單柏翔

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽 110006）

近年來，隨著國內(nèi)出現(xiàn)較多的大中型輸水工程，管線附屬構(gòu)筑物也得到了更為廣泛的應(yīng)用。承臺灌注樁在土木工程、建筑工程中應(yīng)用普遍、技術(shù)成熟，相關(guān)的理論研究也比較系統(tǒng)，但在水利工程中的應(yīng)用則相對較少。下文所探討的承臺灌注樁設(shè)計，是針對某些水量大、水頭高的大管徑管道在局部轉(zhuǎn)彎處承受較大水平推力，布置水平鎮(zhèn)墩較困難的特點，結(jié)合具體工程案例，通過受力計算和現(xiàn)場檢測，說明利用承臺灌注樁替代水平鎮(zhèn)墩的合理性。

1 工程概況

某輸水管線自采用4根DN3200的PCCP管道平行鋪設(shè)布置，由于設(shè)計為自流供水，局部管段壓力水頭達到1.6 MPa。本文案例選取為兩兩一組的分槽布置管段，布線時考慮到整體線路走向及局部征地要求、地質(zhì)條件原因，設(shè)置了多處水平轉(zhuǎn)彎拐點：管道主、分槽在樁號C167+466.7及6-F22+065.4處各需設(shè)置2個29.13°的水平轉(zhuǎn)角彎頭，彎頭兩側(cè)連接PCCP標準管節(jié)，本文以其中主槽位置的承臺灌注樁為例進行分析計算。

2 計算方法

2.1 單樁水平承載力Rha計算

目前單樁水平承載力計算的理論分析方法采用淺層土體極限抗力的分布模式，主要有極限地基反力法、極限平衡法和彈性地基反力法。而彈性地基反力方法，根據(jù)基床系數(shù)假定不同，提出了眾多方法，如C法、k法、m法等[2]，其中m法計算單樁水平承載力在我國應(yīng)用廣泛。本文案例中，單樁水平承載力檢測時，樁頂無豎向荷載，不考慮承臺作用，較為符合m法要求。按m法計算后對比單樁檢測報告，亦可校核公式中位移和承載力計算結(jié)果的正確性。

案例中PCCP管彎頭管件與兩側(cè)標準PCCP管節(jié)承插連接，屬于柔性接口的一種。為防承口或插口出現(xiàn)剪切破壞、漏水等情況，設(shè)計彎頭管件承插口位置不允許產(chǎn)生剪力，因此在彎頭管件位置必須加以保護。水平推力計算參照《給排水標準圖集》[1]中柔性接口給水管道支墩給出公式：

管道截面外推力標準值：

式中：DN——管道設(shè)計內(nèi)徑，mm；Fwd.k——管道設(shè)計內(nèi)水壓力，MPa；P——管道截面外推力標準值；θ——彎頭的轉(zhuǎn)角。將該工程中管徑、角度、壓力水頭等參數(shù)代入公式（1）、（2），計算單根彎頭管件以正常工況運行時（壓力水頭1.0 MPa），水流產(chǎn)生的水平推力為4 073 kN。

設(shè)計針對水平荷載較大情況，初步擬選用樁徑d=800 mm，樁長h=9.2 m，入巖約500 mm；樁側(cè)土主要影響深度hm=3.6 m，樁身混凝土標號C30。當(dāng)滿足鉆孔樁的水平承載力由水平位移控制，且樁身配筋率不小于0.65%兩個條件時，采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]中給出Rha計算公式：

式中：EI——樁身抗彎剛度；vx——樁頂水平位移系數(shù)；x0a——樁頂允許水平位移允許值，mm，對水平位移敏感構(gòu)筑物x0a=6 mm；α——樁側(cè)水平變形系數(shù)；Ec——混凝土彈性模量；I0——樁身截面換算慣性矩，圓形截面采用公式（5）；W0——受拉邊緣截面模量；d0——除保護層厚的樁徑；ρg——設(shè)計樁身配筋率，ρg=8.7%；αE——為鋼筋彈模與混凝土彈模比值；m——樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；b0——樁身的計算寬度，m，b0=0.9（1.5d+0.5）=1.53 m；m1，m2——樁側(cè)hm深度范圍內(nèi)粉質(zhì)粘土和殘積土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，保守取m1=14 MN/m4，m2=50 MN/m4；h1，h2——樁側(cè)hm深度范圍內(nèi)粉質(zhì)粘土和殘積土的高度，h1=1 m，h2=2.6 m。

