潘文祥，胡樟生，李高會(huì)

(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(lái)，我國(guó)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(duì)設(shè)計(jì)方法及標(biāo)準(zhǔn)的要求很?chē)?yán)格，因此，按國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成了海外工程能否順利推進(jìn)的根本要求。海外項(xiàng)目地質(zhì)條件往往較復(fù)雜，建筑許可不能輕易變動(dòng)，所以，建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)經(jīng)常會(huì)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(xiàng)目初期往往不具備對(duì)樁基進(jìn)行靜載荷試樁或者動(dòng)載試樁的條件，根據(jù)土力學(xué)試驗(yàn)得到的土力學(xué)參數(shù)對(duì)樁基承載力特征值進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(jì)，介紹了混凝土灌注樁側(cè)阻力按美標(biāo)計(jì)算的要求及方法，為類(lèi)似海外工程樁基設(shè)計(jì)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(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠(chǎng)房、下水庫(kù)和開(kāi)關(guān)站等組成。上水庫(kù)正常蓄水位為207.8 m，死水位為185.6 m。下水庫(kù)正常蓄水位為-215.0 m，死水位為-235.75 m。輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)3 269.86 m，包括引水系統(tǒng)長(zhǎng)1 512.02 m和尾水系統(tǒng)長(zhǎng)1 757.84 m。

下水庫(kù)采用全庫(kù)盆土工膜防滲，庫(kù)底排水系統(tǒng)高程為-236.75 m。下庫(kù)進(jìn)/出水口位于庫(kù)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(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)，Marl層不排水條件下的剪切強(qiáng)度Cu≈140 kPa(見(jiàn)圖1、表1)。

圖1 下庫(kù)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(mǎn)足如下要求(見(jiàn)表2)。

表2 抗浮設(shè)計(jì)要求

3 荷載計(jì)算

按照進(jìn)出水口結(jié)構(gòu)縫位置，抗浮設(shè)計(jì)荷載計(jì)算時(shí)將進(jìn)水口分為Part Ⅰ～Part Ⅳ(見(jiàn)圖2、圖3)共4塊進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，檢修工況各塊的抗浮安全系數(shù)列于表3中(見(jiàn)表3)。Part I和Part II抗浮安全系數(shù)不滿(mǎn)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(mǎn)足業(yè)主要求，無(wú)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(jì)算

由于此進(jìn)/出水口開(kāi)挖體型已通過(guò)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(guò)增加進(jìn)/出水口自身結(jié)構(gòu)重量來(lái)滿(mǎn)足抗浮要求不現(xiàn)實(shí)，擬在進(jìn)/出水口底板設(shè)置直徑為900 mm的灌注樁來(lái)解決其抗浮問(wèn)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(jì)算成果的小值，且側(cè)阻力在無(wú)載荷試驗(yàn)論證時(shí)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(jì)算

對(duì)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(jì)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(jiàn)圖4)；C為由快剪試驗(yàn)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(xiàn)

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(jì)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(jì)算方法一致。

砂性土中樁與土間的摩擦力隨深度線(xiàn)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(duì)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(shí)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(zhǎng)變化如下所示(見(jiàn)圖5)。

圖5不排水與排水條件樁側(cè)阻力計(jì)算成果

5 抗浮樁設(shè)計(jì)

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(jì)樁長(zhǎng)、樁數(shù)以及群樁面積、單樁面積總和如下所示(見(jiàn)表5)。

表5 各部位樁長(zhǎng)、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(jì)。

5.2 地震工況

豎向地震作用同時(shí)改變浮力及向下的荷載作用，故豎向地震作用對(duì)樁的抗浮設(shè)計(jì)無(wú)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(huì)改變樁軸力分布。對(duì)于地震工況樁受力計(jì)算采用美國(guó)Ensoft公司Group軟件計(jì)算，土體采用非線(xiàn)性P—Y曲線(xiàn)模擬。水平群樁效應(yīng)通過(guò)P—Y曲線(xiàn)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(jiàn)圖6)。計(jì)算模型如下所示(見(jiàn)圖7，以Part III為例)，各排樁的P值取值及計(jì)算成果如下所示(見(jiàn)表6～7)，從表7知各分塊樁與土之間的側(cè)阻力滿(mǎn)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(jì)算模型

表7 地震工況各分塊樁基計(jì)算成果

6 結(jié) 語(yǔ)

樁基設(shè)計(jì)包括樁基布置、樁基承載能力計(jì)算等內(nèi)容。美標(biāo)對(duì)樁基承載能力計(jì)算需同時(shí)考慮土體排水與不排水條件，不同排水條件側(cè)阻力計(jì)算時(shí)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(jì)中，在樁基布置時(shí)需綜合考慮樁長(zhǎng)與樁間距，兼顧水平與豎直向群樁效應(yīng)，以求樁距，樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)合理、經(jīng)濟(jì)。按照上述方法進(jìn)行的樁基設(shè)計(jì)解決了該工程進(jìn)水口抗浮問(wèn)題，滿(mǎn)足國(guó)外咨詢(xún)審批要求。