美標(biāo)土體中灌注樁設(shè)計分析

潘文祥，胡樟生，李高會

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122)

關(guān)鍵字：美標(biāo)；灌注樁；側(cè)阻力；抗??；粘性土；砂性土；群樁效應(yīng)

0 引 言

近年來，我國水利行業(yè)在不斷向海外發(fā)展，而海外工程一般由歐洲人擔(dān)任監(jiān)理，對設(shè)計方法及標(biāo)準(zhǔn)的要求很嚴(yán)格，因此，按國外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計成了海外工程能否順利推進(jìn)的根本要求。海外項目地質(zhì)條件往往較復(fù)雜，建筑許可不能輕易變動，所以，建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)經(jīng)常會在限定的區(qū)域中布置于軟土地基上，地基處理顯得尤為重要。樁基制作靈活方便，適用性廣泛，是軟土地基處理的一種常用措施，但海外項目初期往往不具備對樁基進(jìn)行靜載荷試樁或者動載試樁的條件，根據(jù)土力學(xué)試驗得到的土力學(xué)參數(shù)對樁基承載力特征值進(jìn)行數(shù)值計算是不可避免的。本文結(jié)合某一海外水電工程進(jìn)水口底板抗浮設(shè)計，介紹了混凝土灌注樁側(cè)阻力按美標(biāo)計算的要求及方法，為類似海外工程樁基設(shè)計提供了參考。

1 工程概況

某抽水蓄能電站引水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)的布置方式，工程主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫和開關(guān)站等組成。上水庫正常蓄水位為207.8 m，死水位為185.6 m。下水庫正常蓄水位為-215.0 m，死水位為-235.75 m。輸水系統(tǒng)總長3 269.86 m，包括引水系統(tǒng)長1 512.02 m和尾水系統(tǒng)長1 757.84 m。

下水庫采用全庫盆土工膜防滲，庫底排水系統(tǒng)高程為-236.75 m。下庫進(jìn)/出水口位于庫底，座落于Marl(粘性土)層中，進(jìn)水口底板高程為-253.10 m，頂板高程為-237.00 m。底板以下約14 m范圍為Marl層，Marl層以下為Sand with clay(砂層)。根據(jù)現(xiàn)場十字板剪切試驗，Marl層不排水條件下的剪切強(qiáng)度Cu≈140 kPa(見圖1、表1)。

圖1 下庫進(jìn)出水口地質(zhì)剖面

2 抗浮要求

根據(jù)業(yè)主要求，抗浮安全系數(shù)應(yīng)滿足如下要求(見表2)。

表2 抗浮設(shè)計要求

3 荷載計算

按照進(jìn)出水口結(jié)構(gòu)縫位置，抗浮設(shè)計荷載計算時將進(jìn)水口分為Part Ⅰ～Part Ⅳ(見圖2、圖3)共4塊進(jìn)行計算。

經(jīng)過計算，檢修工況各塊的抗浮安全系數(shù)列于表3中(見表3)。Part I和Part II抗浮安全系數(shù)不滿足業(yè)主要求，需抗浮措施；正常工況抗浮安全系數(shù)均大于1.5，滿足業(yè)主要求，無需抗浮措施。

圖2進(jìn)水口樁基平面布置

圖3進(jìn)水口樁基縱剖面

4 側(cè)阻力計算

由于此進(jìn)/出水口開挖體型已通過業(yè)主工程師審批且加大進(jìn)/出水口尺寸需挖除部分大壩坡腳，故通過增加進(jìn)/出水口自身結(jié)構(gòu)重量來滿足抗浮要求不現(xiàn)實，擬在進(jìn)/出水口底板設(shè)置直徑為900 mm的灌注樁來解決其抗浮問題。根據(jù)美標(biāo)EM 1110_2_2906《Engineering and Design_Design of Pile Foundation》，樁側(cè)阻力需取土體不排水(短暫工況)與排水條件(持久工況)的計算成果的小值，且側(cè)阻力在無載荷試驗論證時檢修工況最小安全系數(shù)為2.25，極端工況最小安全系數(shù)為1.7。

