群樁基礎在老白沙灘泵站扶臂式擋土墻中的應用

許經宇，韓冬梅

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

在建筑物樁基礎設計中，往往是由多根樁形成的群樁。群樁效應是指由摩擦樁組成的群樁，在豎向荷載作用下，其承臺底面土、樁間土、樁端以下土都參與工作，形成承臺、樁、土相互影響共同作用。這種結構可以同時解決三維空間多向應力失穩問題。在水利工程設計中，往往遇到地質條件不能滿足設計要求，尤其是對豎向和水平位移量要求嚴格的建筑物，群樁基礎可以從經濟、施工難易程度等方面達到良好的效果，使得其應用廣泛。本文通過對老白沙灘泵站前池扶臂式擋土墻基礎處理的研究，在水平穩定和承臺變位計算的基礎上，確定采用混凝土灌注樁與底板整澆為承臺結構的群樁基礎，提出了布置方案，目前通過施工期和運行期近兩年的觀測，各項位移量均控制在合理范圍內。

1 工程概況及存在問題

老白沙灘泵站是吉林西部供水工程中的一個生態供水泵站。泵站設計流量11.0m3/s，設計揚程12.00m，總裝機1890kW。建筑物由前池、進水池、主泵房、副廠房、出水池、尾渠、安裝間和變電站等幾部分組成。其中前池扶臂式擋土墻墻高14.5m，踵板長2.5m，趾板長8.0m，單榀最長20m。擋土墻基礎坐落在黃土狀壤土層上，地基承載力170kPa，內摩擦角22°，凝聚力6kPa，摩擦系數0.3。

在擋土墻穩定計算中發現，基礎平均應力為224.2kPa，大于地基承載力，地基承載力不滿足要求，基礎抗滑安全系數為0.786，小于允許安全系數1.25。該處擋土墻在承載力和抗滑穩定兩個方面均不滿足穩定要求。

2 群樁基礎處理的方案設計

2.1 方案選擇

改變擋土墻體形和填土指標等措施只能有限的提高穩定系數，因此考慮對擋土墻基礎進行處理，以達到穩定要求。砂礫石換基方案需增加擋土墻踵板長度并對壤土基礎進行換填，由于擋土墻建基高程低于地面14m，若再進行開挖換基，基坑深度特別大，開挖土方量巨大，同時存在邊坡失穩等安全隱患，工程經濟性和施工安全性等方面均差于混凝土灌注樁方案。

灌注樁方案：采用實心混凝土圓形截面樁，直徑0.8m，單根樁樁長15m，樁距(圓心距離)3.0m，采用分排錯落布置。灌注樁的布置型式如圖1、2所示。施工時將樁頂鋼筋伸入底板，形成承臺，從而形成由承臺、樁群、土體相互作用的群樁效應。

圖1 擋土墻樁基礎剖面圖

圖2 擋土墻樁基礎平面圖

2.2 群樁基礎設計的計算方法

2.2.1 樁基礎豎向承載力的計算

樁基礎豎向承載力計算：

Nk≤R，且Nkmax≤1.2R

單樁豎向極限承載力標準值計算：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中，Nk—荷載軸心豎向力作用下，基樁的平均豎向力；Nkmax—荷載偏心豎向力作用下樁頂最大豎向力；R—基樁豎向承載力特征值；qsik—樁側第i層土的極限側阻力標準值，kPa；qpk—極限端阻力標準值，kPa；u—樁身周長；li—樁周第i層土的厚度；Ap—樁端面積。

2.2.2 群樁效應的抗滑計算

水工建筑物抗滑穩定計算多為安全系數法，即計算滑移力與阻滑力的比值與規定的安全系數比較從而判定其穩定性。在群樁基礎計算中，引入位移控制理論，根據計算對象的位移敏感程度對樁基礎和底板形成的承臺位移量加以控制，從而計算群樁水平承載力特征值，并根據位移量、轉角量等繪制彎矩圖和剪力圖。群樁主要有4種效應：

(1)相互影響效應ηi：該效應主要是考慮樁數增減導致樁距的改變，其垂直作用力方向的影響要遠遠大于平行作用力的方向。

(2)樁頂約束效應ηr：群樁中的單根樁與底板承臺的約束，可以看作是弱于固接又強于鉸接的連接方式，該方式不僅可以有效的減小連接處的彎矩，還可以限制承臺的水平位移。

(3)承臺土體抗力效應ηl：承臺側面受位移反向的土體抗力。

(4)承臺摩阻效應ηb：承臺底面與土體的摩阻力，值得注意的是考慮地震作用時，不計該效應。

群樁基礎水平承載力特征值計算：

Rh=ηhRha

(2)

ηh=ηiηr+ηl+ηb

(3)

(4)

式中，Rh—樁基水平承載力特征值；ηh—群樁效應綜合系數；ηi—樁的相互影響效應系數；ηr—樁頂約束效應系數；ηl—承臺側向土抗力效應系數；ηb—承臺底摩阻效應系數；χ0a—樁頂(承臺)水平位移允許值，采用10mm位移控制和敏感結構物6mm位移控制；νx—樁頂水平位移系數；α—樁的水平變形系數。

2.3 計算成果及分析

2.3.1 豎向承載力的計算成果及分析

經計算，Nk=1068kN≤R=1256kN，且Nkmax=1424kN≤1.2R=1507kN，滿足設計要求。群樁基礎解決了豎向承載力不足的問題。

2.3.2 抗滑穩定的計算成果及分析

抗滑穩定的計算成果見表1、2。

表1 抗滑穩定計算成果表

表2 承臺變位和樁體應力計算成果表

擋土墻水平位移量采用6mm控制，群樁效應應力為584.3kN，抗滑穩定系數可以達到1.33，已經滿足規范要求。理論計算水平位移值5.9mm，接近控制指標，如圖3所示。

圖3 1#樁應力計算圖

2.4 水平位移觀測成果

擋土墻墻后填土至設計高程后，對其進行了7個月的位移量觀測，如圖4所示。4個觀測點測得的水平位移量均不超過3mm，豎向沉降量累計數值為6mm、7mm、7mm、4mm。從目前的觀測結果可以看出，群樁基礎在三維位移量的控制方面起到了很好的作用，基本達到了工程設計的預期效果。

3 結語

老白沙灘泵站扶臂式擋土墻群樁基礎的使用，同時解決了擋土墻的承載力不足及基礎不穩定的問題，通過施工期和運行期近兩年的觀測，運行情況良好，這為其他類似工程提供了可靠的參考。通過本次設計，作者認為群樁基礎設計需要注意以下兩點：

(1)通過對擋土墻的觀測，發現其水平位移量較計算值偏低(部分位移量為幾乎0)，這是由于安全系數和基底摩擦系數以及土體指標的選取存在一定的安全儲備，導致計算數值相對保守。

(2)群樁基礎的適用條件，水平力產生彎矩很大的情況和樁基只有一排且作用力與各樁連線方向垂直的情況不適用。