考慮負(fù)摩阻力的某泵站樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

陸建君，陳偉平

(廣東粵水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 佛山 528000)

樁受豎向荷載作用后，正常情況下樁側(cè)土體產(chǎn)生向下的位移，樁側(cè)土體相對(duì)樁體產(chǎn)生向上的摩阻力，是為正摩阻力。若樁側(cè)土體由于某種原因而發(fā)生下沉且其沉降速率大于樁本身下沉速率，樁側(cè)土就相對(duì)于樁身做向下的位移，從而使樁側(cè)土體對(duì)基樁產(chǎn)生向下的摩阻力，稱之為負(fù)摩阻力[1]。

在樁基計(jì)算的工程實(shí)踐中，負(fù)摩阻力計(jì)算是樁基豎向承載力計(jì)算的重點(diǎn)和難點(diǎn)，非常容易出錯(cuò)。全面認(rèn)識(shí)和正確計(jì)算樁側(cè)負(fù)摩阻力，是安全設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)的重要一環(huán)[4]。

1 工程概況

某泵站為新建排澇泵站工程，選址定于高明河內(nèi)堤左岸，現(xiàn)東水閘上游，秀麗河入高明河的出口處，設(shè)計(jì)排水流量按27 m3/s。泵站采用堤后式布置，泵站軸線位于原東水閘上游約52 m，泵站軸線與堤軸線正交，采用正向進(jìn)水正向出水的布置方式，機(jī)組采用1 600ZLB-3.9型半調(diào)節(jié)立式軸流泵3臺(tái)，配TL-20型10 kV、1 000 kW立式同步電動(dòng)機(jī)，總裝機(jī)容量3 000 kW。副廠房布置在出水側(cè)，為3層框架結(jié)構(gòu)。管理樓單獨(dú)布置主廠房右側(cè)空地上。順?biāo)鞣较蛞来尾贾糜羞M(jìn)水渠、自動(dòng)清污閘、進(jìn)水前池、檢修閘及泵房、副廠房、出水箱涵、防洪閘、出水池等水工建筑物等。工程等別為Ⅲ等，規(guī)模屬中型，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)[5]。工程總平面布置如圖1所示。

泵房采用塊基型堤后式泵房，下部為整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，上部為框架結(jié)構(gòu)，縱向總長32.5 m，寬26.5 m，其中主廠房寬12.5 m。主要由進(jìn)水室、進(jìn)水流道層、水泵層、聯(lián)軸層、電機(jī)層及副廠房組成。副廠房布置在主廠房的出水側(cè)，寬7 m，為3層框架結(jié)構(gòu)，總建造面積為：366 m2。泵房平面布置如圖1所示。

2 地質(zhì)情況概述

2.1 地層分布

經(jīng)鉆探揭露，場(chǎng)地地基由人工筑填土(Qs)、第四系三角洲海陸交互相沉積層(Qmc)、殘積土層(Qel)和下石炭統(tǒng)(C1)灰?guī)r等組成。人工筑填土以滄江河堤填身土為主，第四紀(jì)三角洲海陸交互相沉積層主要由不同粒級(jí)砂土、淤泥質(zhì)土(淤泥)、粉質(zhì)粘土、粘土等組成，土層總厚25.50～43.20 m，與下伏風(fēng)化基巖呈不整合接觸[6]。

2.2 地質(zhì)參數(shù)

各巖土層力學(xué)指標(biāo)推薦值見表1所示。

表1 樁的極限側(cè)阻力和樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值一覽(按JGJ 94—2008規(guī)范)

3 樁基設(shè)計(jì)方案

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，本項(xiàng)目建基面為淤泥質(zhì)土。本項(xiàng)目離居民區(qū)較遠(yuǎn)，要求在1個(gè)枯水期內(nèi)完成工程施工，在汛期來臨之前發(fā)揮效益。由于工期緊，為加快施工速度，泵房及啟閉架采用預(yù)制樁基礎(chǔ)，其余采用攪拌樁處理方案。

