潘文祥，胡樟生，李高會

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122)

關(guān)鍵字：美標(biāo)；灌注樁；側(cè)阻力；抗浮；粘性土；砂性土；群樁效應(yīng)

0 引 言

近年來，我國水利行業(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，對設(shè)計方法及標(biāo)準(zhǔn)的要求很嚴(yán)格，因此，按國外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計成了海外工程能否順利推進的根本要求。海外項目地質(zhì)條件往往較復(fù)雜，建筑許可不能輕易變動，所以，建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)經(jīng)常會在限定的區(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，但海外項目初期往往不具備對樁基進行靜載荷試樁或者動載試樁的條件，根據(jù)土力學(xué)試驗得到的土力學(xué)參數(shù)對樁基承載力特征值進行數(shù)值計算是不可避免的。本文結(jié)合某一海外水電工程進水口底板抗浮設(shè)計，介紹了混凝土灌注樁側(cè)阻力按美標(biāo)計算的要求及方法，為類似海外工程樁基設(shè)計提供了參考。

1 工程概況

某抽水蓄能電站引水系統(tǒng)采用一洞兩機的布置方式，工程主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫和開關(guān)站等組成。上水庫正常蓄水位為207.8 m，死水位為185.6 m。下水庫正常蓄水位為-215.0 m，死水位為-235.75 m。輸水系統(tǒng)總長3 269.86 m，包括引水系統(tǒng)長1 512.02 m和尾水系統(tǒng)長1 757.84 m。

下水庫采用全庫盆土工膜防滲，庫底排水系統(tǒng)高程為-236.75 m。下庫進/出水口位于庫底，座落于Marl(粘性土)層中，進水口底板高程為-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)場十字板剪切試驗，Marl層不排水條件下的剪切強度Cu≈140 kPa(見圖1、表1)。

圖1 下庫進出水口地質(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)滿足如下要求(見表2)。

表2 抗浮設(shè)計要求

3 荷載計算

按照進出水口結(jié)構(gòu)縫位置，抗浮設(shè)計荷載計算時將進水口分為Part Ⅰ～Part Ⅳ(見圖2、圖3)共4塊進行計算。

經(jīng)過計算，檢修工況各塊的抗浮安全系數(shù)列于表3中(見表3)。Part I和Part II抗浮安全系數(shù)不滿足業(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，滿足業(yè)主要求，無需抗浮措施。

圖2進水口樁基平面布置

圖3進水口樁基縱剖面

4 側(cè)阻力計算

由于此進/出水口開挖體型已通過業(yè)主工程師審批且加大進/出水口尺寸需挖除部分大壩坡腳，故通過增加進/出水口自身結(jié)構(gòu)重量來滿足抗浮要求不現(xiàn)實，擬在進/出水口底板設(shè)置直徑為900 mm的灌注樁來解決其抗浮問題。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)的計算成果的小值，且側(cè)阻力在無載荷試驗論證時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)阻力計算

對于粘性土，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)，是土體不排水剪強度的函數(shù)，可按圖4查得(見圖4)；C為由快剪試驗得出不排水剪強度。

圖4α值與不排水剪強度關(guān)系曲線

根據(jù)不排水剪強度Cu=140 kPa (=1.46TSF, TSF為美標(biāo)強度單位，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)阻力計算方法一致。

砂性土中樁與土間的摩擦力隨深度線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)阻力隨樁長變化如下所示(見圖5)。

圖5不排水與排水條件樁側(cè)阻力計算成果

5 抗浮樁設(shè)計

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)計樁長、樁數(shù)以及群樁面積、單樁面積總和如下所示(見表5)。

表5 各部位樁長、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。

5.2 地震工況

豎向地震作用同時改變浮力及向下的荷載作用，故豎向地震作用對樁的抗浮設(shè)計無影響，但作用在進水口邊墻上的附加土壓力及附加水壓力產(chǎn)生的彎矩會改變樁軸力分布。對于地震工況樁受力計算采用美國Ensoft公司Group軟件計算，土體采用非線性P—Y曲線模擬。水平群樁效應(yīng)通過P—Y曲線中P值折減考慮，P值按文獻[5]研究成果，根據(jù)樁徑、樁間距查圖6確定(見圖6)。計算模型如下所示(見圖7，以Part III為例)，各排樁的P值取值及計算成果如下所示(見表6～7)，從表7知各分塊樁與土之間的側(cè)阻力滿足規(guī)范要求。

圖6不同位置樁基P值折減系數(shù)

圖7 Part III計算模型

表7 地震工況各分塊樁基計算成果

6 結(jié) 語

樁基設(shè)計包括樁基布置、樁基承載能力計算等內(nèi)容。美標(biāo)對樁基承載能力計算需同時考慮土體排水與不排水條件，不同排水條件側(cè)阻力計算時需用相應(yīng)的土體參數(shù)，最終取兩者低值。在具體工程設(shè)計中，在樁基布置時需綜合考慮樁長與樁間距，兼顧水平與豎直向群樁效應(yīng)，以求樁距，樁長設(shè)計合理、經(jīng)濟。按照上述方法進行的樁基設(shè)計解決了該工程進水口抗浮問題，滿足國外咨詢審批要求。