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        擋水墻樁基承載力探討

        2022-12-02 07:08:02李津津張晉鋒金學(xué)洋
        水電與新能源 2022年9期
        關(guān)鍵詞:樁基承載力水平

        李津津,張晉鋒,金學(xué)洋

        (湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北武漢 430070)

        樁基承載力特征值一般采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》公式進(jìn)行估算,單樁極限承載力特征值根據(jù)樁側(cè)土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值兩個(gè)參數(shù)計(jì)算,由位移控制的單樁水平承載力特征值根據(jù)樁頂水平位移系數(shù)和樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,這些參數(shù)一般先采用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值,再根據(jù)試驗(yàn)樁進(jìn)行驗(yàn)證,得出承載力特征值是否滿足設(shè)計(jì)要求。

        1 工程概況

        1.1 結(jié)構(gòu)情況

        某倒虹吸進(jìn)水口擋墻采用底部混凝土外包管(3根)+中間空箱+頂部扶壁式結(jié)構(gòu),主要擋前池水,與前池分縫處設(shè)有止水,擋墻總高22.21 m,順?biāo)飨蜷L(zhǎng)20.4 m,寬21.3 m。基礎(chǔ)為矩形基礎(chǔ),樁型為鉆孔混凝土灌注樁,樁直徑120 cm,樁長(zhǎng)25 m,擋墻基底順?biāo)鞣较虿贾?排樁基,每排布置6根,樁中心間距為3.6 m,共36根樁,灌注樁混凝土強(qiáng)度采用C25。

        1.2 地形及地質(zhì)條件

        場(chǎng)地位于襄棗盆地腹地,崗、波狀平原地貌,出露的地層為上更新統(tǒng)琚灣組沖積層(Q3jal),巖性主要為灰褐色、黃褐色、褐黃色、紅褐色粘土,厚度大于40 m,土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 擋墻基底土體物理力學(xué)指標(biāo)

        2 承載力計(jì)算分析

        2.1 單樁豎向承載力特征值計(jì)算

        根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》,按土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,大直徑樁單樁豎向承載力特征值,采用公式[1]:

        式中:K為安全系數(shù);Quk為單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值;Qsk、Qpk分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;u為樁身周長(zhǎng);qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qpk為樁徑800 mm的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;ψsi、ψp分別為大直徑樁側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù);Ap為樁端面積。樁基最終沉降量按角點(diǎn)法計(jì)算。

        根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[1]計(jì)算大直徑單樁豎向承載力特征值為4 264 kN,在荷載4 100 kN時(shí),沉降值為4.6 mm。

        樁基上部擋墻結(jié)構(gòu)整體剛度較好,體型簡(jiǎn)單,可考慮承臺(tái)效應(yīng)確定其復(fù)合基樁的豎向承載力特征值,偏安全考慮,此部分作為安全儲(chǔ)備,在計(jì)算時(shí)沒有考慮。

        2.2 單樁水平承載力特征值計(jì)算

        根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》,樁的水平承載力由水平位移控制,且缺少單樁水平靜載試驗(yàn)資料時(shí),按照樁身配筋不小于0.65%的灌注樁單樁水平承載力特征值估算公式估算,計(jì)算采用公式[1]:

        式中:EI為樁身抗彎剛度,對(duì)于鋼筋混凝土樁,EI=0.85EcI0,其中Ec為混凝土彈性模量,I0為樁身換算截面慣性距;α為樁的水平變形系數(shù),;χ0a為樁頂允許水平位移;νx為樁頂水平位移系數(shù);b0為樁身的計(jì)算寬度,圓形樁直徑d>1 m時(shí),b0=0.9(d+1);m為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)。

        樁頂允許水平位移取6 mm[1],樁頂約束按照實(shí)際情況取固結(jié),樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值根據(jù)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值[1],取35和45兩種,考慮到水平荷載為經(jīng)常出現(xiàn)的荷載,乘以系數(shù)0.4降低使用,計(jì)算結(jié)果見表2。

        表2 單樁水平承載力特征值

        從計(jì)算結(jié)果可知,樁頂約束狀態(tài)和m值均對(duì)單樁水平承載力特征值有影響。樁頂在固結(jié)條件下和樁頂自由條件下,計(jì)算值相差較大。