根據(jù)泵房穩(wěn)定計(jì)算，基底最大應(yīng)力時(shí)為完建工況，計(jì)算成果泵房底板軸心豎向力Fk=46 976 kN，作用于底板中心的力矩Mk=41 000 kN·m，偏心矩e=Mk/Fk=0.87 m。預(yù)制管樁布樁順?biāo)鞣较驑毒酁?～2.7 m不等距布置，垂直水流方向樁距2.1 m，這樣使的樁群形心點(diǎn)剛好與泵房豎向荷載作用點(diǎn)重合，即不產(chǎn)生偏心矩，泵房底總樁數(shù)：n=10×9=90條，具體布置如圖2所示，故基樁所需承擔(dān)的平均豎向力Nk=46 976/90=521.96 kN。

圖2 基礎(chǔ)處理平面示意

地質(zhì)鉆孔CZK9位于泵房下，其地質(zhì)勘察資料具有代表性，典型地質(zhì)情況如圖3所示。

圖3 泵房段典型地質(zhì)剖面示意(單位：高程m，長度mm)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，泵房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選用PHC400A95型預(yù)應(yīng)力管樁，采用D50型柴油錘打樁，要求最后30錘平均每10錘貫入度不大于30 mm，設(shè)計(jì)樁長為17.55 m，最終樁長由試樁確定。

4 負(fù)摩阻力的計(jì)算

由于底板面積較大，樁數(shù)較多，根據(jù)由土重所引起的樁周土平均自重豎向有效應(yīng)力的計(jì)算起始高程不同，可分為樁群外圍樁和內(nèi)部樁，外圍樁自地面高程算起；內(nèi)部樁不受樁頂以上外圍填土的影響，樁周土平均自重從底板底面高程算起。根據(jù)總平面布置圖，泵房外圍地面高程為6.60 m，樁頂高程按泵房底板高程-4.71 m計(jì)。

產(chǎn)生負(fù)摩阻力的原因較多，因泵房建基面以下樁基穿越較厚的軟弱土層進(jìn)入基巖，符合產(chǎn)生負(fù)摩阻力的條件，故應(yīng)考慮計(jì)算樁側(cè)負(fù)摩阻力。計(jì)算負(fù)摩阻力的難點(diǎn)之一是確定樁側(cè)軟弱土層的下限深度l0。l0是指從樁頂起算起的樁周軟弱土層的下限深度，以樁周軟弱土層的底面為分界點(diǎn)，并不是整個(gè)樁身的長度。如果樁周存在巖石或者老黏土等不透水層，則以不透水層為分界點(diǎn)。一般來說，可將e≥1.0、Es≤5.0 MPa的土層視作軟弱土層。根據(jù)地質(zhì)勘察資料(5)淤泥質(zhì)土和(7)淤泥為軟弱土層，(6)細(xì)砂雖然壓縮模量較大，但夾于二層軟弱土層之間，亦并入軟弱土層計(jì)算，故計(jì)算樁周負(fù)摩阻力時(shí)軟弱土層下限深度應(yīng)確定到(7)淤泥層底，以下為正常土層，如圖3所示。

4.1 外圍樁

1)確定樁周軟弱土層的下限深度l0

l0=3.95+3.3+3.8=11.05 m。

2)確定中性點(diǎn)深度ln

按照現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[7]5.4.4-2條及小注來確定中性點(diǎn)深度ln。根據(jù)地質(zhì)勘察揭露的場(chǎng)地地層資料判斷，樁基的持力層為基巖，中性點(diǎn)深度比ln/l0可為1.0。

ln=1.0l0=1.0×11.05=11.05 m。

即計(jì)算下拉荷載的土層分別為(5)淤泥質(zhì)土、(6)細(xì)砂和(7)淤泥。

3)確定負(fù)摩阻力系數(shù)ξn

預(yù)制樁為擠土樁，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》表5.4.4-1小注取較大值，即取淤泥質(zhì)土ξn=0.25，細(xì)砂ξn=0.50，淤泥ξn=0.25。

