土層狀況以及承臺四周填土質量對樁基水平變位影響至關重要。

5 工程實例分析

陽煤一礦選煤廠北封閉儲煤棚工程柱下樁基采用四樁承臺，樁直徑1.2m，樁長20m，沿水平力方向樁間距為4.8m，垂直于水平力方向樁間距3.6m，符合規范要求的最小樁間距要求。樁基混凝土強度等級C30，鋼筋采用HRB400級，縱向鋼筋保護層厚度為50mm，樁基承臺承受的最大水平荷載達到3200kN，最大單樁水平承載力特征值400kN。

該工程樁基設計等級為乙類，施工前期進行了單樁水平靜載原位試驗，試驗樁數4根，編號分別為SZ1、SZ2、SZ3、SZ4，試驗方法采用單向多循環加載法。

加載分級進行，荷載分級取設計水平承載力特征值的2倍的1/10，逐級等量加載，見表3。

表3 荷載分級取值表 kN

每級荷載施加后，恒載4min后，可測讀水平位移，然后卸載至零，停2min測讀殘余水平位移，至此完成一個加卸載循環。如此循環5次，完成一級荷載的位移觀測。試驗不得中間停頓。試驗結果見表4。

表4 基樁水平承載試驗成果表

單樁水平靜載試驗曲線如圖4所示，可以看出，按樁頂位移S=6mm進行控制，單樁水平承載力可達400kN左右，比公式計算的結果略小，兩者的偏差由樁側土水平抗力系數的比例系數m理論取值和現實取值的誤差造成，但能夠使試驗值和計算值偏差控制在10%～20%之間，符合度較好。

圖4 單樁水平靜載試驗曲線

通過計算，樁基最大彎矩為250～280kN/m，發生位置約為距樁頂5.6m位置，該儲煤棚在設計中，對承臺四周2m范圍內采用了3∶7灰土換填，壓實系數按0.96控制。最終計算結果顯示，承臺水平變位3～5mm，轉角變位0.5mm內，位移控制較為理想。

6 結 論

1)當樁基承受較大水平荷載時，盡量采用3樁及以上承臺的樁基礎，避免采用單樁或雙樁承臺的樁基礎。

2)為提高基樁的水平承載力特征值Rh，應保證樁身配筋率ρg≥0.65%，但配筋率過大，對Rh的貢獻有限，建議樁身配筋率為0.7%左右最為經濟合理。

3)合適的樁間距是提高群樁效應影響系數ηh有效措施，垂直水平力方向樁間距只要滿足規范最小間距即可，沿水平力方向樁間距在4～5d之間時，可以使ηh控制在2.0～2.5之間，受力特性和經濟性較好。

4)樁承臺周圍回填料應采用素混凝土或攪拌流動性水泥土，或采用灰土、級配砂石分層夯填，并控制壓實系數不小于0.96。這樣可以提高ηh值，并能有效控制樁基承臺變位。如果樁周土質較差，可采用注漿等方式對樁頂5d范圍內土質進行加強。

5)樁側土水平抗力系數的比例系數m是基樁水平承載力特征值的重要影響參數，煤礦的儲煤棚設計中，m應按規范提供表格取值，并按永久荷載進行0.4倍折減，算出的基樁水平承載力特征值Rh與單樁靜載試驗出的結果較為相符。