較大水平荷載樁基在儲(chǔ)煤棚設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王董平，趙成光

(山西國(guó)辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)一礦選煤廠北封閉儲(chǔ)煤棚依山而建，東西方向最大高差約25m，采用鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，屋頂為三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，軸線尺寸142m×132m，跨度方向142m，建筑高度為64.569m，建筑面積18973m2，最大儲(chǔ)煤量20萬(wàn)t。現(xiàn)場(chǎng)回填土較厚，平均厚度為7～9m，排架柱間距6～12m，基礎(chǔ)采用嵌巖灌注樁，四樁承臺(tái)，樁徑1.2m，為減少工程造價(jià)，擋煤墻不設(shè)基礎(chǔ)，按深梁設(shè)計(jì)，兩側(cè)支承于排架柱及承臺(tái)，墻高5～8m，沿墻高方向均考慮堆煤荷載，再加上網(wǎng)殼水平推力，樁基承臺(tái)承受的最大水平荷載達(dá)到3200kN。

2 承受水平荷載基樁的計(jì)算方法

目前，關(guān)于受較大水平荷載作用的灌注樁基計(jì)算及設(shè)計(jì)尚不成熟，單樁水平承載力特征值主要停留在單樁水平靜載試驗(yàn)確定和經(jīng)驗(yàn)估算兩種方法，在《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)中都有詳細(xì)規(guī)定。

2.1 單樁水平承載力試驗(yàn)法

當(dāng)灌注樁的樁身配筋率大于等于0.65%時(shí)，單樁水平承載力由位移控制，可根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果取地面處水平位移為10mm(對(duì)于水平位移敏感的建筑物取水平位移6mm)所對(duì)應(yīng)的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。

當(dāng)灌注樁的樁身配筋率小于0.65%時(shí)，單樁水平承載力由樁身強(qiáng)度控制，可取單樁水平靜載試驗(yàn)的臨界荷載的75%作為單樁水平承載力特征值。

2.2 經(jīng)驗(yàn)估算法

當(dāng)灌注樁的樁身配筋率小于0.65%時(shí)，單樁水平承載力特征值由樁身強(qiáng)度控制，可以根據(jù)式(1)估算：

當(dāng)灌注樁的樁身配筋率不小于0.65%時(shí)，單樁水平承載力特征值由水平位移控制，可以根據(jù)式(2)估算：

當(dāng)采用群樁基礎(chǔ)時(shí)，灌注樁的水平承載力特征值應(yīng)考慮承臺(tái)、樁群、土相互作用產(chǎn)生的群樁效應(yīng)，將上面兩個(gè)公式算出的單樁水平承載力特征值乘以群樁效應(yīng)綜合系數(shù)，見(jiàn)式(3)：

Rh=ηhRha

(3)

樁的水平變形系數(shù)α(1/m)計(jì)算公式如下：

式中，m為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；rm為樁截面模量塑性系數(shù)；ft為樁身混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；Wo為樁身?yè)Q算截面受拉邊緣的截面模量；vM為樁身最大彎矩系數(shù)；νX為樁頂水平位移系數(shù)；ρg為樁身配筋率；An為樁身?yè)Q算截面積；ζN為樁頂豎向力影響系數(shù)，豎向壓力取0.5，豎向拉力取1.0；Nk為在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下樁頂?shù)呢Q向力，kN；EI為樁身抗彎剛度；χoa為樁頂允許水平位移，mm；bo為樁身計(jì)算寬度，mm。

根據(jù)規(guī)范附錄C，樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的主要影響深度為hm=2(d+1)，當(dāng)基樁側(cè)面為幾種土層組成時(shí)，應(yīng)求得hm范圍內(nèi)m值的計(jì)算值。

由以上敘述可知，單樁水平靜載試驗(yàn)是確定灌注樁基水平承載力特征值最直接有效的辦法，但試驗(yàn)周期長(zhǎng)，投資大，無(wú)法大量實(shí)驗(yàn)確定合理的樁基參數(shù)，公式估算仍是現(xiàn)階段樁基設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。由于計(jì)算公式復(fù)雜，影響因素眾多，對(duì)于承受較大水平荷載的樁基而言，公式中的確定各參數(shù)的取值及其對(duì)水平承載力的影響程度，是樁基設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 單樁水平承載力特征值影響參數(shù)分析

影響樁基單樁水平承載力特征值的參數(shù)主要有樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m、樁徑d、樁身配筋率ρg、樁身最大彎矩系數(shù)νM、樁頂豎向力Nk以及樁間距d等。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)水平荷載為長(zhǎng)期或經(jīng)常出現(xiàn)的荷載時(shí)，應(yīng)將m值乘以0.4降低采用。當(dāng)驗(yàn)算永久荷載控制的樁基水平承載力時(shí)，應(yīng)將式(1)計(jì)算所得的單樁水平承載力特征值乘以調(diào)整系數(shù)0.80；式(2)不調(diào)整。堆煤荷載為可變荷載，但考慮存在煤炭銷售不佳，從而導(dǎo)致儲(chǔ)煤棚內(nèi)煤炭長(zhǎng)時(shí)間滯留的可能性，所以計(jì)算時(shí)均執(zhí)行上述調(diào)整系數(shù)。

