群桩基础在老白沙滩泵站扶臂式挡土墙中的应用

许经宇，韩冬梅

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

在建筑物桩基础设计中，往往是由多根桩形成的群桩。群桩效应是指由摩擦桩组成的群桩，在竖向荷载作用下，其承台底面土、桩间土、桩端以下土都参与工作，形成承台、桩、土相互影响共同作用。这种结构可以同时解决三维空间多向应力失稳问题。在水利工程设计中，往往遇到地质条件不能满足设计要求，尤其是对竖向和水平位移量要求严格的建筑物，群桩基础可以从经济、施工难易程度等方面达到良好的效果，使得其应用广泛。本文通过对老白沙滩泵站前池扶臂式挡土墙基础处理的研究，在水平稳定和承台变位计算的基础上，确定采用混凝土灌注桩与底板整浇为承台结构的群桩基础，提出了布置方案，目前通过施工期和运行期近两年的观测，各项位移量均控制在合理范围内。

1 工程概况及存在问题

老白沙滩泵站是吉林西部供水工程中的一个生态供水泵站。泵站设计流量11.0m3/s，设计扬程12.00m，总装机1890kW。建筑物由前池、进水池、主泵房、副厂房、出水池、尾渠、安装间和变电站等几部分组成。其中前池扶臂式挡土墙墙高14.5m，踵板长2.5m，趾板长8.0m，单榀最长20m。挡土墙基础坐落在黄土状壤土层上，地基承载力170kPa，内摩擦角22°，凝聚力6kPa，摩擦系数0.3。

在挡土墙稳定计算中发现，基础平均应力为224.2kPa，大于地基承载力，地基承载力不满足要求，基础抗滑安全系数为0.786，小于允许安全系数1.25。该处挡土墙在承载力和抗滑稳定两个方面均不满足稳定要求。

2 群桩基础处理的方案设计

2.1 方案选择

改变挡土墙体形和填土指标等措施只能有限的提高稳定系数，因此考虑对挡土墙基础进行处理，以达到稳定要求。砂砾石换基方案需增加挡土墙踵板长度并对壤土基础进行换填，由于挡土墙建基高程低于地面14m，若再进行开挖换基，基坑深度特别大，开挖土方量巨大，同时存在边坡失稳等安全隐患，工程经济性和施工安全性等方面均差于混凝土灌注桩方案。

灌注桩方案：采用实心混凝土圆形截面桩，直径0.8m，单根桩桩长15m，桩距(圆心距离)3.0m，采用分排错落布置。灌注桩的布置型式如图1、2所示。施工时将桩顶钢筋伸入底板，形成承台，从而形成由承台、桩群、土体相互作用的群桩效应。

图1 挡土墙桩基础剖面图

图2 挡土墙桩基础平面图

2.2 群桩基础设计的计算方法

2.2.1 桩基础竖向承载力的计算

桩基础竖向承载力计算：

Nk≤R，且Nkmax≤1.2R

单桩竖向极限承载力标准值计算：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中，Nk—荷载轴心竖向力作用下，基桩的平均竖向力；Nkmax—荷载偏心竖向力作用下桩顶最大竖向力；R—基桩竖向承载力特征值；qsik—桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；qpk—极限端阻力标准值，kPa；u—桩身周长；li—桩周第i层土的厚度；Ap—桩端面积。

2.2.2 群桩效应的抗滑计算

水工建筑物抗滑稳定计算多为安全系数法，即计算滑移力与阻滑力的比值与规定的安全系数比较从而判定其稳定性。在群桩基础计算中，引入位移控制理论，根据计算对象的位移敏感程度对桩基础和底板形成的承台位移量加以控制，从而计算群桩水平承载力特征值，并根据位移量、转角量等绘制弯矩图和剪力图。群桩主要有4种效应：

(1)相互影响效应ηi：该效应主要是考虑桩数增减导致桩距的改变，其垂直作用力方向的影响要远远大于平行作用力的方向。

(2)桩顶约束效应ηr：群桩中的单根桩与底板承台的约束，可以看作是弱于固接又强于铰接的连接方式，该方式不仅可以有效的减小连接处的弯矩，还可以限制承台的水平位移。

(3)承台土体抗力效应ηl：承台侧面受位移反向的土体抗力。

(4)承台摩阻效应ηb：承台底面与土体的摩阻力，值得注意的是考虑地震作用时，不计该效应。

群桩基础水平承载力特征值计算：

Rh=ηhRha

(2)

ηh=ηiηr+ηl+ηb

(3)

(4)

式中，Rh—桩基水平承载力特征值；ηh—群桩效应综合系数；ηi—桩的相互影响效应系数；ηr—桩顶约束效应系数；ηl—承台侧向土抗力效应系数；ηb—承台底摩阻效应系数；χ0a—桩顶(承台)水平位移允许值，采用10mm位移控制和敏感结构物6mm位移控制；νx—桩顶水平位移系数；α—桩的水平变形系数。

2.3 计算成果及分析

2.3.1 竖向承载力的计算成果及分析

经计算，Nk=1068kN≤R=1256kN，且Nkmax=1424kN≤1.2R=1507kN，满足设计要求。群桩基础解决了竖向承载力不足的问题。

2.3.2 抗滑稳定的计算成果及分析

抗滑稳定的计算成果见表1、2。

表1 抗滑稳定计算成果表

表2 承台变位和桩体应力计算成果表

挡土墙水平位移量采用6mm控制，群桩效应应力为584.3kN，抗滑稳定系数可以达到1.33，已经满足规范要求。理论计算水平位移值5.9mm，接近控制指标，如图3所示。

图3 1#桩应力计算图

2.4 水平位移观测成果

挡土墙墙后填土至设计高程后，对其进行了7个月的位移量观测，如图4所示。4个观测点测得的水平位移量均不超过3mm，竖向沉降量累计数值为6mm、7mm、7mm、4mm。从目前的观测结果可以看出，群桩基础在三维位移量的控制方面起到了很好的作用，基本达到了工程设计的预期效果。

3 结语

老白沙滩泵站扶臂式挡土墙群桩基础的使用，同时解决了挡土墙的承载力不足及基础不稳定的问题，通过施工期和运行期近两年的观测，运行情况良好，这为其他类似工程提供了可靠的参考。通过本次设计，作者认为群桩基础设计需要注意以下两点：

(1)通过对挡土墙的观测，发现其水平位移量较计算值偏低(部分位移量为几乎0)，这是由于安全系数和基底摩擦系数以及土体指标的选取存在一定的安全储备，导致计算数值相对保守。

(2)群桩基础的适用条件，水平力产生弯矩很大的情况和桩基只有一排且作用力与各桩连线方向垂直的情况不适用。