大型水利工程基礎管樁水平承載力特征值研究

李建華

珠海華昕開發建設有限公司 廣東 珠海 519000

在水利工程運行的過程中，不分水閘因為原設計標準偏低或者是長時間運行之后老化嚴重等多種原因，出現了各種各樣的安全隱患。為了能夠確保水閘的安全運行，更好的發揮出水閘的作用，需要對水閘進行重建。而在水閘重建工程中，必須要對水利建構筑物基礎管樁水平承載力值進行核算，并繼續適當調整，以使得其能夠滿足相關要求。接下來就結合具體的工程案例，對水利相關構筑物基礎管樁水平承載力進行研究，希望為類似工程提供有益借鑒。

1 項目概況

石角咀水閘位于珠海市境內前山河水道出海口處，是一宗擋潮、御咸、排洪、航運的綜合利用大型水閘樞紐，始建于1958年。拆除新建內容包括水利和市政兩部分，其中水利包括重建水閘，總凈寬 180m，設計流量為 1738m3/s，大（2）型水閘；新建泵站，設計流量為50m3/s，大（2）型泵站；重建船閘，主體結構滿足珠江干線1000噸級船舶通航要求，閘室凈寬16m；市政工程包括新建市政道路和跨前山河橋梁等。

2 施工圖設計方案

水閘采用樁徑為φ600管樁，采用正方形布置。3#孔為一孔一聯，布樁形式為6排×5排（順水×垂直排數），共24根；其余閘孔為兩孔一聯，布樁形式為7排×9排，共63根。

泵站采用樁徑為φ600管樁，采用正方形布置。進水池布樁形式為6排×9排，共54根；攔污柵閘布樁形式為3排×9排，共27根；泵房布樁形式為11排×9排，共99根；出水池布樁形式為9排×9排，共81根。擋潮閘與水閘樁基布置保持一致，采用樁徑為φ600管樁，采用正方形布置。

船閘采用樁徑為φ600管樁，采用正方形布置。上閘首樁間距為3.3m×3.1m，布樁形式為12排×10排，共120根；下閘首樁間距為3.3m×3.1m，布樁形式為12排×10排，共120根； 3#閘室作為代表段，其布樁間距為3.0m×3.3m，布樁形式為8排×7排，56根。

翼墻樁基礎采用端承摩擦樁，選擇壓縮性較小的Ⅴ全風化花崗巖層作為持力層。翼墻采用樁徑為φ500管樁，采用正方形布置，臨水側布設一斜樁，傾斜角度為15°。代表斷面為右岸上游翼墻A和江心洲下游翼墻A，右岸上游翼墻A標準段長12m，江心洲下游翼墻A標準段長10m。

3 樁頂作用效應計算

在荷載作用下，作用于群樁中的單樁作用力計算公式如下：

式中：

經計算，江心洲翼墻水平樁頂作用效應計算成果詳見表1。

表1 樁頂作用效應計算成果表

4 水平承載力檢測成果分析

根據《單樁水平靜載試驗報告》（湖北正平水利水電工程質量檢測有限公司2022年12月30日），單樁水平承載力特征值為88kN，水平臨界荷載為88kN，臨界荷載對應的水平位移為9.72mm。經內插法計算，加載位移為6mm時，荷載為68.37kN。

本工程主要建筑物（水閘、泵閘防洪閘、船閘上下閘首、船閘閘室、泵站進水池、泵出水池、泵站進水閘、泵房）單樁樁頂允許水平位移為6mm，次要建筑物（翼墻、導航墻等）單樁樁頂允許水平位移為10mm。以樁的水平靜載試驗反算樁側水平抗力系數m值，根據工程允許位置情況計算以下兩種工況[1]：①臨界荷載，②樁頂位移為6mm：

式中：

m —— 樁側土水平抗力系數的比例系數；

H0——水平靜載；

x0——水平位移；

vx—— 樁頂水平位移系數，按《規范》表5.7.2取值，檢測樁端約束為自由情況，vx=2.441；

bp —— 樁身的計算寬度，對于樁徑d不大于1m，b0＝0.9(1.5d+0.5)。

經計算，樁側水平抗力系數m反算值，臨界荷載情況下（樁頂位移9.72mm）為7.8MN/m4，樁頂位移為6mm時為11.4MN/m4。可塑狀黏性土預制樁對應單樁在地面處水平位置10mm時的m值為6～10，m反算結果在規范范圍值內[2]。

當樁側土層為分層地基時，考慮到僅地表以下一定深度范圍（一般認為3～4倍樁徑）內的土層對水平受荷樁的內力變形計算最具影響[3-4]，故本工程主要考慮2.4m范圍內土層的m值。靜載試驗選取樁基檢測時地面以下2.4m范圍內地質情況依次為可塑黏土厚1.8m、軟可塑淤泥質土厚0.6m，與工程其他建筑物樁基相似。

因此，根據靜載試驗成果分析結合工程地質情況，本工程主要建筑物（樁頂允許水平位移為6mm）樁基計算中地基土水平抗力系數的比例系數m選用10進行復核，次要建筑物（樁頂允許水平位移為10mm）樁基計算中地基土水平抗力系數的比例系數m選用7.8進行復核。計算過程詳見表2。

表2 樁側水平抗力系數m反算值計算表

5 基樁水平承載力復算

5.1 單樁水平向承載力特征值復算

選取具有代表性的部位如水閘閘室、船閘下閘首及江心洲翼墻進行單樁水平向承載力特征值復算。

樁身配筋率不小于0.6 5%的混凝土樁單樁水平向承載力特征值按下列公式估算（管樁樁身配筋率大于0.65%)[3]：

式中：

m——樁側土水平抗力系數的比例系數，翼墻取7.4，水閘、下閘首取10。

b0—— 樁身的計算寬度，對于樁徑d不大于1m，b0＝0.9(1.5d+0.5)。

5.2 群樁效應綜合影響系數計算

群樁基礎（不含水平力垂直于單排樁基縱向軸線和力矩較大的情況）的基樁水平承載力特征值應考慮由承臺、樁群、土相互作用產生的群樁效應[5]，可按下列公式確定：

Rh =ηhRha

ηh =ηiηr +ηl +ηb

式中 ηh —— 群樁效應綜合系數；

ηi —— 樁的相互影響效應系數；

ηr —— 樁頂約束效應系數，ηr =2.05；

ηl —— 承臺側向土抗力效應系數；

ηb —— 承臺底摩阻效應系數，不考慮底板與地基土的摩擦力，取ηb=0；

5.3 計算結果及分析

經計算，管樁基樁水平承載力詳見表3，樁基設計水平承載力可滿足要求，本工程樁基設計方案是可行的。

表3 樁頂作用效應計算成果表

6 管樁水平承載力調整值

對于受水平荷載較大的設計等級為甲級、乙級的建筑樁基，單樁水平承載力特征值應通過單樁水平靜載試驗確定[6]。因此，根據對本次靜載試驗成果的分析，對工程單樁水平向設計承載力特征值進行調整[7-8]，由110kN調整至68kN。調整后各部位承載力調整值見表4。

表4 管樁水平承載力擬調整值

7 結論

水利工程堤岸、閘等構筑物屬于承受周期水平荷載或循環水平荷載為主顯著的建（構）筑物，樁基水平承載力設計是重點。本文通過針對石角咀水閘重建工程水利相關構筑物基礎管樁水平承載力研究，客觀實際調整了設計特征值要求，滿足了現場施工及驗收要求，相關做法值得推廣。