式(1)中存在樁頂豎向力Nk，當(dāng)Nk為拉力時(shí)，對(duì)單樁承載力特征值起不利作用；反之，Nk為壓力時(shí)，則起有利作用。儲(chǔ)煤棚樁基設(shè)計(jì)中，Nk均為壓力，不會(huì)產(chǎn)生拉力作用，分析時(shí)，暫取Nk=1kN進(jìn)行計(jì)算。

樁身最大彎距系數(shù)νM，當(dāng)單樁基礎(chǔ)和單排樁基縱向軸線與水平力方向相垂直時(shí)，按樁頂鉸接考慮；當(dāng)水平力方向非單排樁時(shí)，按樁頂固接考慮。

結(jié)合本工程地質(zhì)條件(詳見(jiàn)表1)，分別對(duì)不同參數(shù)影響下的單樁水平承載力特征值進(jìn)行分析比較。

表1 陽(yáng)煤一礦北儲(chǔ)煤棚地質(zhì)條件表

現(xiàn)分別取不同樁徑(600mm、800mm、1000mm、1200mm、1500mm)，比較樁身配筋率小于0.65%或大于等于0.65%時(shí)的單樁水平承載力特征值，m值按乘以0.4的調(diào)整系數(shù)取值，νM按αh=4鉸接取值，由于儲(chǔ)煤棚上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)支座水平位移敏感，樁水平位移允許值取6mm，結(jié)果如圖1所示。

圖1 m與Rh關(guān)系圖

由圖1可知，當(dāng)樁身配筋率ρg≥0.65%時(shí)，3條曲線幾乎重合，說(shuō)明此時(shí)提高配筋率對(duì)單樁承載力特征值Rh的貢獻(xiàn)有限。對(duì)于大直徑灌注樁而言，當(dāng)樁身ρg<0.65%時(shí)，基樁的單樁承載力特值乘以0.8的調(diào)整系數(shù)后與ρg≥0.65%時(shí)大小相當(dāng)，而此時(shí)的Rh由樁身強(qiáng)度控制，水平承載力無(wú)法得到充分發(fā)揮，所以水平荷載較大時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證樁身eg≥0.65%。

灌注樁樁身配筋率ρg≥0.65%，νM不同取值的Rh曲線如圖2所示。由圖2可以看出，樁頂固接可以使Rh計(jì)算值提高約260%，可見(jiàn)群樁基礎(chǔ)對(duì)提高單樁水平承載力特征值效果明顯。這與朱炳寅、婁宇在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析》中的設(shè)計(jì)建議相符，他們指出，對(duì)于承受水平荷載較大的灌注樁，應(yīng)盡量采用3樁以上的承臺(tái)的樁基礎(chǔ)，這樣可以通過(guò)樁的拉壓力形成的力偶消化承臺(tái)頂面的水平力和彎矩，有效提高基樁的水平承載力特征值[7]。

圖2 樁頂連接方式與Rh關(guān)系圖

灌注樁樁身配筋率ρg≥0.65%，νM按固接考慮，m分別正常取值、增大20%取值、增大50%取值時(shí)的Rh曲線如圖3所示。

圖3 m與Rh關(guān)系圖

由圖3可知，m值提高20%，可以使Rh計(jì)算結(jié)果提高11%；m值提高50%，可以使Rh計(jì)算結(jié)果提高27%，所以，樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m是基樁水平承載力特征值的重要影響參數(shù)。m為土層的自然屬性參數(shù)，即使同一類型土層在不同位置時(shí)，m的數(shù)值也是不同的，而m的具體取值是通過(guò)單樁水平靜載試驗(yàn)再計(jì)算得到，工程地質(zhì)報(bào)告中一般不會(huì)給出，在施工圖設(shè)計(jì)過(guò)程中只有參照樁基規(guī)范給出的取值范圍進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值。

當(dāng)采用群樁基礎(chǔ)時(shí)，樁間距d是影響群樁效應(yīng)影響系數(shù)ηh的重要因素，當(dāng)采用四樁承臺(tái)，垂直于水平力方向的樁間距為3d(規(guī)范要求最小樁間距)，沿水平力方向的樁間距s不同取值時(shí)的ηh值見(jiàn)表2。

表2 s、m與群樁效應(yīng)影響系數(shù)關(guān)系表

表2中，m值為承臺(tái)側(cè)向水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，m取值從15上升到25時(shí)，ηh計(jì)算結(jié)果可以提高7%～10%，樁側(cè)土的回填質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格控制，參照規(guī)范提供的m取值表，如回填料采用素混凝土或者灰土、級(jí)配砂石，并控制好壓實(shí)系數(shù)，則m值達(dá)到20以上是比較容易的。樁間距s不小于4d時(shí)，ηh基本上可以保證在2.0以上，s從4d變到6d時(shí)，ηh可以提高約20%，但樁距越大，承臺(tái)受力變大，經(jīng)濟(jì)性較差。

