淺談PHC管樁在水庫取水泵站擋土墻中的應(yīng)用

孫國春

(喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300)

1 工程概況

某水庫工程位于沿海地區(qū)，水庫建設(shè)用地為4.096km2，總設(shè)計(jì)面積3.74km2。此水庫工程建筑等級(jí)為Ⅱ等，設(shè)計(jì)近期的供水規(guī)模為21.5km3/d,遠(yuǎn)期供水規(guī)模為40km3/d。輸水泵站的面積為32m3/s，取水泵閘的閘門寬度設(shè)計(jì)為14m。在進(jìn)行擋土墻建設(shè)時(shí)，根據(jù)本工程的地質(zhì)特點(diǎn)采用薄壁式擋墻進(jìn)行施工，薄壁式擋墻根據(jù)支撐方式的不同分為扶壁式擋土墻和懸臂式擋土墻兩種。本工程的兩種擋土墻尺寸如下:扶壁式擋土墻CR1高度×底板寬=10.6m×10m，懸臂式擋土墻CR2高度×底板寬=6.8m×6m。

2 工程地質(zhì)條件參數(shù)

采用專業(yè)的地質(zhì)探測儀器對(duì)此工程的地質(zhì)情況進(jìn)行勘測，經(jīng)過分析后此水壩工程的擋土墻設(shè)計(jì)所需要的地質(zhì)層力學(xué)參數(shù)建議數(shù)值如表1所示。

表1 地質(zhì)層力學(xué)參數(shù)建議數(shù)值

3 基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

3.1 PHC管樁基礎(chǔ)布置

CR1和CR2擋土墻的基底建立在②3-1粉砂土層，其承載力特征值為118kPa。根據(jù)計(jì)算可得擋土墻基底地基承載力特征值在118kPa到160kPa之間，大于地基承載力特征值，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，所以要運(yùn)用技術(shù)方法來調(diào)整地基承載力。擋土墻在進(jìn)行回填工程時(shí)，擋土墻的墻背要承受來自回填沙礫的水平作用力，通過前期的物理分析計(jì)算可以確定擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.32，小于安全系數(shù)的規(guī)定值2.0-3.25，所以靠采取抗滑措施來進(jìn)行調(diào)整。

從上文的工程概述可知，此水利工程位于沿海地區(qū)，在進(jìn)行取水泵站擋土墻建設(shè)時(shí)，擋土墻的基底建立在地基的軟弱土層上，施工時(shí)難度較大，且施工費(fèi)用較高[1]。所以在具體施工時(shí)，提出了多種擋土墻建設(shè)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)這些方案進(jìn)行比較，結(jié)果如下:

根據(jù)上游取水泵閘的設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)需要的鋼筋混凝土板樁利用上部荷載壓入地下操作，但是由于此工程所處的沿海地區(qū)地質(zhì)條件特殊，上述的操作非常困難；水泥土攪拌樁采用深層攪拌法，在施工建設(shè)時(shí)對(duì)設(shè)備要求不高，能夠節(jié)省工程造價(jià)，但是施工質(zhì)量難以控制，在施工時(shí)可能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；高壓噴射注漿法適合一些較薄弱的地基，對(duì)這些地基能夠起到加固的作用，但是如果地質(zhì)環(huán)境中土壤濕度較大，容易腐蝕管樁影響其質(zhì)量；鉆孔灌注樁采用全套管施工法，在施工時(shí)對(duì)工程質(zhì)量要求高，操作流程復(fù)雜且不好控制，施工時(shí)間較長；PHC管樁樁身質(zhì)量較高，施工時(shí)吊裝操作簡單，樁身有很高的強(qiáng)度能夠適應(yīng)各種環(huán)境，承載設(shè)計(jì)值比很多的樁柱要高，工程造價(jià)相對(duì)比較低[2]。

經(jīng)過上述分析比較可以看出，PHC管樁整體性能較好，在沿海地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境也比較適合，工程造價(jià)偏低，所以經(jīng)過綜合考慮之后本工程在擋土墻施工時(shí)決定采用PHC管樁，為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求混凝土強(qiáng)度采用最高等級(jí)C80，PHC管樁的外徑和管壁尺寸分別為80cm和11cm。擋土墻在進(jìn)行回填工程時(shí)，擋土墻PHC管樁要承受來自回填沙礫的水平和垂直荷載。

