預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基在水利工程中的應(yīng)用

倪言波

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有單樁承載力高、樁身耐錘擊性好、穿透力強、施工速度快、造價低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工民建、鐵路、橋梁、碼頭等工程中。由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁水平承載力相對較低，目前主要應(yīng)用于水平承載力要求較低的水利工程中，難以在具有較大水平力的水利工程地基處理中得到應(yīng)用。

一、預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的提出

1.預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基布置

預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基由素混凝土墊層、水泥土褥墊層及預(yù)應(yīng)力管樁組成。其中素混凝土墊層厚10cm，強度等級同建筑物底板強度等級；水泥土褥墊層厚度一般可取20～60cm，水泥摻入比8%～12%，具體厚度及水泥摻入比可根據(jù)工程實際情況確定；預(yù)應(yīng)力管樁頂部不再嵌入底板，而是嵌入水泥土褥墊層10～30cm，且管內(nèi)頂部1.5～1.8m范圍配置受力鋼筋及環(huán)筋，澆灌C25混凝土，增強管樁水平承載力和頂部抗彎性能，具體布置見圖1。

2.預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基設(shè)計

首先，初步擬定復(fù)合地基預(yù)應(yīng)力管樁樁徑、樁間距，根據(jù)擬定的樁徑、樁間距計算管樁承載力特征值，計算公式如下：

圖1 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基布置圖

表1 底板以下土層平均厚度表（單位：m）

式中：

fspk——復(fù)合地基承載力特征值；

m——面積置換率；

Ra——樁承載力特征值，kN；

Ap——樁端截面積，m2；

Β——樁間土承載力折減系數(shù)；

fsk——天然地基承載力特征值，kPa。其次，根據(jù)計算的樁承載力特征值確定樁長，再調(diào)整預(yù)應(yīng)力管樁樁徑、樁間距，重復(fù)上述過程，得到多個成果進行比選，得到最佳的預(yù)應(yīng)力管樁樁徑、樁間距及樁長。樁長計算公式如下：

式中：Ra——樁承載力特征值；

μp——樁周長，m；

qsik——樁周第i層土側(cè)阻力標準值；

qpk——樁端土層端阻力標準值；

α——樁端天然地基土承載力折減系數(shù)；

Ap——樁端截面積，m2；

Li——樁在第i層土的樁長；

K——安全系數(shù)。

再通過地基沉降計算復(fù)核所確定的預(yù)應(yīng)力管樁樁徑、樁間距及樁長是否滿足地基沉降要求，計算公式如下：

式中：ψ——沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；

ψE——樁基等效沉降系數(shù)；

zi——基礎(chǔ)底面至第i層的距離；

p0——基礎(chǔ)底面的附加壓力，kPa；

Esi——各層土的壓縮模量。

最后，根據(jù)建筑物各工況的水平合力及管樁布置情況計算單個預(yù)應(yīng)力管樁水平力，根據(jù)單樁水平力，采用“m”法計算管樁的最大彎矩值，與預(yù)應(yīng)力管樁抗彎強度比較。由于管樁頂部配置了受力鋼筋和環(huán)筋，澆灌了C25混凝土，增強了管樁的水平承載力和抗彎性能，因此，計算的彎矩值小于管樁允許抗彎值即可，不需再考慮安全系數(shù)。

表2 樁基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)表

二、工程實例

淮安市里運河防洪控制工程楚州控制工程采用閘站橋三結(jié)合方案：節(jié)制閘閘室為開敞式平底板結(jié)構(gòu)，1孔，凈寬30m，采用底軸驅(qū)動下翻閘門，底板順水流方向長34m；泵站底板順水流向總長34m，垂直水流向總長26m，對稱布置于水閘兩側(cè)；交通橋布置在水閘和泵站上，橋面高程16.4m，寬34m。

站身持力層高程為0.10~1.00m，閘身持力層高程為－0.80~1.20m，位于第5層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土或淤泥質(zhì)粘土上，該層土固結(jié)快剪指標為Φ=13°，C＝9kPa，流塑狀，低強度，壓縮性高，工程性質(zhì)差，地基允許承載力為70kPa，其下臥層為第6層粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)砂壤土，第7層為粉質(zhì)粘土，低壓縮性，為良好的下臥層。底板以下土層平均厚度見表1。

根據(jù)穩(wěn)定計算成果，泵站、水閘平均地基反力大于持力層地基允許承載力，不滿足地基強度要求，由于工期緊、施工場地受地形限制，擬采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基處理。經(jīng)計算比較，樁基礎(chǔ)采用直徑0.4mm，樁間距1.8m，樁長10m的預(yù)應(yīng)力PHC管樁。水閘地基最大沉降量為5.20cm，泵站地基最大沉降量為7.22cm，滿足三維有限元計算提出的地基沉降不大于8.0cm的要求。泵站、水閘最大單樁水平力分別為36.4kN、48kN，最大彎矩為 47.47kN·m、62.59kN·m，小于管樁的允許抗彎值。褥墊層厚度為20cm，水泥摻入比為10%，局部根據(jù)實際情況有所增加。預(yù)應(yīng)力管樁設(shè)計參數(shù)見表2，預(yù)應(yīng)力管樁半平面布置圖見圖2。

三、結(jié)論

預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基通過在管樁頂部1.5~1.8m范圍配置受力鋼筋及環(huán)筋，澆灌C25混凝土，增強管樁的水平承載力和抗彎性能，設(shè)置褥墊層，樁頭嵌入褥墊層10~30cm，分擔作用在管樁上的水平力，較好地解決了管樁水平承載力較低的問題，使預(yù)應(yīng)力管樁在水利工程中的應(yīng)用成為可能，且預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基在施工場地受限制、工期緊的水利工程中應(yīng)用前景廣闊■