4 樁基彎矩及變位分析

儲(chǔ)煤棚上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)支座水平位移敏感，位移過(guò)大，會(huì)直接導(dǎo)致屋蓋安全隱患。支座水平位移主要由排架柱彎曲變形和樁基水平變位組成，現(xiàn)實(shí)工程中，支座位移一般按10mm控制，承臺(tái)變位按6mm控制。

經(jīng)過(guò)受力分析，樁基彎矩主要集中在樁頂5d范圍內(nèi)，最大值一般發(fā)生在距樁頂4～5d位置，所以，樁頂5d范圍內(nèi)的土層狀況以及承臺(tái)四周填土質(zhì)量對(duì)樁基水平變位影響至關(guān)重要。

5 工程實(shí)例分析

陽(yáng)煤一礦選煤廠北封閉儲(chǔ)煤棚工程柱下樁基采用四樁承臺(tái)，樁直徑1.2m，樁長(zhǎng)20m，沿水平力方向樁間距為4.8m，垂直于水平力方向樁間距3.6m，符合規(guī)范要求的最小樁間距要求。樁基混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，鋼筋采用HRB400級(jí)，縱向鋼筋保護(hù)層厚度為50mm，樁基承臺(tái)承受的最大水平荷載達(dá)到3200kN，最大單樁水平承載力特征值400kN。

該工程樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙類，施工前期進(jìn)行了單樁水平靜載原位試驗(yàn)，試驗(yàn)樁數(shù)4根，編號(hào)分別為SZ1、SZ2、SZ3、SZ4，試驗(yàn)方法采用單向多循環(huán)加載法。

加載分級(jí)進(jìn)行，荷載分級(jí)取設(shè)計(jì)水平承載力特征值的2倍的1/10，逐級(jí)等量加載，見(jiàn)表3。

表3 荷載分級(jí)取值表 kN

每級(jí)荷載施加后，恒載4min后，可測(cè)讀水平位移，然后卸載至零，停2min測(cè)讀殘余水平位移，至此完成一個(gè)加卸載循環(huán)。如此循環(huán)5次，完成一級(jí)荷載的位移觀測(cè)。試驗(yàn)不得中間停頓。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 基樁水平承載試驗(yàn)成果表

單樁水平靜載試驗(yàn)曲線如圖4所示，可以看出，按樁頂位移S=6mm進(jìn)行控制，單樁水平承載力可達(dá)400kN左右，比公式計(jì)算的結(jié)果略小，兩者的偏差由樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m理論取值和現(xiàn)實(shí)取值的誤差造成，但能夠使試驗(yàn)值和計(jì)算值偏差控制在10%～20%之間，符合度較好。

圖4 單樁水平靜載試驗(yàn)曲線

通過(guò)計(jì)算，樁基最大彎矩為250～280kN/m，發(fā)生位置約為距樁頂5.6m位置，該儲(chǔ)煤棚在設(shè)計(jì)中，對(duì)承臺(tái)四周2m范圍內(nèi)采用了3∶7灰土換填，壓實(shí)系數(shù)按0.96控制。最終計(jì)算結(jié)果顯示，承臺(tái)水平變位3～5mm，轉(zhuǎn)角變位0.5mm內(nèi)，位移控制較為理想。

6 結(jié) 論

1)當(dāng)樁基承受較大水平荷載時(shí)，盡量采用3樁及以上承臺(tái)的樁基礎(chǔ)，避免采用單樁或雙樁承臺(tái)的樁基礎(chǔ)。

2)為提高基樁的水平承載力特征值Rh，應(yīng)保證樁身配筋率ρg≥0.65%，但配筋率過(guò)大，對(duì)Rh的貢獻(xiàn)有限，建議樁身配筋率為0.7%左右最為經(jīng)濟(jì)合理。

3)合適的樁間距是提高群樁效應(yīng)影響系數(shù)ηh有效措施，垂直水平力方向樁間距只要滿足規(guī)范最小間距即可，沿水平力方向樁間距在4～5d之間時(shí)，可以使ηh控制在2.0～2.5之間，受力特性和經(jīng)濟(jì)性較好。

4)樁承臺(tái)周圍回填料應(yīng)采用素混凝土或攪拌流動(dòng)性水泥土，或采用灰土、級(jí)配砂石分層夯填，并控制壓實(shí)系數(shù)不小于0.96。這樣可以提高ηh值，并能有效控制樁基承臺(tái)變位。如果樁周土質(zhì)較差，可采用注漿等方式對(duì)樁頂5d范圍內(nèi)土質(zhì)進(jìn)行加強(qiáng)。

5)樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m是基樁水平承載力特征值的重要影響參數(shù)，煤礦的儲(chǔ)煤棚設(shè)計(jì)中，m應(yīng)按規(guī)范提供表格取值，并按永久荷載進(jìn)行0.4倍折減，算出的基樁水平承載力特征值Rh與單樁靜載試驗(yàn)出的結(jié)果較為相符。