杭州市三堡排涝泵站桩基设计

2017-04-13

浙江水利科技 2017年2期

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

杭州市三堡排涝泵站桩基设计

朱明笛

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

桩基竖向承载力和水平承载力特征值的确定，对工程投资和安全具有决定性影响。为合理确定该参数，杭州市三堡排涝工程进行了桩基静载试验。通过将试验结果和经验公式计算值进行对比、分析，合理确定桩基承载力，并对设计工况进行了复核计算。运行实践表明，桩基对建筑物变形控制效果良好。

混凝土灌注桩；静载试验；竖向承载力；水平承载力

1 问题的提出

杭州市三堡排涝工程属“扩大杭嘉湖南排工程”组成项目，是《太湖流域防洪规划》近期推荐的流域骨干工程之一，位于杭州市三堡二线船闸西侧，工程任务以防洪、治涝为主，结合改善水环境等综合利用。工程设计最大泵排流量200 m3/s，设4台斜轴卧式轴流泵，单泵设计排涝流量50 m3/s，总装机容量4 × 3 300 kW。工程规模为大（1）型，等别为Ⅰ等，泵站等主要建筑物为1级建筑物，泵站桩基设计等级为甲级。

为满足景观设计需要，泵站上部建筑采用大跨度、大悬挑结构，对基础不均匀沉降变形极为敏感；泵站在内江水位和外江潮位不利组合下，上下游最大水头差可达7.51 m，桩基将承受巨大的水平推力。因此本工程对桩基设计要求极高。

2 工程地质概况

工程区位于钱塘江北岸，地形平坦开阔，地面高程一般5.5 ～ 6.5 m。工程区属钱塘江冲海积区，由于沉积环境的不断变迁，土层分布不均匀，在水平及垂直方向上都有相变现象，土层结构较为复杂。

桩周主要土层自上而下分别为：Ⅱ层砂质粉土（al -mQ4），密实度稍密～中密，中等～低压缩性，厚约10.1 m；Ⅲ层淤泥质粉质黏土（al - mQ4），流塑～软塑，高压缩性，厚约3.2 m；Ⅶ层粉质黏土，中等压缩性，厚约10.2 m；Ⅹ层含泥砂砾石（alQ3），中密～密实，中等压缩性～低压缩性，厚约22.5 ～ 24.6 m，设计要求桩端进入该层长度不小于5.0 m。各主要土层承载力特征值、桩基极限侧阻力、端阻力标准值地质建议值见表1。

表1 各主要土层承载力特征值、桩基极限侧阻力、端阻力标准值地质建议值表

3 泵站基础设计方案

3.1 泵站主、副厂房平面布置

泵站主厂房由主机间和装配场组成，长（垂直水流方向，下同）76.83 m，总体宽度（顺水流方向，下同）为54.10 m。主机间位于主厂房的左端，长53.02 m，内装4台3600 ZXQ50 - 3.65型的斜30°轴伸式水泵，和4台T 3300 -8/1730型额定功率为3 300 kW的电动机，机组间距12.50 m。主机间共有2个机组段，2台机1段，每段长26.51 m，2机组段间设结构缝。装配场位于主厂房的右端，与主机间以20 mm宽的结构缝分开，地面以上1层，地面以下1层，长53.90 m，宽24.18 m。

泵站副厂房位于主厂房的左侧，长21.22 m，宽39.15 m，共6层，其中地面以下1层，地面以上5层。主、副厂房间设置有20 mm宽的结构缝。

3.2 桩筏基础设计方案

根据本工程的地质条件，PHC管桩和混凝土灌注桩2种桩型均是合适的。主要考虑到工程地处杭州市区，PHC管桩施工时，产生的噪声较大，会造成一定声环境污染，桩型最终选用混凝土灌注桩。

泵站主、副厂房采用D1 000 mmC30混凝土灌注桩，持力层为X层含泥砂砾石。以主机段为例，根据多次布桩试算，选用桩位布置见图1，桩间距3.00 m。为控制基础不均匀沉降，控制桩端进入含泥砂砾石层长度不小于5.00 m，桩底高程取在同一高程（- 34.50 m）。因主机段底板高程不同，桩基长度在26.00 ～ 29.00 m。

图1 泵站主机段桩位布置图

3.3 桩基计算

桩顶作用效应竖向力、水平力根据JGJ 94 — 2008《建筑桩基技术规范》[1]进行计算。基桩竖向承载力特征值、水平承载力特征值均根据规范公式初步计算，后根据试桩成果进行复核。根据工程施工及运行期间可能出现的各种不利情况，拟定以下5个代表性工况进行计算：工况1：完建期，内外侧均无水；工况2：内河侧常水位1.34 m +外江侧设计高潮位8.38 m；工况3：内河侧设计水位3.30 m +外江侧多年平均最低潮位2.34 m；工况4：内河侧梅汛期多年平均最低水位0.87 m +外江侧设计高潮位8.38 m；工况5：内河侧设计高水位3.30 m +外江侧设计低潮位1.35 m。

