嵌岩桩墩混合基础设计方法探讨

2016-12-07谭望庭何喜洋

广东建材 2016年11期

关键词：烟囱桩基础计算结果

谭望庭何喜洋汪　浩

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司）

嵌岩桩墩混合基础设计方法探讨

谭望庭何喜洋汪浩

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司）

本文探讨了基岩埋藏较浅但起伏较大时，采用嵌岩桩墩混合基础的设计方法，并以实际工程为例，对比分析了各计算方法的优劣，提出了设计中应特别注意的事项，供同类工程参考。

嵌岩；桩基础；墩基础；水平力；烟囱

1　引语

桩基础是建构筑物最常见的基础形式之一，广泛应用于上覆软弱土层较厚或其他浅层地基土质不良、采用浅基础不能满足承载力和地基变形要求的情况。长期的实践证明，桩基础传力途径明确，设计计算相对简单，能很好地满足建(构)筑物稳定性、可靠性和安全性的需要，且已取得了很好的经济效益。

工程实践中，我们会遇到以下地质情况：浅层土层承载力较低，其下持力岩层较浅但高低起伏较大。在这种情况下，一般有两种方案可供选择：一是采用天然基础方案，这种方案需要大开挖，在总体挖深较浅的时候可以采用，若总体挖深较深才能到达岩面，则会导致投资和施工安全风险大大增加；二是采用桩基础方案，在总体挖深偏深的情况下，我们一般会采用桩基础。

本文拟以国内某电厂烟囱为例，讨论上述情况下的桩基础方案。

2　工程概况

国内某电厂为2×350MW机组，烟囱选用一座210m高单钢内筒套筒式烟囱，外筒高204m，筒首外直径11.5m，外筒坡度0～60m为4.0%，60～120m为3.0%，120～204m为0.0%，钢内筒为分段悬挂式，直径为7.8m，共布置6层钢平台,70m平台及以下设置1部电梯，如图1。本工程地震烈度为6度，基本风压为0.55kPa。采用51YC无忧烟囱计算软件（V3.0版）计算上部结构，得到用于基础设计的±0.000标高处的最不利组合内力为：

基本组合：

标准组合：

该工程所在场地自上而下地质分布依次为红粘土、微风化白云质灰岩、微风化白云质灰岩埋深较浅但起伏较大，《岩土勘察报告》中显示，烟囱区域一共7个钻孔，微风化岩面埋深位于地下6.3～12m不等，平均埋深约为9.5m，综合考虑了经济性及安全性两方面，本工程采用了直径1m冲孔灌注桩基础，桩端支承在微风化白云质灰岩上。承台采用环板，外环直径为29m，内环直径为11m，埋深4.5m，h=3.0m，h=2.0m。

图1　烟囱立面布置

图2　桩基平面布置图

3　设计分析

根据前述介绍可知，本工程桩基础的基桩长度为2.8～8.5m，属于桩墩并存，对于桩和墩基础的定义和分界，《建筑地基基础设计规范》和《建筑桩基技术规范》里均没有明确规定，在《全国民用建筑工程设计技术措施2003版》（结构专业）中，第3.11.1-5条规定：人工挖孔桩的桩长不宜大于40m，亦不宜小于6m，桩长小于6m的按墩基础考虑，桩长虽大于6m，但L/D＜3时，亦按墩基计算。此条文主要针对人工挖孔桩，本工程参照了此条规定：桩长小于6m按墩基础设计，桩长大于等于6m按桩基础设计。

基于本工程桩墩混合基础的特殊性，有两个点需要特别关注：第一点是墩基础的设计，国内暂无明确规范规定，该部分可参考参考文献[3]，设计计算后桩（墩）竖向承载力均能满足要求，本文不再赘述；第二点是桩（墩）基础水平力的分配，这是本文研究的重点。

要分析桩和墩的水平力分配，需先形成结构的侧移刚度，此处我们作以下三个假定：

⑴忽略在水平荷载作用下桩（墩）的轴向变形，桩（墩）的剪力只与水平位移有关。

⑵烟囱底板的轴向变形很小，可以忽略，因而桩（墩）顶端位移相等。

⑶忽略结构空间变形对桩侧移刚度的影响。

⑷忽略桩周土的影响。

假定所有桩（墩）顶端的相对位移δ均相等，由此可得各桩（墩）的剪力如下：

式中，i为桩（墩）编号，Fi、Ki分别为第i根桩（墩）的剪力和抗侧刚度，假设有n根桩（墩），可得：

则各桩剪力为：

由上述分析可知，桩（墩）的抗侧刚度是影响其水平力分配的关键，若仅考虑弯曲变形：

式中，E为混凝土的弹性模量，I为柱的截面惯性矩，l为桩（墩）的计算长度。

若同时考虑弯曲变形和剪切变形：

式中，G为混凝土的剪切变形模量，A为构件截面面积，γ为刚度的剪切影响系数，μ为截面剪切形状系数。

根据上述分析可知，桩和墩长度呈倍数关系时，其刚度呈指数级倒数关系，墩基础很可能由于水平力吃力过大引起破坏，甚至有可能导致桩（墩）基础的连续性破坏，从而引起极大的工程安全隐患。鉴于此，该工程做了一桩一孔的超前钻，根据现场反馈的超前钻结果，转化为入岩1m桩长，最长桩为8.5m，最短桩为2.52m，桩长的统计结果如表1。

表1　桩长统计

有了以上工程参数，采用前述方法，可以得到每根桩（墩）的水平力如图3。最长桩桩长为最短墩墩长的3.4倍，在仅考虑弯曲变形的情况下，最长桩承担水平力最小，仅为7.7KN，而最短墩则承担了最大的水平力，达到了293.3KN,最长桩承担的水平力仅为后者的1/38，两者为3次方的倒数关系；在考虑弯剪变形的情况下，最长桩承担水平力为8.6KN，最短墩承担水平力为255.7KN,最长桩承担的水平力为后者的1/30，比仅考虑弯曲变形时各桩的水平力分布悬殊减小，特别是对于最短桩而言，其承担的水平力减少了13%。所以对于墩基础而言，剪切刚度对其分担的水平力影响较大，必须予以考虑。

根据试桩报告，桩（墩）的水平承载力特征值取220KN，两种方法计算得到的最短墩的水平力均超过了这一限值，所以设计中通过控制最短墩的墩长，要求其不得少于3m，从而控制水平力不超限值。调整后的桩（墩）承担水平力曲线见图4，墩承载力可以满足要求，结构安全。

图3　桩（墩）承担水平力曲线（最短墩长为2.52m时）

图4　调整后桩（墩）承担水平力曲线（控制最短墩长为3m时）

4　有限元分析对比

为与第3部分介绍的计算方法进行对比，本文建立了SAP2000有限元分析模型，桩承台和环壁分别利用厚壳单元和薄壳单元进行模拟，桩采用杆单元进行模拟，上端铰接在承台底部对应位置，底端固接于基岩上，在零米中心处建立一个点单元，并将此点与筒壁零米的点通过BODY单元束缚起来，以代替上部筒体的刚度，并将上部的计算结果加载到零米中心点。SAP2000模型见图5。

本文分别建立了最短墩墩长为2.52m时和设计加以控制后最短墩为3m时的有限元模型，分了两种情况，一种是约束了桩顶垂直于剪力方向的变形，即不考虑空间作用；一种是未约束桩顶变形，即真实地考虑空间作用的情况。并将这两种情况下模型的计算结果与考虑弯剪变形时的手算计算结果进行了对比，见图6和图7。