        3 試驗(yàn)樁成果分析

        根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》,在工程樁施工前,設(shè)置了2根試驗(yàn)樁:第一根試驗(yàn)樁通過單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測(cè)單樁豎向承載力,驗(yàn)證鉆孔樁樁側(cè)摩阻力、樁端阻力等巖土參數(shù);第二根試驗(yàn)樁通過單樁水平靜載試驗(yàn)檢測(cè)單樁水平極限承載力,驗(yàn)證土抗力等巖土參數(shù)。

        3.1 單樁豎向靜載試驗(yàn)分析

        單樁豎向靜載試驗(yàn)采用堆載平臺(tái)作為加載反力裝置,試驗(yàn)采用慢速維持荷載法[2],即逐級(jí)加載,每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后再加下一級(jí)荷載,分級(jí)加至破壞。沉降桿沉降數(shù)據(jù)觀測(cè)與單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)分級(jí)同步進(jìn)行。單樁豎向靜載試驗(yàn)成果見圖1、圖2。

        試驗(yàn)加載到9 000 kN時(shí),Q-s曲線平緩,無明顯陡降段,總沉降量為9.63 mm,當(dāng)達(dá)到9 900 kN時(shí),Q-s曲線發(fā)生明顯的向下彎曲,總沉降量為28.37 mm。根據(jù)規(guī)范,該樁單樁豎向抗壓極限承載力取Q-s曲線發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值為極限值[2],即Qu=9 000 kN,單樁豎向抗壓承載力特征值按豎向抗壓極限承載力的50%取值[2],即為4 500 kN。單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表3 單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)結(jié)果匯總

        樁身壓縮產(chǎn)生的沉降始于加載初期,并伴隨于加載全過程;隨著荷載的增加,樁身壓縮產(chǎn)生的沉降減弱,樁底沉降與樁頂沉降近似一致,樁身完好,樁身彈性壓縮量較小,樁身以側(cè)摩阻力為主,端阻力為輔。

        3.2 單樁水平靜載試驗(yàn)分析

        單樁水平靜載試驗(yàn)采用千斤頂施加水平力,反力結(jié)構(gòu)通過混凝土塊傳遞到坑壁來實(shí)現(xiàn),加載選用單向多循環(huán)加載法[2],加載到破壞時(shí),終止加載。單樁水平靜載試驗(yàn)成果曲線見圖3。

        試驗(yàn)加載到780 kN時(shí)H-Y0曲線平緩,無明顯陡降段,H-Y0曲線呈平緩規(guī)則排列,總位移量為9.63 mm,當(dāng)達(dá)到910 kN時(shí),H-Y0曲線發(fā)生明顯的向下彎曲,總位移量為42.71 mm。由于樁頂水平位移允許值為6 mm,因此,該試驗(yàn)樁單樁水平承載力特征值取設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高處水平位移6 mm所對(duì)應(yīng)荷載的0.75倍[2],即515 kN。單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果見表4。

        表4 單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總

        4 試驗(yàn)成果與計(jì)算值對(duì)比分析

        通過單樁豎向靜載試驗(yàn)測(cè)得單樁豎向抗壓承載力特征值為4 500 kN,大于計(jì)算承載力特征值4 264 kN,4 500 kN荷載下,單樁豎向靜載試驗(yàn)中,4 500 kN荷載下沉降總量為2.77 mm,小于設(shè)計(jì)荷載下計(jì)算值4.6 mm,試壓樁樁身以側(cè)摩阻力為主,說明襄棗盆地腹地(Q3jal)硬塑狀粘土樁側(cè)摩阻力大于42 kPa,計(jì)算取值偏安全,設(shè)計(jì)樁徑及樁長(zhǎng)滿足豎向承載力及沉降要求。

        單樁水平靜載試驗(yàn)測(cè)得單樁水平承載力特征值為515 kN,大于樁頂自由條件下兩次計(jì)算值,小于樁頂固結(jié)狀態(tài)下兩次計(jì)算值。經(jīng)分析,試驗(yàn)樁樁頂是自由的,在相同的樁頂約束條件下,水平承載力特征值檢測(cè)值大于計(jì)算值,說明實(shí)際樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值比計(jì)算時(shí)采用的m值(乘以系數(shù)0.4降低使用)大。