計算得到EI=7.07×105kN/m2。根據(jù)規(guī)范，vx取值由α決定，因此α是求解Rha的關(guān)鍵，主要是m的取值對結(jié)果會產(chǎn)生較大影響。應(yīng)用m法計算，選用附錄C公式（公式（8）），計算得m=47.2。最后以上參數(shù)代入公式（7）得α=0.634，再由α·h=5.83＞4，查表取α=4，得vx=2.441。將參數(shù)代入式（3），求得Rha=442 kN。

2.2 Rha檢測

檢測采用水平靜載方法，遵循《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[4]中多循環(huán)加載法，通過油壓千斤頂施加水平荷載，同時利用安裝在試樁上的位移百分表觀測位移,檢測共進行單樁水平荷載試驗3根。H-t-Y0、H-△Y0-△H曲線見圖1，2。

圖1 H—t—Y0曲線

圖2 H—△Y0—△H曲線

通過圖1可以看出，在循環(huán)加載且不斷增大水平荷載H的過程中，樁頂位移值Y0呈指數(shù)曲線變化，在H=550 kN、Y0≈6 mm時停止加載，得到設(shè)計樁頂允許位移值下的水平承載力極限值；通過圖2可以看出，在循環(huán)卸荷且水平推力卸荷不斷增大的過程中，樁頂?shù)奈灰苹謴?fù)值△Y0逐步增加，與Y0基本成正比關(guān)系。試樁單樁檢測數(shù)據(jù)見表1，表中列出的為5次循環(huán)加載均值。

從檢測數(shù)據(jù)中可以看出，實測單樁承載力較依照規(guī)范中m法計算的數(shù)值提高約1.25倍。說明在粉土、粘土地質(zhì)條件下，應(yīng)用規(guī)范中m法計算得到的單樁水平承載力是偏于安全的。

3 群樁效應(yīng)下的承臺灌注樁抗滑穩(wěn)定計算

3.1 群樁效應(yīng)綜合系數(shù)計算

計算參照規(guī)范5.7.3計算公式：

式中：Rh——群樁效應(yīng)下的單樁水平承載力特征值；ηh——群樁效應(yīng)綜合系數(shù)。依據(jù)規(guī)范給出計算公式，當(dāng)不考慮地震作用時，綜合系數(shù)按下式求解：

表1 單樁水平靜載試驗記錄表

式中：ηr——樁頂約束效應(yīng)系數(shù)，查表后取2.05（按位移控制）；ηl——承臺側(cè)向土水平抗力系數(shù)，考慮承臺周圍回填土松散，取0；sa/d——水平荷載方向的距徑比，一般取3～4；n1，n2——分別為沿水平荷載方向與垂直水平荷載方向每排樁樁數(shù)，設(shè)計考慮承臺形狀及受力方向，擬選取n1=4，n2=5；μ——承臺底與地基土間的摩擦系數(shù)，根據(jù)土質(zhì)類別，保守取0.35；fak——查地質(zhì)資料，堅硬粉質(zhì)粘土取120 kPa；ηc——承臺效應(yīng)系數(shù)，查表取0.15（sa/d，Bc/l=1.49＞0.8）；A，Aps——分別為承臺底面積、樁身總截面積；n——設(shè)計群樁根數(shù)，n=n1·n2=20。則Aps=n·π /4·d2=10.05 m2。

3.2 實際設(shè)計中ηh影響分析

由公式（10）可知，ηh主要受ηb與ηi影響。經(jīng)初步計算后，在Rha與n一定的情況下，ηb主要受pc影響，而根據(jù)公式（13）知，A的設(shè)計是影響pc的主要因素，因此在設(shè)計A時，需考慮管道走向、垂直管線方向兩側(cè)征地范圍、需要的灌注樁數(shù)量、混凝土方量的限制；在此基礎(chǔ)上盡量增大A值，并使承臺底面盡量位于摩擦系數(shù)較大的土層基礎(chǔ)上。經(jīng)多次修改后，選取設(shè)計底面積A=140 m2。