在進(jìn)行具體施工時(shí)，對(duì)CR1和CR2擋土墻進(jìn)行如下布置：CR1扶壁式擋土墻，在擋土墻基底位置布置長為38m，每排共4根間隔保持在2.8m的PHC管樁；PHC管樁樁尖在絕對(duì)高程為-50.0m⑤2-2砂質(zhì)夾粉質(zhì)黏土的地質(zhì)層中。CR2懸臂式擋土墻，在擋土墻基底位置布置長為35m，每排共2根間隔保持在3.0m的PHC管樁；PHC管樁樁尖在絕對(duì)高程為-36.8m⑤2-2砂質(zhì)夾粉質(zhì)黏土的地質(zhì)層中[3]。

3.2 樁基單樁允許承載力計(jì)算分析

3.2.1 單樁垂直承載力特征值值計(jì)算

單個(gè)PHC管樁垂直承載力計(jì)算根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)規(guī)范作為指導(dǎo)進(jìn)行單樁垂直承載力計(jì)算：

(1)

式中，Up代表PHC管樁樁身橫截面的周長，m；Ap代表PHC管樁樁端橫截面的面積，m2；li代表地質(zhì)土層i的土厚度，m；γp代表PHC管樁樁端阻力的分項(xiàng)系數(shù)；Rpk代表PHC管樁樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Rsk代表PHC管樁樁側(cè)總極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；γs代表PHC管樁總側(cè)摩阻力的分項(xiàng)系數(shù)；fsi代表PHC管樁樁側(cè)地質(zhì)土層i的極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；fp代表PHC管樁樁端土層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

從上述公式計(jì)算分析得到，長分別為38m、35m，外徑為80cm管壁厚度為11cm的PHC管樁，垂直單樁承載力特征值分別為2375kN、2100kN。

3.2.2 單樁水平承載力特征值計(jì)算

擋土墻在進(jìn)行回填工程時(shí)，擋土墻PHC管樁要承受來自回填沙礫的水平作用力，所以要確定單樁水平承載力特征值的大小，計(jì)算以《JGJ94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，由于此水利工程沒有單樁水平靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料，所以按照下列公式計(jì)算單樁水平承載力特征值：

(2)

式中：X0a代表PHC管樁樁頂可以允許的水平位移；vx代表PHC管樁樁頂水平位移系數(shù)；EI代表PHC管樁樁身抗彎剛度,鋼筋混凝土樁EI取值為0.85EcI0；

通過上述公式計(jì)算可以得出，外徑為80cm管壁厚度為11cm的PHC管樁正常運(yùn)行時(shí)、地震時(shí)的水平單樁承載力特征值分別為276kN、347kN,允許彎矩為567kN·m。從上文規(guī)范確定PHC管樁樁頂?shù)乃轿灰谱畲蟛荒艹^1cm[4]。

3.2.3 PHC管樁計(jì)算結(jié)果與分析

CR1和CR2擋土墻建成后完建期和地震時(shí)水位情況如下：CR1和CR2擋土墻完建期墻前均沒有水，墻后水深為2.44m；CR1擋土墻在正常運(yùn)行時(shí)、地震時(shí)墻前水位分別為1m，3.2m，墻后水位分別為2m、4.2m。CR2擋土墻在正常運(yùn)行時(shí)、地震時(shí)墻前水位分別為-0.14m、2.46m，墻后水位分別為1.15m、3.46m[5]。

CR1和CR2擋土墻的樁基計(jì)算數(shù)據(jù)如表2和表3所示。通過對(duì)表2、表3得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出結(jié)論：運(yùn)用PHC管樁建設(shè)的擋土墻在正常運(yùn)行時(shí)和遇到地震時(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 CR1擋土墻樁基計(jì)算數(shù)據(jù)

表3 CR2擋土墻樁基計(jì)算數(shù)據(jù)

由于此工程位于沿海地帶，工程所處地質(zhì)環(huán)境的地下水位比較高，在施工開挖時(shí)補(bǔ)水也非常迅速，所以在進(jìn)行擋土墻回填時(shí)采取墻前先不放水操作，墻后降低2.5m的填土高度再進(jìn)行放水后將墻后土填到頂?shù)牟僮?。墻后降?.5m填土高度后完建期的計(jì)算數(shù)據(jù)如表4所示，通過對(duì)數(shù)據(jù)分析可以確定下表數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 完建期墻后降低填土高度2.5m時(shí)樁基計(jì)算數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

文章以某沿海地區(qū)水利工程為實(shí)例，對(duì)多種擋土墻建設(shè)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較，然后經(jīng)過綜合考慮后確定此工程在擋土墻施工時(shí)采用PHC管樁進(jìn)行建設(shè)，并通過單樁垂直承載力特征值和水平承載力特征值的數(shù)據(jù)計(jì)算和一系列的數(shù)據(jù)分析之后得出結(jié)論，PHC管樁在水庫取水泵站擋土墻工程中應(yīng)用良好，在符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下也節(jié)約了成本。