表3 檢修工況各塊抗浮安全系數(shù)

4.1 粘性土體中不排水條件下樁側(cè)阻力計算

對于粘性土，由樁與土間接觸面摩擦力產(chǎn)生的側(cè)阻力可按下式計算：

Qs=fsAs

(1)

式中，Qs為由表面摩擦力產(chǎn)生的側(cè)阻力；fs為表面摩擦力平均值；As為樁與土接觸面積。

fs=Ca

(2)

Ca=αC

(3)

式中，Ca為粘土與樁之間粘聚力；α為粘結(jié)系數(shù)，是土體不排水剪強(qiáng)度的函數(shù)，可按圖4查得(見圖4)；C為由快剪試驗得出不排水剪強(qiáng)度。

圖4α值與不排水剪強(qiáng)度關(guān)系曲線

根據(jù)不排水剪強(qiáng)度Cu=140 kPa (=1.46TSF, TSF為美標(biāo)強(qiáng)度單位，1 TSF=95.76 kPa)查圖4得α為0.5。

4.2 粘性土體中排水條件及砂性土中樁側(cè)阻力計算

美標(biāo)EM 1110_2_2906規(guī)定：灌注樁在粘性土中排水條件下的側(cè)阻力與砂性土中側(cè)阻力計算方法一致。

砂性土中樁與土間的摩擦力隨深度線性增加至某一臨界深度Dc后保持不變。臨界深度Dc根據(jù)土體相對密度確定，一般為10到20倍樁徑。臨界深度Dc取值如下：松砂：Dc=10 B；中等密度砂：Dc=15 B；密實砂：Dc=20 B。

砂性土土中樁與土間摩擦力可按下式確定：

(4)

(5)

(6)

Qs=fsAs

(7)

表4 不同土體K取值

不排水與排水條件下樁側(cè)阻力隨樁長變化如下所示(見圖5)。

圖5不排水與排水條件樁側(cè)阻力計算成果

5 抗浮樁設(shè)計

5.1 檢修工況

從圖5可看出，排水條件下樁的抗浮側(cè)阻力更低，為控制工況。Part I～Part IV設(shè)計樁長、樁數(shù)以及群樁面積、單樁面積總和如下所示(見表5)。

表5 各部位樁長、樁數(shù)及樁土之間安全系數(shù)

從表5可以看出，群樁的側(cè)面積比單樁側(cè)面積大，故豎向側(cè)阻力的群樁效應(yīng)可以不計。

5.2 地震工況

豎向地震作用同時改變浮力及向下的荷載作用，故豎向地震作用對樁的抗浮設(shè)計無影響，但作用在進(jìn)水口邊墻上的附加土壓力及附加水壓力產(chǎn)生的彎矩會改變樁軸力分布。對于地震工況樁受力計算采用美國Ensoft公司Group軟件計算，土體采用非線性P—Y曲線模擬。水平群樁效應(yīng)通過P—Y曲線中P值折減考慮，P值按文獻(xiàn)[5]研究成果，根據(jù)樁徑、樁間距查圖6確定(見圖6)。計算模型如下所示(見圖7，以Part III為例)，各排樁的P值取值及計算成果如下所示(見表6～7)，從表7知各分塊樁與土之間的側(cè)阻力滿足規(guī)范要求。

圖6不同位置樁基P值折減系數(shù)

圖7 Part III計算模型

表7 地震工況各分塊樁基計算成果

6 結(jié) 語

樁基設(shè)計包括樁基布置、樁基承載能力計算等內(nèi)容。美標(biāo)對樁基承載能力計算需同時考慮土體排水與不排水條件，不同排水條件側(cè)阻力計算時需用相應(yīng)的土體參數(shù)，最終取兩者低值。在具體工程設(shè)計中，在樁基布置時需綜合考慮樁長與樁間距，兼顧水平與豎直向群樁效應(yīng)，以求樁距，樁長設(shè)計合理、經(jīng)濟(jì)。按照上述方法進(jìn)行的樁基設(shè)計解決了該工程進(jìn)水口抗浮問題，滿足國外咨詢審批要求。