考慮負摩阻力的某泵站樁基礎設計

陸建君，陳偉平

(廣東粵水電勘測設計有限公司，廣東 佛山 528000)

樁受豎向荷載作用后，正常情況下樁側土體產生向下的位移，樁側土體相對樁體產生向上的摩阻力，是為正摩阻力。若樁側土體由于某種原因而發生下沉且其沉降速率大于樁本身下沉速率，樁側土就相對于樁身做向下的位移，從而使樁側土體對基樁產生向下的摩阻力，稱之為負摩阻力[1]。

在樁基計算的工程實踐中，負摩阻力計算是樁基豎向承載力計算的重點和難點，非常容易出錯。全面認識和正確計算樁側負摩阻力，是安全設計樁基礎的重要一環[4]。

1 工程概況

某泵站為新建排澇泵站工程，選址定于高明河內堤左岸，現東水閘上游，秀麗河入高明河的出口處，設計排水流量按27 m3/s。泵站采用堤后式布置，泵站軸線位于原東水閘上游約52 m，泵站軸線與堤軸線正交，采用正向進水正向出水的布置方式，機組采用1 600ZLB-3.9型半調節立式軸流泵3臺，配TL-20型10 kV、1 000 kW立式同步電動機，總裝機容量3 000 kW。副廠房布置在出水側，為3層框架結構。管理樓單獨布置主廠房右側空地上。順水流方向依次布置有進水渠、自動清污閘、進水前池、檢修閘及泵房、副廠房、出水箱涵、防洪閘、出水池等水工建筑物等。工程等別為Ⅲ等，規模屬中型，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級[5]。工程總平面布置如圖1所示。

泵房采用塊基型堤后式泵房，下部為整體現澆結構，上部為框架結構，縱向總長32.5 m，寬26.5 m，其中主廠房寬12.5 m。主要由進水室、進水流道層、水泵層、聯軸層、電機層及副廠房組成。副廠房布置在主廠房的出水側，寬7 m，為3層框架結構，總建造面積為：366 m2。泵房平面布置如圖1所示。

2 地質情況概述

2.1 地層分布

經鉆探揭露，場地地基由人工筑填土(Qs)、第四系三角洲海陸交互相沉積層(Qmc)、殘積土層(Qel)和下石炭統(C1)灰巖等組成。人工筑填土以滄江河堤填身土為主，第四紀三角洲海陸交互相沉積層主要由不同粒級砂土、淤泥質土(淤泥)、粉質粘土、粘土等組成，土層總厚25.50～43.20 m，與下伏風化基巖呈不整合接觸[6]。

2.2 地質參數

各巖土層力學指標推薦值見表1所示。

表1 樁的極限側阻力和樁的極限端阻力標準值一覽(按JGJ 94—2008規范)

3 樁基設計方案

根據巖土工程勘察報告，本項目建基面為淤泥質土。本項目離居民區較遠，要求在1個枯水期內完成工程施工，在汛期來臨之前發揮效益。由于工期緊，為加快施工速度，泵房及啟閉架采用預制樁基礎，其余采用攪拌樁處理方案。

根據泵房穩定計算，基底最大應力時為完建工況，計算成果泵房底板軸心豎向力Fk=46 976 kN，作用于底板中心的力矩Mk=41 000 kN·m，偏心矩e=Mk/Fk=0.87 m。預制管樁布樁順水流方向樁距為2～2.7 m不等距布置，垂直水流方向樁距2.1 m，這樣使的樁群形心點剛好與泵房豎向荷載作用點重合，即不產生偏心矩，泵房底總樁數：n=10×9=90條，具體布置如圖2所示，故基樁所需承擔的平均豎向力Nk=46 976/90=521.96 kN。

圖2 基礎處理平面示意

地質鉆孔CZK9位于泵房下，其地質勘察資料具有代表性，典型地質情況如圖3所示。

圖3 泵房段典型地質剖面示意(單位：高程m，長度mm)

