長(zhǎng)短樁在大型泵站工程地基處理中的應(yīng)用

邱 輝，侯繼平

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

圖1 樁基縱剖面與地質(zhì)剖面圖

大治河排澇泵站工程位于杭州市蕭山區(qū)大治河和錢(qián)塘江交匯口處，泵站設(shè)計(jì)排澇流量100.0 m3/s，采用5臺(tái)立式軸流泵。本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，泵站底板以下土層依次為②-2砂質(zhì)粉土、②-3粉砂夾砂質(zhì)粉土、②-4砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥含粉砂粉質(zhì)黏土、⑧-1細(xì)砂、⑧-2 圓礫。其中壓縮模量小于10的土層厚度約40.0 m，在基礎(chǔ)不做地基處理的情況下，地基承載力和沉降量均不滿(mǎn)足規(guī)范要求。大治河泵站主體在承受豎向力以外，還承受垂直水流及順?biāo)?個(gè)方向的水平力，為有效控制樁基水平位移和水平力、節(jié)約樁基投資，提出長(zhǎng)短樁樁基方案。本工程泵站地基處理采用φ100 cm鉆孔灌注樁長(zhǎng)短樁結(jié)合設(shè)計(jì)，樁基持力層為圓礫，以邊跨為例，樁間距2.9 m×2.7 m（順?biāo)鳌链怪彼鳎瑯堕L(zhǎng)約43.0 m/23.0 m布置。樁基縱剖面與地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1，樁基平面布置見(jiàn)圖2，各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 樁基平面布置圖

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)表

本文采用高樁承臺(tái)簡(jiǎn)化法和M法有限元法對(duì)樁基內(nèi)力與變形進(jìn)行計(jì)算分析。

2 高樁承臺(tái)簡(jiǎn)化法

根據(jù)SL265 — 2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，樁的根數(shù)和尺寸宜根據(jù)承擔(dān)底板底面以上的全部荷載確定，對(duì)于摩擦樁，經(jīng)論證后可適當(dāng)考慮樁間土承擔(dān)部分荷載。在進(jìn)行計(jì)算分析前，對(duì)樁基布置和邊界進(jìn)行假定和簡(jiǎn)化處理：

（1）上部荷載全部由樁基承擔(dān)，承臺(tái)、群樁、土體相互作用產(chǎn)生的群樁效應(yīng)不計(jì)；忽略樁身與土體之間的黏著力和摩擦力對(duì)抵抗水平力的作用。

（2）長(zhǎng)樁+短樁控制水平承載力和水平位移，按圖2布置計(jì)算水平承載力和水平位移；長(zhǎng)樁承擔(dān)豎向承載力和豎向沉降，按圖3樁基布置計(jì)算豎向承載力和豎向位移。

（3）將土體視為彈性介質(zhì)，其水平抗力系數(shù)隨深度線形增加（M法）。

（4）地基土水平抗力系數(shù)取10 MN/m4，可通過(guò)試樁單樁水平靜載試驗(yàn)驗(yàn)證。

式中：Fk為作用于承臺(tái)頂面的豎向力（kN）；Gk為樁基承臺(tái)和承臺(tái)上土自重標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Nk為樁基的平均豎向力（kN）；Mxk、Myk為作用于承臺(tái)底面，繞通過(guò)樁群形心的 x、y 主軸的力矩（kN · m）；xi、yi、xj、yj為第 i、j根樁至y、x軸的距離（m）；n為樁總數(shù)（根）；Hk為作用于承臺(tái)底面的水平力（kN）；Hik為作用于第i樁基的水平力（kN）。

圖3 豎向承載力和豎向位移計(jì)算簡(jiǎn)化圖（剔除短樁）

2.1 計(jì)算工況的選定

樁基在不同工況下均承受垂直水流向、順?biāo)飨虻牧蛷澗?，為了?jì)算出最大豎向荷載引起的最大軸力和豎向位移、最大水平荷載引起的最大水平力和樁頂位移，選擇完建工況（豎向力最大情況）和最大揚(yáng)程排澇工況（水平力最大情況）分別進(jìn)行分析計(jì)算。

完建工況：內(nèi)河、外江無(wú)水，邊墻墻后為地下水位。

最不利擋水工況：內(nèi)河常水位，外江校核水位，邊墻墻后為地下水位。

2.2 計(jì)算成果

表2為在圖3長(zhǎng)樁布置方案完建工況和最不利擋水工況下，樁基受力情況。完建工況下長(zhǎng)樁豎向承受最大軸力為4 966.0 kN，發(fā)生在順?biāo)飨蜃詈笠慌牛怪彼飨虻谝慌盼恢茫鄳?yīng)豎向沉降4.97 mm。

表2 高樁承臺(tái)簡(jiǎn)化法計(jì)算成果表

按圖3布置長(zhǎng)樁方案，在不增設(shè)短樁情況下，最不利擋水工況下單樁水平力488.0 kN，水平位移4.59 mm。因此，不增設(shè)短樁情況下單樁水平力和水平位移太大，不能滿(mǎn)足規(guī)范要求，考慮增設(shè)短樁以分擔(dān)水平力和減小水平位移。按圖2布置長(zhǎng)短樁方案，最不利擋水工況下長(zhǎng)樁和短樁共同承擔(dān)水平力，單樁水平力為272.0 kN，水平位移3.13 mm。