表2 桩基竖向荷载、水平荷载计算结果表

计算时考虑的荷载有：结构及设备自重、内河侧水压力、外江侧水压力、扬压力、上部建筑荷载。表2为主机段桩基最大竖向荷载、水平荷载计算结果。由表2可知，竖向承载力和水平承载力的控制工况均为工况4：单桩竖向荷载最大值为2 849.1 kN（内河侧），单桩最大水平荷载为159.7 kN。可见，对本工程桩基而言，外江侧水位越高、内河侧水位越低，桩基的最大竖向荷载及水平荷载越大。

4 单桩竖向抗压、水平静载试验

4.1 试桩概况

本工程桩基设计等级为甲级，根据规范[1]，单桩竖向极限承载力标准值和水平承载力特征值应通过静载试验确定。因此，2013年4 — 5月，对4根D1 000 mm的试桩按JGJ 106 — 2003《建筑基桩检测技术规范》[2]有关规定进行了静载试验。试桩概况见表3，其中预估加载量为根据JGJ 94 — 2008经验公式计算所得，用于选用加载设备、反力系统，确定加载分级等。

表3 试桩概况表

4.2 单桩竖向抗压静载试验方法

竖向抗压静载试验应采用慢速维持荷载法，试验方法如下：

（1）试验加载。荷载分级施加，每级加载量为预估最大加载量的1/10，首级加倍；每级荷载施加后，按第0，5，15，30，45，60 min测读1次试桩各表沉降量，以后每隔30 min测读1次；当桩顶沉降速率连续2次小于0.1 mm/h，即认为桩的沉降已稳定，可施加下一级荷载；当加载值达到预估最大加载量且沉降稳定后，终止加载。

（2）卸载观测。每级卸载值为加载值的2倍，每级荷载维持l h，按第0，15，30，60 min 测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载。卸载至0后，应测读桩顶残余沉降量，维持时间为3 h，测读时间为第0，15，30 min，以后每隔30 min测读1次。

（3）桩身内力和变形测试。通过NEUBREX光纳仪测试在静载试验过程中测试预埋光纤的应变变化情况，在每级荷载稳定时测试1次应变值。通过应变值的变化计算桩身的轴力、侧摩阻力和桩底沉降等变化情况。

4.3 单桩水平静载试验方法

试验加载方法采用单向多循环加载法。每级荷载（分级荷载为预估荷载的1/12）施加后，恒载4 min后测读水平位移，然后卸载至0，停2 min 测读残余水平位移，至此完成1个加卸载循环；如此循环5次，完成一级荷载的位移观测。规范规定，为设计提供依据的试验桩宜加载至桩顶出现较大水平位移或桩身结构破坏，故本工程试桩在桩头水平位移超过40 mm时终止加载。

5 试桩主要成果及承载力特征值

5.1 单桩竖向承载力特征值确定

单桩竖向抗压静载试验主要成果见表4[3]。

表4 各试桩单桩竖向抗压静载试验成果汇总表

表5 水平静载试验成果汇总表

在最大试验荷载下，通过对采集到的桩身微应变变化情况分析，SZ1、SZ2、SZ3的桩侧摩阻力分别为7 398，7 488，7 414 kN，桩端承载力分别为602.0，512.0，586.0 kN；各试桩Q - S、S - lgQ关系曲线未出现陡降段、S - lgt关系曲线未出现向下折；桩端沉降量分别为3.56，3.00，3.81 mm；桩顶累计沉降量分别为17.95，16.00，17.93 mm。

由试验结果可知，总沉降量最大值仅为17.95 mm，不到终止加载标准（总沉降量达到40.00 mm）的50%，说明试桩远未破坏，无法得出桩端土层的极限端阻力，因此试验成果不能直接用于计算竖向承载力。但是试验结果表明，按经验公式计算竖向承载力是偏于安全的，故设计采用的竖向承载力特征值仍按照经验公式计算确定。

5.2 单桩水平承载力特征值确定

水平静载试验成果见表5[3]。由表5可知，SZ1 ～ SZ4单桩水平极限承载力分别为397.0，353.0，309.0，309.0kN，由于试桩数量较少，且极差较大，故单桩水平极限承载力统计值取低值，即309.0 kN。由于单桩水平极限承载力统计值的1/2（309/2 = 154.5 kN）小于SZ1 ～ SZ4的最小水平临界荷载176.0 kN，且小于设计要求的桩顶位移6 mm对应的最小荷载195.0 kN，因此，单桩水平承载力特征值取为154.0 kN。