(1)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，泵房外地面均布活荷載p取20 kPa。取水的重度γw=10 kN/m3。

① -4.71～-8.66 m(淤泥質(zhì)土段)

② -8.66～-11.96 m(細(xì)砂段)

③ -12.0～-16.49 m(淤泥段)

5)計(jì)算負(fù)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)ηn

預(yù)制管樁布樁順?biāo)鞣较驑毒酁?～2.7 m不等距布置，取Sax=2.35 m；垂直水流方向樁距Say=2.1 m。

中性點(diǎn)以上樁周土層厚度加權(quán)平均重度γm：

負(fù)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)ηn：

7)計(jì)算單樁豎向承載力特征值Ra：

8)驗(yàn)算基樁豎向承載力：

基樁豎向承載力滿足要求。

4.2 內(nèi)部樁

同外圍樁，樁周軟弱土層的下限深度l0=11.05m，中性點(diǎn)深度ln=11.05m；負(fù)摩阻力系數(shù)淤泥質(zhì)土ξn=0.25，細(xì)砂ξn=0.50，淤泥ξn=0.25；群樁效應(yīng)系數(shù)ηn=1.0；單樁豎向承載力特征值Ra=1011.84 kN。

(2)

與外圍樁不同，內(nèi)部樁不受樁頂上外圍填土的影響，樁周土平均自重豎向有效應(yīng)力從底板底面高程算起。同理可得：

3)驗(yàn)算基樁豎向承載力：

基樁豎向承載力滿足要求。

4.3 不考慮負(fù)摩阻力時(shí)單樁豎向承載力特征值Ra

4.4 計(jì)算成果及實(shí)施效果

4.4.1計(jì)算成果

樁基豎向承載力計(jì)算成果見表2所示。

表2 樁基豎向承載力計(jì)算成果 kN

考慮負(fù)摩阻力影響后，其樁基豎向承載力約為不考慮負(fù)摩阻力樁基豎向承載力的86%，下降14%；能擔(dān)的最大上部荷載僅為不考慮負(fù)摩阻力時(shí)的57.8%，大幅下降。設(shè)計(jì)時(shí)若不考慮負(fù)摩阻力，往往因設(shè)計(jì)樁長不足，導(dǎo)致樁基豎向承載力不足，極有可能引發(fā)工程質(zhì)量事故。

4.4.2實(shí)施效果

4.5 幾點(diǎn)思考

1)現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94—2008(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)明確規(guī)定，計(jì)算樁周平均豎向有效應(yīng)力時(shí)，樁群外圍樁自地面算起，內(nèi)部樁自承臺(tái)底面算起。由于內(nèi)部樁不受樁頂上外圍填土的影響，故內(nèi)部樁下拉荷載比外圍樁小些。實(shí)際上設(shè)計(jì)人員很少按內(nèi)部樁和外圍樁分開設(shè)計(jì)而選擇不同樁長或樁徑，一是因?yàn)闃痘?guī)范沒有規(guī)定如何劃分外圍樁和內(nèi)部樁；二是因?yàn)橥ǔＧ闆r下內(nèi)部柱與外圍樁相差不是很大，分開設(shè)計(jì)則不利于施工。為了區(qū)分內(nèi)部樁和外圍樁，建議將底板底面以上外圍填土作為附加荷載，參考《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[8]將外圍填土附加荷載以壓力擴(kuò)散角擴(kuò)散(壓力擴(kuò)散角θ=45°-φm/2，內(nèi)摩擦角φm取樁周填土按厚度加權(quán)平均值)，若樁身在壓力擴(kuò)散角范圍內(nèi)，則按外圍樁處理；若樁身在壓力擴(kuò)散角范圍以外，則按內(nèi)部樁處理。