根據地質勘察資料，泵房基礎設計選用PHC400A95型預應力管樁，采用D50型柴油錘打樁，要求最后30錘平均每10錘貫入度不大于30 mm，設計樁長為17.55 m，最終樁長由試樁確定。

4 負摩阻力的計算

由于底板面積較大，樁數較多，根據由土重所引起的樁周土平均自重豎向有效應力的計算起始高程不同，可分為樁群外圍樁和內部樁，外圍樁自地面高程算起；內部樁不受樁頂以上外圍填土的影響，樁周土平均自重從底板底面高程算起。根據總平面布置圖，泵房外圍地面高程為6.60 m，樁頂高程按泵房底板高程-4.71 m計。

產生負摩阻力的原因較多，因泵房建基面以下樁基穿越較厚的軟弱土層進入基巖，符合產生負摩阻力的條件，故應考慮計算樁側負摩阻力。計算負摩阻力的難點之一是確定樁側軟弱土層的下限深度l0。l0是指從樁頂起算起的樁周軟弱土層的下限深度，以樁周軟弱土層的底面為分界點，并不是整個樁身的長度。如果樁周存在巖石或者老黏土等不透水層，則以不透水層為分界點。一般來說，可將e≥1.0、Es≤5.0 MPa的土層視作軟弱土層。根據地質勘察資料(5)淤泥質土和(7)淤泥為軟弱土層，(6)細砂雖然壓縮模量較大，但夾于二層軟弱土層之間，亦并入軟弱土層計算，故計算樁周負摩阻力時軟弱土層下限深度應確定到(7)淤泥層底，以下為正常土層，如圖3所示。

4.1 外圍樁

1)確定樁周軟弱土層的下限深度l0

l0=3.95+3.3+3.8=11.05 m。

2)確定中性點深度ln

按照現行《建筑樁基技術規范》[7]5.4.4-2條及小注來確定中性點深度ln。根據地質勘察揭露的場地地層資料判斷，樁基的持力層為基巖，中性點深度比ln/l0可為1.0。

ln=1.0l0=1.0×11.05=11.05 m。

即計算下拉荷載的土層分別為(5)淤泥質土、(6)細砂和(7)淤泥。

3)確定負摩阻力系數ξn

預制樁為擠土樁，按照《建筑樁基技術規范》表5.4.4-1小注取較大值，即取淤泥質土ξn=0.25，細砂ξn=0.50，淤泥ξn=0.25。

(1)

根據工程經驗，泵房外地面均布活荷載p取20 kPa。取水的重度γw=10 kN/m3。

① -4.71～-8.66 m(淤泥質土段)

② -8.66～-11.96 m(細砂段)

③ -12.0～-16.49 m(淤泥段)

5)計算負摩阻力群樁效應系數ηn

預制管樁布樁順水流方向樁距為2～2.7 m不等距布置，取Sax=2.35 m；垂直水流方向樁距Say=2.1 m。

中性點以上樁周土層厚度加權平均重度γm：

負摩阻力群樁效應系數ηn：

7)計算單樁豎向承載力特征值Ra：

8)驗算基樁豎向承載力：

基樁豎向承載力滿足要求。

4.2 內部樁

同外圍樁，樁周軟弱土層的下限深度l0=11.05m，中性點深度ln=11.05m；負摩阻力系數淤泥質土ξn=0.25，細砂ξn=0.50，淤泥ξn=0.25；群樁效應系數ηn=1.0；單樁豎向承載力特征值Ra=1011.84 kN。

(2)

與外圍樁不同，內部樁不受樁頂上外圍填土的影響，樁周土平均自重豎向有效應力從底板底面高程算起。同理可得：

3)驗算基樁豎向承載力：

基樁豎向承載力滿足要求。

4.3 不考慮負摩阻力時單樁豎向承載力特征值Ra

4.4 計算成果及實施效果

4.4.1計算成果

樁基豎向承載力計算成果見表2所示。

表2 樁基豎向承載力計算成果 kN

考慮負摩阻力影響后，其樁基豎向承載力約為不考慮負摩阻力樁基豎向承載力的86%，下降14%；能擔的最大上部荷載僅為不考慮負摩阻力時的57.8%，大幅下降。設計時若不考慮負摩阻力，往往因設計樁長不足，導致樁基豎向承載力不足，極有可能引發工程質量事故。

