杭州市三堡排澇泵站樁基設(shè)計(jì)

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

杭州市三堡排澇泵站樁基設(shè)計(jì)

朱明笛

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

樁基豎向承載力和水平承載力特征值的確定，對(duì)工程投資和安全具有決定性影響。為合理確定該參數(shù)，杭州市三堡排澇工程進(jìn)行了樁基靜載試驗(yàn)。通過將試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比、分析，合理確定樁基承載力，并對(duì)設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。運(yùn)行實(shí)踐表明，樁基對(duì)建筑物變形控制效果良好。

混凝土灌注樁；靜載試驗(yàn)；豎向承載力；水平承載力

1 問題的提出

杭州市三堡排澇工程屬“擴(kuò)大杭嘉湖南排工程”組成項(xiàng)目，是《太湖流域防洪規(guī)劃》近期推薦的流域骨干工程之一，位于杭州市三堡二線船閘西側(cè)，工程任務(wù)以防洪、治澇為主，結(jié)合改善水環(huán)境等綜合利用。工程設(shè)計(jì)最大泵排流量200 m3/s，設(shè)4臺(tái)斜軸臥式軸流泵，單泵設(shè)計(jì)排澇流量50 m3/s，總裝機(jī)容量4 × 3 300 kW。工程規(guī)模為大（1）型，等別為Ⅰ等，泵站等主要建筑物為1級(jí)建筑物，泵站樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

為滿足景觀設(shè)計(jì)需要，泵站上部建筑采用大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)，對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降變形極為敏感；泵站在內(nèi)江水位和外江潮位不利組合下，上下游最大水頭差可達(dá)7.51 m，樁基將承受巨大的水平推力。因此本工程對(duì)樁基設(shè)計(jì)要求極高。

2 工程地質(zhì)概況

工程區(qū)位于錢塘江北岸，地形平坦開闊，地面高程一般5.5 ～ 6.5 m。工程區(qū)屬錢塘江沖海積區(qū)，由于沉積環(huán)境的不斷變遷，土層分布不均勻，在水平及垂直方向上都有相變現(xiàn)象，土層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

樁周主要土層自上而下分別為：Ⅱ?qū)由百|(zhì)粉土（al -mQ4），密實(shí)度稍密 ～ 中密，中等 ～ 低壓縮性，厚約10.1 m；Ⅲ層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（al - mQ4），流塑 ～ 軟塑，高壓縮性，厚約3.2 m；Ⅶ層粉質(zhì)黏土，中等壓縮性，厚約10.2 m；Ⅹ層含泥砂礫石（alQ3），中密 ～ 密實(shí)，中等壓縮性 ～ 低壓縮性，厚約22.5 ～ 24.6 m，設(shè)計(jì)要求樁端進(jìn)入該層長(zhǎng)度不小于5.0 m。各主要土層承載力特征值、樁基極限側(cè)阻力、端阻力標(biāo)準(zhǔn)值地質(zhì)建議值見表1。

表1 各主要土層承載力特征值、樁基極限側(cè)阻力、端阻力標(biāo)準(zhǔn)值地質(zhì)建議值表

3 泵站基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

3.1 泵站主、副廠房平面布置

泵站主廠房由主機(jī)間和裝配場(chǎng)組成，長(zhǎng)（垂直水流方向，下同）76.83 m，總體寬度（順?biāo)鞣较?，下同）?4.10 m。主機(jī)間位于主廠房的左端，長(zhǎng)53.02 m，內(nèi)裝4臺(tái)3600 ZXQ50 - 3.65型的斜30°軸伸式水泵，和4臺(tái)T 3300 -8/1730型額定功率為3 300 kW的電動(dòng)機(jī)，機(jī)組間距12.50 m。主機(jī)間共有2個(gè)機(jī)組段，2臺(tái)機(jī)1段，每段長(zhǎng)26.51 m，2機(jī)組段間設(shè)結(jié)構(gòu)縫。裝配場(chǎng)位于主廠房的右端，與主機(jī)間以20 mm寬的結(jié)構(gòu)縫分開，地面以上1層，地面以下1層，長(zhǎng)53.90 m，寬24.18 m。

泵站副廠房位于主廠房的左側(cè)，長(zhǎng)21.22 m，寬39.15 m，共6層，其中地面以下1層，地面以上5層。主、副廠房間設(shè)置有20 mm寬的結(jié)構(gòu)縫。

3.2 樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)本工程的地質(zhì)條件，PHC管樁和混凝土灌注樁2種樁型均是合適的。主要考慮到工程地處杭州市區(qū)，PHC管樁施工時(shí)，產(chǎn)生的噪聲較大，會(huì)造成一定聲環(huán)境污染，樁型最終選用混凝土灌注樁。