2)《規(guī)范》計(jì)算負(fù)摩阻力時(shí)未考慮樁型選擇和施工工藝的影響。按成樁方法，基樁可分為非擠土樁、部分?jǐn)D土樁和擠土樁。相同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，選擇非擠土樁時(shí)對(duì)原地層力學(xué)參數(shù)影響很?。贿x擇擠土樁對(duì)，經(jīng)過樁擠密、振動(dòng)等作用，對(duì)原地層尤其是砂層的力學(xué)參數(shù)將產(chǎn)生有利影響，而《規(guī)范》未考慮這一點(diǎn)。

3)《規(guī)范》未考慮軟弱土層的流變影響。軟土在長期荷載作用下，除了產(chǎn)生排水固結(jié)引起的變形外，也會(huì)發(fā)生緩慢而長期的剪切變形，這對(duì)建筑物地基沉降有較大影響，對(duì)建筑物地基穩(wěn)定性不利[9]。由于《規(guī)范》中未考慮軟弱土層的流變性因素，導(dǎo)致軟土對(duì)基樁產(chǎn)生的下拉荷載預(yù)估不充分，最終導(dǎo)致負(fù)摩阻力的計(jì)算結(jié)果偏小。

4)可通過提升樁身強(qiáng)度來提高樁基礎(chǔ)承載能力，以抵消因負(fù)摩阻力對(duì)樁基承載力帶來的不利影響[10-11]。

5 負(fù)摩阻力計(jì)算要點(diǎn)

在樁基的承載力計(jì)算過程中，樁側(cè)負(fù)摩阻力的計(jì)算特別容易出錯(cuò)[12]?，F(xiàn)將計(jì)算負(fù)摩阻力時(shí)的注意要點(diǎn)總結(jié)如下：

① 計(jì)算下拉荷載時(shí)，首先要確定中性點(diǎn)深度ln，不能直接取全樁長進(jìn)行計(jì)算。

② 中性點(diǎn)計(jì)算深度是從樁頂算起，而不是從地坪面算起。

⑥ 群樁效應(yīng)系數(shù)ηn≤1；當(dāng)計(jì)算值ηn>1時(shí)要取ηn=1進(jìn)行計(jì)算?？紤]群樁效應(yīng)，在計(jì)算群樁的負(fù)摩阻力時(shí)，外圍樁的樁側(cè)土層平均豎向有效應(yīng)力自地面算起，內(nèi)部樁的樁側(cè)土層平均豎向有效應(yīng)力自承臺(tái)底面算起。

⑦ 計(jì)算樁側(cè)負(fù)摩阻力時(shí)可不用考慮樁的大直徑尺寸效應(yīng)修正。

一般情況下，在工程實(shí)踐中只要遵行以上計(jì)算要點(diǎn)，正確掌握計(jì)算方法和技巧，基本上可以避免樁側(cè)負(fù)摩阻力計(jì)算上的錯(cuò)誤。

6 結(jié)語

在工程實(shí)踐中，當(dāng)樁周土層產(chǎn)生的沉降大于樁基的沉降時(shí)，樁側(cè)負(fù)摩阻力計(jì)算是樁基豎向承載力計(jì)算的重點(diǎn)和難點(diǎn)，非常容易出錯(cuò)。為方便設(shè)計(jì)和施工，建議根據(jù)樁身是否在外圍填土附加荷載擴(kuò)散角范圍內(nèi)作為外圍樁和內(nèi)部樁劃分的依據(jù)。

樁基礎(chǔ)豎向承載設(shè)計(jì)對(duì)工程來說至關(guān)重要，設(shè)計(jì)人員要正確認(rèn)識(shí)負(fù)摩阻力，掌握計(jì)算方法和技巧，以期達(dá)到理論計(jì)算與實(shí)際結(jié)果大致相符，安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工便利性兼顧的設(shè)計(jì)目標(biāo)[13-14]。