擋水墻樁基承載力探討

李津津，張晉鋒，金學(xué)洋

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，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)值兩個參數(shù)計算，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)兩個參數(shù)進行計算，這些參數(shù)一般先采用規(guī)范經(jīng)驗值，再根據(jù)試驗樁進行驗證，得出承載力特征值是否滿足設(shè)計要求。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)情況

某倒虹吸進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L20.4 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，灌注樁混凝土強度采用C25。

1.2 地形及地質(zhì)條件

場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 承載力計算分析

2.1 單樁豎向承載力特征值計算

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；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法計算。

根據(jù)經(jīng)驗公式［1］計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，沉降值為4.6 mm。

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

2.2 單樁水平承載力特征值計算

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資料時，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，計算采用公式［1］：

式中：EI為樁身抗彎剛度，對于鋼筋混凝土樁，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為樁身的計算寬度，圓形樁直徑d＞1 m時，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，計算結(jié)果見表2。

表2 單樁水平承載力特征值

從計算結(jié)果可知，樁頂約束狀態(tài)和m值均對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，計算值相差較大。

3 試驗樁成果分析

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

3.1 單樁豎向靜載試驗分析

單樁豎向靜載試驗采用堆載平臺作為加載反力裝置，試驗采用慢速維持荷載法［2］，即逐級加載，每級荷載達到相對穩(wěn)定后再加下一級荷載，分級加至破壞。沉降桿沉降數(shù)據(jù)觀測與單樁豎向抗壓靜載荷試驗分級同步進行。單樁豎向靜載試驗成果見圖1、圖2。

試驗加載到9 000 kN時，Q－s曲線平緩，無明顯陡降段，總沉降量為9.63 mm，當(dāng)達到9 900 kN時，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對應(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結(jié)果見表3。

表3 單樁豎向抗壓靜載荷試驗結(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 單樁水平靜載試驗分析

單樁水平靜載試驗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現(xiàn)，加載選用單向多循環(huán)加載法［2］，加載到破壞時，終止加載。單樁水平靜載試驗成果曲線見圖3。

試驗加載到780 kN時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)達到910 kN時，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，該試驗樁單樁水平承載力特征值取設(shè)計樁頂標(biāo)高處水平位移6 mm所對應(yīng)荷載的0.75倍［2］，即515 kN。單樁水平靜載試驗結(jié)果見表4。

表4 單樁水平靜載試驗結(jié)果匯總

4 試驗成果與計算值對比分析

通過單樁豎向靜載試驗測得單樁豎向抗壓承載力特征值為4 500 kN，大于計算承載力特征值4 264 kN，4 500 kN荷載下，單樁豎向靜載試驗中，4 500 kN荷載下沉降總量為2.77 mm，小于設(shè)計荷載下計算值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，計算取值偏安全，設(shè)計樁徑及樁長滿足豎向承載力及沉降要求。

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

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

通過現(xiàn)場的單樁水平載荷試驗，測定樁側(cè)土體的m值為43，根據(jù)規(guī)范，對于灌注樁，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測定樁側(cè)土體m值43，并乘以系數(shù)0.4后，重新計算承載力特征值，按照樁頂固結(jié)條件，計算得到單樁水平承載力特征值為771 kN，大于之前計算值，說明之前計算取值是偏安全的。

本次單樁水平靜載試驗時，沒有考慮豎向荷載影響，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(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)增長關(guān)系［5］，在本工程設(shè)計豎向荷載下，單樁水平承載力臨界值會增加64 kN，由于本工程單樁水平承載力特征值以設(shè)計樁頂標(biāo)高處水平位移6 mm來控制，豎向荷載對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備，在設(shè)計時不予考慮。

5 提高樁基承載力的工程措施

根據(jù)前述分析，為確保樁基實際承載力達到設(shè)計值，樁頂與承臺之間的連接需要采用一些構(gòu)造措施加強樁頂約束，保證樁頂?shù)墓探Y(jié)：①裝頭嵌入上部承臺10 cm，加強樁頂與承臺的固結(jié)；②樁身縱筋全部錨入承臺1 m長，加強樁頂與承臺的固結(jié)；③在承臺底部設(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)，從而達到提高承載力，減少變形的目的［6］，增強樁的質(zhì)量穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語

同時承受水平力荷載和豎向荷載的樁基，通過規(guī)范經(jīng)驗值計算，可為樁基布置提供初步依據(jù)，再通過試驗樁驗證計算，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。特別是試驗樁進行水平荷載試驗時，樁頂自由狀態(tài)與工程實際樁頂?shù)那豆虪顟B(tài)不一致，得出的承載力特征值需進行換算。通過采取工程措施，可加強樁頂約束，保證樁頂固結(jié)，提高樁周土體的地基反力系數(shù)，進而提高樁基承載力。