泵站主、副廠房采用D1 000 mmC30混凝土灌注樁，持力層為X層含泥砂礫石。以主機(jī)段為例，根據(jù)多次布樁試算，選用樁位布置見圖1，樁間距3.00 m。為控制基礎(chǔ)不均勻沉降，控制樁端進(jìn)入含泥砂礫石層長(zhǎng)度不小于5.00 m，樁底高程取在同一高程（- 34.50 m）。因主機(jī)段底板高程不同，樁基長(zhǎng)度在26.00 ～ 29.00 m。

圖1 泵站主機(jī)段樁位布置圖

3.3 樁基計(jì)算

樁頂作用效應(yīng)豎向力、水平力根據(jù)JGJ 94 — 2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1]進(jìn)行計(jì)算?；鶚敦Q向承載力特征值、水平承載力特征值均根據(jù)規(guī)范公式初步計(jì)算，后根據(jù)試樁成果進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)工程施工及運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的各種不利情況，擬定以下5個(gè)代表性工況進(jìn)行計(jì)算：工況1：完建期，內(nèi)外側(cè)均無水；工況2：內(nèi)河側(cè)常水位1.34 m +外江側(cè)設(shè)計(jì)高潮位8.38 m；工況3：內(nèi)河側(cè)設(shè)計(jì)水位3.30 m +外江側(cè)多年平均最低潮位2.34 m；工況4：內(nèi)河側(cè)梅汛期多年平均最低水位0.87 m +外江側(cè)設(shè)計(jì)高潮位8.38 m；工況5：內(nèi)河側(cè)設(shè)計(jì)高水位3.30 m +外江側(cè)設(shè)計(jì)低潮位1.35 m。

表2 樁基豎向荷載、水平荷載計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算時(shí)考慮的荷載有：結(jié)構(gòu)及設(shè)備自重、內(nèi)河側(cè)水壓力、外江側(cè)水壓力、揚(yáng)壓力、上部建筑荷載。表2為主機(jī)段樁基最大豎向荷載、水平荷載計(jì)算結(jié)果。由表2可知，豎向承載力和水平承載力的控制工況均為工況4：?jiǎn)螛敦Q向荷載最大值為2 849.1 kN（內(nèi)河側(cè)），單樁最大水平荷載為159.7 kN?？梢?，對(duì)本工程樁基而言，外江側(cè)水位越高、內(nèi)河側(cè)水位越低，樁基的最大豎向荷載及水平荷載越大。

4 單樁豎向抗壓、水平靜載試驗(yàn)

4.1 試樁概況

本工程樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，根據(jù)規(guī)范[1]，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值和水平承載力特征值應(yīng)通過靜載試驗(yàn)確定。因此，2013年4 — 5月，對(duì)4根D1 000 mm的試樁按JGJ 106 — 2003《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[2]有關(guān)規(guī)定進(jìn)行了靜載試驗(yàn)。試樁概況見表3，其中預(yù)估加載量為根據(jù)JGJ 94 — 2008經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得，用于選用加載設(shè)備、反力系統(tǒng)，確定加載分級(jí)等。

表3 試樁概況表

4.2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)方法

豎向抗壓靜載試驗(yàn)應(yīng)采用慢速維持荷載法，試驗(yàn)方法如下：

（1）試驗(yàn)加載。荷載分級(jí)施加，每級(jí)加載量為預(yù)估最大加載量的1/10，首級(jí)加倍；每級(jí)荷載施加后，按第0，5，15，30，45，60 min測(cè)讀1次試樁各表沉降量，以后每隔30 min測(cè)讀1次；當(dāng)樁頂沉降速率連續(xù)2次小于0.1 mm/h，即認(rèn)為樁的沉降已穩(wěn)定，可施加下一級(jí)荷載；當(dāng)加載值達(dá)到預(yù)估最大加載量且沉降穩(wěn)定后，終止加載。

（2）卸載觀測(cè)。每級(jí)卸載值為加載值的2倍，每級(jí)荷載維持l h，按第0，15，30，60 min 測(cè)讀樁頂沉降量后，即可卸下一級(jí)荷載。卸載至0后，應(yīng)測(cè)讀樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間為3 h，測(cè)讀時(shí)間為第0，15，30 min，以后每隔30 min測(cè)讀1次。

（3）樁身內(nèi)力和變形測(cè)試。通過NEUBREX光納儀測(cè)試在靜載試驗(yàn)過程中測(cè)試預(yù)埋光纖的應(yīng)變變化情況，在每級(jí)荷載穩(wěn)定時(shí)測(cè)試1次應(yīng)變值。通過應(yīng)變值的變化計(jì)算樁身的軸力、側(cè)摩阻力和樁底沉降等變化情況。