4.4.2實施效果

4.5 幾點思考

1)現行《建筑樁基技術規范》JGJ 94—2008(以下簡稱《規范》)明確規定，計算樁周平均豎向有效應力時，樁群外圍樁自地面算起，內部樁自承臺底面算起。由于內部樁不受樁頂上外圍填土的影響，故內部樁下拉荷載比外圍樁小些。實際上設計人員很少按內部樁和外圍樁分開設計而選擇不同樁長或樁徑，一是因為樁基規范沒有規定如何劃分外圍樁和內部樁；二是因為通常情況下內部柱與外圍樁相差不是很大，分開設計則不利于施工。為了區分內部樁和外圍樁，建議將底板底面以上外圍填土作為附加荷載，參考《建筑地基處理技術規范》[8]將外圍填土附加荷載以壓力擴散角擴散(壓力擴散角θ=45°-φm/2，內摩擦角φm取樁周填土按厚度加權平均值)，若樁身在壓力擴散角范圍內，則按外圍樁處理；若樁身在壓力擴散角范圍以外，則按內部樁處理。

2)《規范》計算負摩阻力時未考慮樁型選擇和施工工藝的影響。按成樁方法，基樁可分為非擠土樁、部分擠土樁和擠土樁。相同的地質結構，選擇非擠土樁時對原地層力學參數影響很??；選擇擠土樁對，經過樁擠密、振動等作用，對原地層尤其是砂層的力學參數將產生有利影響，而《規范》未考慮這一點。

3)《規范》未考慮軟弱土層的流變影響。軟土在長期荷載作用下，除了產生排水固結引起的變形外，也會發生緩慢而長期的剪切變形，這對建筑物地基沉降有較大影響，對建筑物地基穩定性不利[9]。由于《規范》中未考慮軟弱土層的流變性因素，導致軟土對基樁產生的下拉荷載預估不充分，最終導致負摩阻力的計算結果偏小。

4)可通過提升樁身強度來提高樁基礎承載能力，以抵消因負摩阻力對樁基承載力帶來的不利影響[10-11]。

5 負摩阻力計算要點

在樁基的承載力計算過程中，樁側負摩阻力的計算特別容易出錯[12]?，F將計算負摩阻力時的注意要點總結如下：

① 計算下拉荷載時，首先要確定中性點深度ln，不能直接取全樁長進行計算。

② 中性點計算深度是從樁頂算起，而不是從地坪面算起。

⑥ 群樁效應系數ηn≤1；當計算值ηn>1時要取ηn=1進行計算。考慮群樁效應，在計算群樁的負摩阻力時，外圍樁的樁側土層平均豎向有效應力自地面算起，內部樁的樁側土層平均豎向有效應力自承臺底面算起。

⑦ 計算樁側負摩阻力時可不用考慮樁的大直徑尺寸效應修正。

一般情況下，在工程實踐中只要遵行以上計算要點，正確掌握計算方法和技巧，基本上可以避免樁側負摩阻力計算上的錯誤。

6 結語

在工程實踐中，當樁周土層產生的沉降大于樁基的沉降時，樁側負摩阻力計算是樁基豎向承載力計算的重點和難點，非常容易出錯。為方便設計和施工，建議根據樁身是否在外圍填土附加荷載擴散角范圍內作為外圍樁和內部樁劃分的依據。

樁基礎豎向承載設計對工程來說至關重要，設計人員要正確認識負摩阻力，掌握計算方法和技巧，以期達到理論計算與實際結果大致相符，安全性、經濟性和施工便利性兼顧的設計目標[13-14]。