        水平承載力試驗(yàn)特征值小于樁頂固結(jié)條件下計(jì)算值,所以產(chǎn)生差異的重要原因之一就是設(shè)計(jì)假定的邊界條件固結(jié)與試驗(yàn)時(shí)的邊界條件自由不同而造成,采用經(jīng)驗(yàn)公式估算單樁水平承載力特征值時(shí),樁頂?shù)募s束情況(自由,鉸接、還是固結(jié))對(duì)計(jì)算結(jié)果影響非常大,大約有2.6~3.2倍差異[3]。如果設(shè)計(jì)要求樁端與承臺(tái)連接是固結(jié)的,那么一般工程設(shè)計(jì)單樁水平承載力設(shè)計(jì)值建議按樁頂自由端檢測(cè)實(shí)測(cè)值的1.5倍取值[4]。

        通過現(xiàn)場(chǎng)的單樁水平載荷試驗(yàn),測(cè)定樁側(cè)土體的m值為43,根據(jù)規(guī)范,對(duì)于灌注樁,可塑、硬塑狀黏性土的m值參考取值范圍在35~100,而通過本次分析可知,襄棗盆地腹地(Q3jal)硬塑狀粘土可以取值35~43之間。

        使用單樁水平載荷試驗(yàn)測(cè)定樁側(cè)土體m值43,并乘以系數(shù)0.4后,重新計(jì)算承載力特征值,按照樁頂固結(jié)條件,計(jì)算得到單樁水平承載力特征值為771 kN,大于之前計(jì)算值,說明之前計(jì)算取值是偏安全的。

        本次單樁水平靜載試驗(yàn)時(shí),沒有考慮豎向荷載影響,根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》,如果考慮樁頂豎向荷載作用,樁頂荷載是壓力,其水平承載力增加[2],根據(jù)有關(guān)研究,單樁水平承載力隨著樁頂豎向荷載的增加而增大,呈現(xiàn)了冪函數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系[5],在本工程設(shè)計(jì)豎向荷載下,單樁水平承載力臨界值會(huì)增加64 kN,由于本工程單樁水平承載力特征值以設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高處水平位移6 mm來控制,豎向荷載對(duì)單樁水平承載力載力特征值增加影響有限,此部分影響作為安全儲(chǔ)備,在設(shè)計(jì)時(shí)不予考慮。

        5 提高樁基承載力的工程措施

        根據(jù)前述分析,為確保樁基實(shí)際承載力達(dá)到設(shè)計(jì)值,樁頂與承臺(tái)之間的連接需要采用一些構(gòu)造措施加強(qiáng)樁頂約束,保證樁頂?shù)墓探Y(jié):①裝頭嵌入上部承臺(tái)10 cm,加強(qiáng)樁頂與承臺(tái)的固結(jié);②樁身縱筋全部錨入承臺(tái)1 m長(zhǎng),加強(qiáng)樁頂與承臺(tái)的固結(jié);③在承臺(tái)底部設(shè)置縱橫暗梁[4],暗梁雙向配筋,并配置箍筋,通過暗梁將深入承臺(tái)內(nèi)的基樁聯(lián)系起來。通過上述措施可提高樁基水平承載力。同時(shí)通過后注漿,加固樁底和樁周一定范圍的土體,提高土體的地基反力系數(shù),從而達(dá)到提高承載力,減少變形的目的[6],增強(qiáng)樁的質(zhì)量穩(wěn)定性。

        6 結(jié) 語

        同時(shí)承受水平力荷載和豎向荷載的樁基,通過規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算,可為樁基布置提供初步依據(jù),再通過試驗(yàn)樁驗(yàn)證計(jì)算,為工程樁提供依據(jù)。單樁水平力承載特征值受樁型、截面、剛度、入土深度、地層巖性、樁頂容許水平位移和樁頂嵌固等因素影響。特別是試驗(yàn)樁進(jìn)行水平荷載試驗(yàn)時(shí),樁頂自由狀態(tài)與工程實(shí)際樁頂?shù)那豆虪顟B(tài)不一致,得出的承載力特征值需進(jìn)行換算。通過采取工程措施,可加強(qiáng)樁頂約束,保證樁頂固結(jié),提高樁周土體的地基反力系數(shù),進(jìn)而提高樁基承載力。

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