ηi主要由樁徑、樁中心間距、承臺底面積內(nèi)的布樁形式?jīng)Q定。根據(jù)案例中樁身穿越土層地質(zhì)條件、樁端持力層、施工設(shè)備及環(huán)境，并參照規(guī)范附錄A選用類型為部分擠土成樁、沖擊成孔灌注樁，據(jù)此可知采用的樁徑d=800 mm較為合適（規(guī)范給出范圍為600～1 200 mm）。

布樁形式受荷載方式影響及排樁中各樁受力不均勻性的特點[6]，經(jīng)對比多次試算結(jié)果顯示，應(yīng)盡量增加垂直水平荷載方向的排數(shù)，其次考慮承臺外形尺寸對布樁的限制。設(shè)計樁數(shù)n=20，當(dāng)取n1=4，n2=5時，得ηi=0.625；當(dāng)取n1=5，n2=4時，得ηi=0.603；可見，在布置同樣樁數(shù)的情況下，增加垂直水平荷載方向排數(shù)有利于群樁整體水平抗力提高。同時考慮到承臺布置面積有限，樁身允許承擔(dān)部分應(yīng)力，設(shè)計sa/d=3.3較合理。

將以上計算數(shù)據(jù)依次代入式（13）、（12）、（11）后，分別得到pc=2 340 kN，ηb=0.093，ηi=0.625。將上述參數(shù)代入式（10），計算得系數(shù)ηh=1.38，即該工程承臺灌注樁在群樁效應(yīng)下，單樁水平承載力可提高約1.38倍。最后用總抗滑力除以雙管產(chǎn)生的水平推力，得到安全系數(shù)Ks=1.49，考慮承臺包覆管道重量及承臺頂部覆土重量，可以判斷承臺灌注樁滿足整體抗滑的設(shè)計要求，群樁承臺平面布置及剖面見圖3。

4 結(jié)論

通過實際案例應(yīng)用《建筑樁基規(guī)范》中的m法計算單樁水平承載力，將計算結(jié)果代入承臺灌注樁群樁設(shè)計，基本實現(xiàn)了利用群樁承臺替代水平鎮(zhèn)墩抗滑的要求，分析相關(guān)試驗檢測報告及群樁參數(shù)得到如下結(jié)論：

1）規(guī)范推薦的m法在計算單樁水平承載力時，m的取值對承載力影響較大。案例中雖已按照不同土層給出了綜合計算后的m值，但與檢測結(jié)果仍存在一定差異，推測其主要原因是依照規(guī)范計算時，只考慮了樁頂至影響范圍深度內(nèi)土層m值，并未考慮影響范圍深度以下樁身土層及樁端嵌入巖層部分。在今后的相關(guān)研究中，可對規(guī)范中m值的計算公式做進一步探討。

圖3 群樁承臺平面布置、剖面圖

2）群樁效應(yīng)綜合系數(shù)受設(shè)計方案、相關(guān)參數(shù)影響，存在較多不確定因素。案例根據(jù)管道彎頭走向設(shè)計承臺形狀、尺寸，在確定樁根數(shù)后計算出綜合系數(shù)影響參數(shù)。在承臺灌注樁整體抗滑穩(wěn)定計算中，樁徑、樁長可根據(jù)實際地質(zhì)條件選取，樁距、布樁形式可根據(jù)承臺尺寸限制及水平荷載的方向，利用試算法給出最優(yōu)值。利用承臺灌注樁替代水平鎮(zhèn)墩抗滑，既有效地利用了承臺-樁-土的協(xié)同整體作用，又可滿足施工方面的要求，在類似工程設(shè)計中不失為一種好的選擇方案。

［1］中國建筑標準設(shè)計研究院.給排水標準圖集—室外給水排水管道工程及附屬設(shè)施(一)［M］.北京：中國計劃出版社，2011.

［2］蔡忠祥，劉陜南，侯勝男.基于混凝土損傷模型的單樁水平承載性狀數(shù)值分析［J］.業(yè)建筑，2012，42（增刊）：303—307.

［3］中國建筑科學(xué)研究院.JGJ94-94，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995.

［4］中國建筑科學(xué)研究院.JGJ106-2014，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

［5］楊明，姚令侃，王廣軍.抗滑樁寬度與樁間距對樁間土拱效應(yīng)的影響研究［J］.巖土工程學(xué)報，2007，29（10）：1477—1482.

［6］張廣棟.水平荷載下雙排抗滑樁的排距對受力的影響［J］.山西建筑，2011，37（20）：79—80.