4.3 單樁水平靜載試驗(yàn)方法

試驗(yàn)加載方法采用單向多循環(huán)加載法。每級(jí)荷載（分級(jí)荷載為預(yù)估荷載的1/12）施加后，恒載4 min后測(cè)讀水平位移，然后卸載至0，停2 min 測(cè)讀殘余水平位移，至此完成1個(gè)加卸載循環(huán)；如此循環(huán)5次，完成一級(jí)荷載的位移觀測(cè)。規(guī)范規(guī)定，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)的試驗(yàn)樁宜加載至樁頂出現(xiàn)較大水平位移或樁身結(jié)構(gòu)破壞，故本工程試樁在樁頭水平位移超過40 mm時(shí)終止加載。

5 試樁主要成果及承載力特征值

5.1 單樁豎向承載力特征值確定

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)主要成果見表4[3]。

表4 各試樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)成果匯總表

表5 水平靜載試驗(yàn)成果匯總表

在最大試驗(yàn)荷載下，通過對(duì)采集到的樁身微應(yīng)變變化情況分析，SZ1、SZ2、SZ3的樁側(cè)摩阻力分別為7 398，7 488，7 414 kN，樁端承載力分別為602.0，512.0，586.0 kN；各試樁Q - S、S - lgQ關(guān)系曲線未出現(xiàn)陡降段、S - lgt關(guān)系曲線未出現(xiàn)向下折；樁端沉降量分別為3.56，3.00，3.81 mm；樁頂累計(jì)沉降量分別為17.95，16.00，17.93 mm。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，總沉降量最大值僅為17.95 mm，不到終止加載標(biāo)準(zhǔn)（總沉降量達(dá)到40.00 mm）的50%，說明試樁遠(yuǎn)未破壞，無法得出樁端土層的極限端阻力，因此試驗(yàn)成果不能直接用于計(jì)算豎向承載力。但是試驗(yàn)結(jié)果表明，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算豎向承載力是偏于安全的，故設(shè)計(jì)采用的豎向承載力特征值仍按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定。

5.2 單樁水平承載力特征值確定

水平靜載試驗(yàn)成果見表5[3]。由表5可知，SZ1 ～ SZ4單樁水平極限承載力分別為397.0，353.0，309.0，309.0kN，由于試樁數(shù)量較少，且極差較大，故單樁水平極限承載力統(tǒng)計(jì)值取低值，即309.0 kN。由于單樁水平極限承載力統(tǒng)計(jì)值的1/2（309/2 = 154.5 kN）小于SZ1 ～ SZ4的最小水平臨界荷載176.0 kN，且小于設(shè)計(jì)要求的樁頂位移6 mm對(duì)應(yīng)的最小荷載195.0 kN，因此，單樁水平承載力特征值取為154.0 kN。

6 樁基設(shè)計(jì)復(fù)核

根據(jù)樁基靜載試驗(yàn)成果，單樁豎向承載力特征值經(jīng)計(jì)算為3 000.0 kN，大于最大豎向荷載2 849.1 kN。單樁水平承載力特征值為152.0 kN，考慮承臺(tái)底摩阻效應(yīng)及承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)后，群樁基礎(chǔ)的水平承載力特征值為161.0 kN，大于單樁承擔(dān)的最大水平荷載159.7 kN。因此樁基布置滿足要求。

7 泵站沉降觀測(cè)

泵站主機(jī)段由結(jié)構(gòu)縫分成2塊，在每個(gè)結(jié)構(gòu)塊的4個(gè)角點(diǎn)各布設(shè)了1個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，即G - 1 ～ G - 8測(cè)點(diǎn)。表6為施工期至2016年3月的泵站沉降觀測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

由觀測(cè)結(jié)果可知，泵站沉降已基本穩(wěn)定，累計(jì)沉降在2 ～7 mm，不均勻沉降最大值為8 mm，泵站及上部建筑無異常變形，說明本工程樁基設(shè)計(jì)取得預(yù)期效果。

表6 泵站沉降觀測(cè)點(diǎn)高程觀測(cè)結(jié)果表

8 結(jié) 語

本工程樁基對(duì)建筑物變形控制良好，樁基設(shè)計(jì)取得預(yù)期效果，可為類似工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供借鑒；水平靜載試驗(yàn)成果可為樁周土體為砂質(zhì)粉土的單樁水平承載力取值提供一定參考。

[1] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 94 — 2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 106 — 2003建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3] 鄭志茂，張永永，潘輝，等.杭州三堡排澇工程基樁靜載試驗(yàn)成果報(bào)告[R].杭州：浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，2013.

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

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朱明笛(1984 - )，男，工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E - mail：zhumingdi@163.com