43.0 m長(zhǎng)樁（端承樁）單樁豎向承載力為Ra長(zhǎng)= 4 372.0 kN，單樁豎向承載力平均值為（4 966+3 171）/ 2 = 4 068.5 kN＜Ra長(zhǎng)，單樁最大豎向承載力為4 966.0 kN＜1.2Ra長(zhǎng)，樁端水平位移小于5.00 mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求，樁基布置較為合理。

3 M法有限元法

圖4 M法樁基承臺(tái)有限元模型圖

高樁承臺(tái)簡(jiǎn)化法對(duì)樁基布置進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理，未考慮到短樁承受豎向承載力、承臺(tái)承受部分水平承載力的實(shí)際情況。本文采用ANSYS中BEAM189單元模擬全部長(zhǎng)短樁和承臺(tái)，樁土間的作用以彈簧COMBIN14單元來(lái)模擬，地基土柱側(cè)面地基系數(shù)隨深度成正比增長(zhǎng)。短樁樁底采用豎向彈簧約束，長(zhǎng)樁樁底采用全部自由度約束。

式中：b1為樁的計(jì)算寬度（m）；m為比例系數(shù)，取m = 10 000 kN/m4；λ為節(jié)段長(zhǎng)度（m）；zi為自地面至第i集中彈簧的距離（m）；ω0為集中彈簧在其一側(cè)λ/2長(zhǎng)度內(nèi)的地基系數(shù)分布圖面積（kN /m2）。

模型共有13 718個(gè)單元，308 884個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型在各個(gè)彈簧底面設(shè)置約束。有限元模型見(jiàn)圖4，樁基剪力受力情況見(jiàn)圖5，承臺(tái)豎向變位情況見(jiàn)圖6，水平變位情況見(jiàn)圖7。

圖5 樁基剪力受力情況圖

圖6 樁基承臺(tái)豎向變位情況圖

圖7 樁基水平變位情況圖

表3 M法有限元法計(jì)算成果表

短樁和長(zhǎng)樁的允許承載能力不一樣，如本工程43.0 m長(zhǎng)樁（端承樁）單樁豎向承載力為Ra長(zhǎng)= 4 372.0 kN，23.0 m短樁（摩擦樁，不考慮樁端承載力）單樁豎向承載力為Ra短= 1 539.0 kN。長(zhǎng)樁單樁豎向承載力平均值為（4 130+2 470）/ 2 = 3 300.0 kN＜Ra長(zhǎng)，長(zhǎng)樁單樁最大豎向承載力為4 130.0 kN＜1.2Ra長(zhǎng)；短樁單樁豎向承載力平均值為（1 600+817）/ 2 = 1 208.58 kN＜Ra短，短樁單樁最大豎向承載力為1 600.0 kN＜1.2Ra長(zhǎng)。樁端水平位移小于5.00 mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求，樁基布置較為合理。

4 結(jié)果對(duì)比分析

2種方法均基于長(zhǎng)短樁共同控制水平承載力和水平位移，計(jì)算得出的水平向位移和水平基本一致，M法有限元法考慮承臺(tái)承擔(dān)部分水平力作用，因此單樁水平承載力結(jié)果值較小。

M法有限元法考慮了長(zhǎng)短樁和承臺(tái)的實(shí)際模型、共同控制豎向力和豎向位移，因此單樁最大豎向承載力值較小，但更為接近實(shí)際，短樁和長(zhǎng)樁的允許承載能力不一樣，需分別考慮長(zhǎng)樁和短樁豎向承載能力是否滿(mǎn)足要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）在樁基布置時(shí)，在長(zhǎng)樁滿(mǎn)足承載力和豎向沉降要求，但不滿(mǎn)足水平承載力和水平位移時(shí)，可增設(shè)短樁（摩擦樁）來(lái)分擔(dān)水平荷載和降低水平位移。相對(duì)于全長(zhǎng)樁基礎(chǔ)而言，長(zhǎng)短樁樁基礎(chǔ)不僅充分利用長(zhǎng)樁控制豎向承載力、豎向沉降和短樁可分擔(dān)水平承載力和減小水平位移的能力，同時(shí)也減少長(zhǎng)樁的數(shù)量，節(jié)約投資。

（2）長(zhǎng)短樁樁基計(jì)算分析時(shí)也可采用高樁承臺(tái)簡(jiǎn)化法忽略樁土之間的摩擦力、群樁效應(yīng)等作用，長(zhǎng)樁+短樁控制水平承載力和水平位移，長(zhǎng)樁承擔(dān)豎向承載力和豎向沉降。

（3）M法有限元法在進(jìn)行長(zhǎng)短樁樁基分析時(shí)，充分考慮承臺(tái)和樁土的相互作用，計(jì)算結(jié)果也更為直觀地反映各樁的變形情況，長(zhǎng)樁和短樁承受不同豎向力的事實(shí)情況。在長(zhǎng)短樁計(jì)算分析中宜優(yōu)先采用M法有限元法進(jìn)行分析。